格林函数与边值问题

格林函数(Green's function)

/ GREEN /

假设你有一个线性系统——一根绷紧的弦、一根加热的杆、一片电场——而你想知道它对任意载荷会如何响应。格林的想法是先问一个更干净的问题:它对单个、无限集中地戳在一点的力会如何响应?答出这个,你就能把任意载荷拆成许多小块,把对各小块的响应加起来,从而构造出对该载荷的总响应。格林函数就是这个单点戳击的响应,记作戳击位置与观测位置的函数。

确切地说,对于线性微分算子 L 与边界条件,格林函数 G(x, s) 是满足边界条件的方程 L G(x, s) = delta(x - s) 的解,其中 delta 是狄拉克 delta——放在 s 处的单位点源。一旦有了 G,带这些边界条件的非齐次问题 L u = f 的解便是 u(x) = 区域上 G(x, s) f(s) ds 的积分。用语言说:把在 s 处的点响应按 s 处源 f 的强度加权,再叠加。格林函数实际上就是把算子求逆:u = L^{-1} f 是通过对 G 积分来实现的。

这把求解微分方程化成了做一个积分,而且一劳永逸——G 只依赖于算子与边界,而不依赖于具体的 f。这正是格林函数在静电学(点电荷的电势)、量子力学(传播子)、热流、声学、弹性力学中居于核心地位的原因。要注意的是:G 编码了边界条件,所以改变几何形状或边界数据就会改变 G;自由空间格林函数(无边界)是最简单的基石,而镜像法或本征函数展开则把它改造到有界区域上。

对于 [0, 1] 上 L = -d^2/dx^2、边界条件 u(0) = u(1) = 0,格林函数为:当 x < s 时 G(x, s) = x(1 - s),当 x > s 时 G(x, s) = s(1 - x)。于是 u(x) = 从 0 到 1 的 G(x, s) f(s) ds 积分,对任意源 f 都解 -u'' = f, u(0) = u(1) = 0——一个公式,应付所有载荷。

这个分段公式关于 x 与 s 对称——这是自伴算子的标志(麦克斯韦-贝蒂互易性)。

格林函数仅当齐次边值问题只有平凡解时才存在且唯一;若零是本征值,则普通格林函数不存在,你必须使用受可解性条件约束的修正格林函数。

又称
Green function影响函数影響函數