格林函數與基本解

格林函數的互易性(reciprocity of Green's functions)

這裡有一個令人意外又有用的事實。把點源放在 A、在 B 量回應;現在對調——把同樣的源放在 B、在 A 量。互易性說你會得到相同的數。你在門口喊,窗邊的人聽到的響度,恰好等於他從窗邊喊回來你所聽到的響度。源與聽者可以互換位置而不改變聽到的結果。

數學上這就是對稱性 G(x, y) = G(y, x):在 x 處感受到的、對位於 y 的單位源的回應,等於在 y 處感受到的、對位於 x 的單位源的回應。這不是巧合——它源自算子的自伴性(對稱性)加上邊界條件。證明是把格林第二恆等式用在 G(., y) 與 G(., z) 上:把兩者代入 integral of (u L v - v L u) 對區域積分,這等於一個邊界積分,而它因每個格林函數所滿足的邊界條件而消失,剩下的 delta 項給出 G(z, y) = G(y, z)。所以互易性正是「以 G 為核的積分算子是對稱的」這一陳述——自伴問題的指紋。

這件事既是檢驗也是工具。作為檢驗,你建出的任何候選格林函數最好是對稱的。作為工具,互易性就是彈性力學中的馬克士威-貝蒂互易、聲學中的雷利互易、電磁學中天線的互易:它讓你可以用較容易的對調情形去算困難的情形。誠實的提醒:互易性需要自伴算子與對稱邊界條件。對非自伴問題——例如帶一階漂移(對流)項的算子,或含時的因果格林函數——對稱性會被打破,代之以 G 與伴隨算子格林函數之間的一個關係。

一張鼓面在單位重物置於點 A 時、於點 B 量得撓度 d。把重物移到 B、在 A 量:互易性保證撓度仍恰好是 d,即使 A 與 B 毫不相似。

對調源與觀測點,回應不變。

互易性只對配對稱邊界條件的自伴算子成立;加入對流(漂移)項或使用因果的時間格林函數,對稱性就會被打破,代之以與伴隨算子格林函數的一個關係。

又稱
symmetry of the Green's functionMaxwell-Betti reciprocityG(x, y) = G(y, x)格林函數的對稱性互易定理