格林函數與邊值問題

疊加積分(superposition integral)

一個複雜的載荷不過是一群肩並肩站著的微小點載荷。如果你知道一個點載荷會造成什麼——即點源響應——那麼完整的響應就是所有這些小響應之和,每個都按其所在點的強度加權。當這些點構成連續體時,求和就變成積分。疊加積分就是這個積分:用格林函數為任意源拼出答案的公式。

寫出來便是 u(x) = 區域上 G(x, s) f(s) ds 的積分。把它讀作一筆加權帳:在每個源位置 s,載荷有密度 f(s);每一小塊貢獻 f(s) ds 強度的點源,系統以 G(x, s) 回應;把所有 s 上的貢獻加起來,就得到觀測點 x 處的場 u。這一步的合法性來自疊加原理——它之所以成立,正因為 L 是線性的,於是 L u = G(x, s) f(s) ds 的 L 積分 = delta(x - s) f(s) ds 的積分 = f(x)。delta 篩出 f(x),方程便滿足了。

這正是整個格林函數綱領的回報:它把一整族邊值問題(每個源 f 一個)化成對一個固定核的單次積分。在平移不變的全空間設定下,疊加積分實際上就是卷積 u = G * f,這也是為什麼把卷積變成乘法的傅立葉變換與拉普拉斯變換,在信號、光學、場論中與格林函數配合得如此自然。

取 [0, 1] 上 G(x, s)(x < s 時為 x(1 - s),x > s 時為 s(1 - x)),令 f(s) = 1。則 u(x) = 從 0 到 x 的 s(1 - x) ds 積分 + 從 x 到 1 的 x(1 - s) ds 積分 = x(1 - x)/2——通過疊加點響應恢復了均勻承載的弦。

在 x 處把積分拆開,反映出當源越過觀測點時 G 的公式會切換。

疊加性是線性問題獨有的性質。對於非線性方程,你不能把對各個源的響應相加,因此既沒有格林函數,也沒有疊加積分——這是整個方法最尖銳的唯一侷限。

又稱
convolution with the Green's function格林函数卷积格林函數卷積