鏡像法(method of images)
把一個電荷放在一面平坦接地的金屬牆附近,問它產生什麼場。直接求解這個邊值問題看起來很難。鏡像法是個漂亮的捷徑:假裝牆不存在,轉而在牆的另一側放一個虛構的鏡像源,選得使真實源與其鏡像在自由空間中的合場自動滿足牆的條件。牆被一個幽靈替換了。
具體地,要在具有簡單平面或球面邊界的區域上求格林函數,你取位於 s 的真實源的自由空間格林函數,再加上放在反射位置的一個或多個鏡像源的自由空間格林函數,符號與強度選得使總和滿足邊界條件。對在 z = 0 處有狄利克雷牆的上半空間,點 (x, y, z) 的鏡像是位於 (x, y, -z) 的負點;兩個自由空間電勢在牆上相消,給出 G(x, s) = 1/(4 pi |x - s|) - 1/(4 pi |x - s_鏡像|)。因為每個鏡像源在區域內部滿足齊次方程(其奇點落在外面),加上它不改變區域內的點源,卻定住了邊界。
鏡像法為反射有效的特殊幾何給出精確的閉式格林函數:半空間、平板、合適角度的楔形、球的內部或外部、圓盤。它是靜電學(接地平面上方的電荷被吸引,如同被其鏡像吸引)、帶絕熱或固定壁的熱傳導、波反射的常用工具。該方法在適用時是精確的,但只適用於那些對稱邊界;一般區域則需改用本徵函數展開或數值方法。
接地平面 z = 0 上方高度 a 處的單位電荷:在 z = -a 處放一個鏡像電荷 -1。電勢 1/(4 pi r1) - 1/(4 pi r2) 在平面上(那裡 r1 = r2)為零,且只在平面上方解泊松方程。真實電荷感受到一個吸引力,恰如被它的鏡像拉住一般。
一個鏡像電荷把困難的邊值問題化成兩電荷的自由空間求和。
該方法只對足夠對稱、能用有限組反射源再現邊界條件的邊界有效——平面、球面、特殊楔形。對一般的曲面邊界,不存在有限組鏡像,這個技巧根本不適用。