格林函數與基本解

鏡像法(method of images)

把一個電荷立在一片接地的平坦金屬板前面,板子會重新安排自身的電荷,使場恰好正確地與它相接。令人驚訝的捷徑是:在你關心的區域裡,板子那整個複雜的回應,可以被一個放在板後的虛構鏡像電荷精確地重現出來——彷彿板子是一面鏡子。鏡像法就用這個技巧建格林函數:滿足邊界條件不是靠解出修正項,而是靠在區域外加入虛構的源,讓它們的自由空間場在邊界上正確地抵消。

取上半平面配狄利克雷條件。格林函數必須在 y = (y1, y2)(y2 > 0)有源,並在直線 x2 = 0 上消失。把 y 對邊界反射到它的鏡像 y* = (y1, -y2),在那裡放一個相反的源。於是 G(x, y) = E(x - y) - E(x - y*):在邊界直線上,x 到 y 與到 y* 等距,所以兩個基本解相等而相消,給出 G = 0,正如所求;而在半平面內部,鏡像源 y* 位於外部,貢獻一個齊次(無源)的場,於是完美地充當邊界修正項。對圓盤或球,點 y 的正確鏡像是它對半徑 R 的球面的反演 y* = R^2 y / |y|^2,並帶一個強度因子,同樣的相消依然有效。

鏡像法是取得格林函數最基本、最直觀的方式,它把「G = 基本解 + 修正項」的結構具體化。誠實的限制很嚴苛:鏡像只在對稱到足以讓有限個反射或反演自我封閉的幾何裡才管用——半空間、平板、特定角度的楔形、圓盤、球。一般區域不容許鏡像;你只能退回去解修正項的邊界值問題,或訴諸數值方法。另外,鏡像是住在你區域之外的記帳工具——那裡並沒有真正的源。

在直線 x2 = 0 上方 (0, 1) 處的單位點源、配狄利克雷資料:在 (0, -1) 放一個相反的鏡像。格林函數是 G(x, y) = E(x - y) - E(x - y*),在地板 x2 = 0 上,兩項大小相等、符號相反,故 G = 0。

一個鏡像電荷在邊界線上抵消場。

鏡像法只在高度對稱的幾何裡管用(半空間、平板、特定楔形、圓盤、球);一般區域不容許鏡像構造,而且鏡像源是住在你定義域外的虛構,並非物理上的源。

又稱
image chargesreflection method鏡像電荷映像法