镜像法(method of images)
把一个电荷放在一面平坦接地的金属墙附近,问它产生什么场。直接求解这个边值问题看起来很难。镜像法是个漂亮的捷径:假装墙不存在,转而在墙的另一侧放一个虚构的镜像源,选得使真实源与其镜像在自由空间中的合场自动满足墙的条件。墙被一个幽灵替换了。
具体地,要在具有简单平面或球面边界的区域上求格林函数,你取位于 s 的真实源的自由空间格林函数,再加上放在反射位置的一个或多个镜像源的自由空间格林函数,符号与强度选得使总和满足边界条件。对在 z = 0 处有狄利克雷墙的上半空间,点 (x, y, z) 的镜像是位于 (x, y, -z) 的负点;两个自由空间电势在墙上相消,给出 G(x, s) = 1/(4 pi |x - s|) - 1/(4 pi |x - s_镜像|)。因为每个镜像源在区域内部满足齐次方程(其奇点落在外面),加上它不改变区域内的点源,却定住了边界。
镜像法为反射有效的特殊几何给出精确的闭式格林函数:半空间、平板、合适角度的楔形、球的内部或外部、圆盘。它是静电学(接地平面上方的电荷被吸引,如同被其镜像吸引)、带绝热或固定壁的热传导、波反射的常用工具。该方法在适用时是精确的,但只适用于那些对称边界;一般区域则需改用本征函数展开或数值方法。
接地平面 z = 0 上方高度 a 处的单位电荷:在 z = -a 处放一个镜像电荷 -1。电势 1/(4 pi r1) - 1/(4 pi r2) 在平面上(那里 r1 = r2)为零,且只在平面上方解泊松方程。真实电荷感受到一个吸引力,恰如被它的镜像拉住一般。
一个镜像电荷把困难的边值问题化成两电荷的自由空间求和。
该方法只对足够对称、能用有限组反射源再现边界条件的边界有效——平面、球面、特殊楔形。对一般的曲面边界,不存在有限组镜像,这个技巧根本不适用。