格林函數與基本解

表示公式(representation formula)

在所有的機械裝置之後,回報來了:一個公式直接交給你解在任意內點的值,由內部的源與邊界上的資料組成。表示公式就是這句話——「這裡的答案等於格林函數對源的積分,加上一個引入邊界資料的邊界項。」這就是整個點源計畫所瞄準的明確解。

對狄利克雷問題 -Laplacian u = f 於某區域、邊界上指定 u = g,表示公式寫成 u(x) = integral over region of G(x, y) f(y) dy - integral over boundary of g(y) (dG/dn_y)(x, y) dS(y)。分兩塊讀。第一項把源 f 透過格林函數 G 散開——那就是點源回應對實際源的積分。第二項是邊界貢獻:指定的邊界值 g 由格林函數的法向導數往內傳,而對拉普拉斯方程,這法向導數正是帕松核(Poisson kernel)。推導就是格林第三恆等式:用格林第二恆等式配 v = G 把 u 寫出,含未知 du/dn 的邊界項恰好消失,正因為 G 被建構成在邊界上為零。諾伊曼問題有對偶版本,用法向導數為零的格林函數。

為何這是目標:它把邊界值問題化為純粹的積分,把內部源的效果與邊界資料的效果乾淨地分開,並揭示答案的結構(哪些邊界值最重要、影響如何隨距離衰減)。在圓盤上它特化為帕松積分公式。誠實的限制依舊:你需要明確的格林函數 G,這把乾淨的公式限制在特殊定義域;對一般區域,公式為真且觀念上核心,但不是一條閉式食譜。

拉普拉斯方程 Laplacian u = 0 於單位圓盤、邊界值為 g,特化為帕松積分公式 u(r, theta) = (1/(2 pi)) integral from 0 to 2 pi of [ (1 - r^2) / (1 - 2 r cos(theta - phi) + r^2) ] g(phi) dphi——這正是表示公式的邊界項被完全明確寫出。

帕松核就是表示公式的邊界部分。

乾淨的公式需要明確的格林函數,所以只有在特殊定義域才是閉式食譜;對一般區域它精確為真、觀念上核心,卻無法直接以閉式計算。

又称
Green's representation formulaGreen's function solution formula格林表示公式解的積分表示