格林函数与边值问题

基本解(fundamental solution)

如果说格林函数是有边界系统的响应,那么基本解就是同一个算子在完全没有边界时的响应——微分算子对置于无界空间(或无界时空)中单个点源的赤裸答案。它是最纯粹的基石:一个无限、无特征的介质被戳一次时会做什么。

确切地说,线性算子 L(设为常系数)的基本解是任何满足全空间方程 L E = delta、且不施加任何边界条件的分布 E。对三维拉普拉斯算子 L = -nabla^2,基本解是 E = 1/(4 pi r),即单位点电荷熟悉的库仑势;在二维则是 -(1/(2 pi)) ln r。对热算子,它是随时间扩散的高斯热核;对波算子,它是编码惠更斯原理的膨胀球壳。由于没有边界来定住它,基本解仅在相差一个齐次方程解 L v = 0 的意义下唯一。

基本解是线性偏微分方程理论的万能钥匙。有界区域的完整格林函数,是取基本解再加以修正而建成的——用镜像法,或加上一个齐次解——使其满足边界条件。它们还给出存在性:把基本解与任何合理的源 f 卷积,就产生 L u = f 的一个特解 u = E * f。在物理中,它们就是把影响从时空一点带到处处的传播子(热、薛定谔、波)。

在三维中,-nabla^2 (1/(4 pi r)) = delta。你可以在原点之外(那里 1/r 是调和的)验证,并通过在一个小球上对 -nabla^2(1/(4 pi r)) 积分、再用散度定理来确认 delta:-grad(1/(4 pi r)) 穿过球面的通量恰为 1。

1/(4 pi r) 是单位点电荷的静电势——物理学给拉普拉斯算子基本解起的名字。

基本解与格林函数常被笼统当作同义词,但精确的区别在边界:基本解忽略边界(自由空间),而格林函数是经修正以满足特定区域上特定边界条件的基本解。

又称
elementary solution源解源解