波動方程

基爾霍夫公式與帕松公式(Kirchhoff's and Poisson's formulas)

/ KEERK-hof; pwah-SON /

達朗貝爾公式解的是直線上的波動方程。那麼三維空氣中的聲波、或二維池塘上的漣漪呢?基爾霍夫公式(三維)與帕松公式(二維)就是顯式的答案——達朗貝爾在高維度的表親,透過把初始資料在球面或圓盤上平均,直接從資料寫出解。

基爾霍夫公式(三維)說,值 u(x,t) 是由初始資料在以 x 為心、半徑 ct 的球面上的平均所構成——恰好是那些信號以速度 c 行進、此刻正在抵達的點。因為它只取半徑 ct 處薄薄的球殼,球殼經過後貢獻就掉回零:這正是三維何以享有強惠更斯原理(乾淨的後緣)的原因。帕松公式(二維)類似,但在整個半徑 ct 的實心圓盤上積分,而非只在它的邊界圓上——每個比 ct 更近的點都仍有貢獻。那個填滿的積分正是二維何以有綿延尾波、沒有乾淨後緣的原因:來自圓盤內部的舊資料持續餵入。

兩條公式之間的對比,就是把整個銳利對瀰散的故事化成代數。一個面平均(三維)給出乾淨的波前;一個實心平均(二維)給出尾波。兩者都由球面平均法導出——把未知量在球面上平均,會把多維波動方程化回一維方程(尤拉-帕松-達布方程),讓達朗貝爾式的推理能夠攻克。這些公式正是聲學、光學與天線理論實際計算輻射場的方法,也是高維度有限傳播速度的嚴格來源:u(x,t) 只依賴距離 ct 以內的資料。

原點處一個點狀的閃光:由基爾霍夫三維公式,距離 r 處的觀察者起初什麼都看不到,然後在恰好 r/c 時刻看到一道銳利的閃光(當半徑 ct = r 的球面抵達他們時),隨後黑暗。同一事件在假想的二維世界(帕松)中,會給出一道閃光,隨後是緩緩淡去的餘暉。

基爾霍夫(三維)在球面上平均——銳利;帕松(二維)在圓盤上平均——有尾波。

當心名稱重複:這條二維波動方程的帕松公式,與圓盤上拉普拉斯方程的帕松積分公式是不同的結果。同一位數學家,兩條各別著名的公式。

又称
the higher-dimensional d'Alembert formulasthe explicit wave-equation solutions in 2D and 3D基爾霍夫解與帕松解