กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 22 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ใน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันของกรีน ( หรือ ฟังก์ชันกรีน [ 1 ] ) คือ การตอบสนองแบบอิมพัลส์ ของ ตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ เชิงเส้น ที่ไม่เป็นเอกพันธ์...

หน้าที่ของกรีน

ภาพเคลื่อนไหวที่แสดงวิธีการซ้อนทับฟังก์ชันของกรีนเพื่อแก้สมการเชิงอนุพันธ์ภายใต้แหล่งกำเนิดใดๆ
ถ้าหากใครรู้คำตอบจี(x,x){\textstyle G(x,x')}ไปสู่สมการเชิงอนุพันธ์ภายใต้แหล่งกำเนิดจุดแอล^(x)จี(x,x)=δ(xx){\textstyle {\hat {L}}(x)G(x,x')=\delta (xx')}และตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์แอล^(x){\textstyle {\hat {L}}(x)}ถ้าเป็นแบบเชิงเส้น ก็สามารถนำเส้นเหล่านั้นมาซ้อนทับกันเพื่อสร้างคำตอบได้คุณ(x)=เอฟ(x)จี(x,x)x{\textstyle u(x)=\int f(x')G(x,x')\,dx'}สำหรับแหล่งข้อมูลทั่วไปแอล^(x)คุณ(x)=เอฟ(x){\textstyle {\hat {L}}(x)u(x)=f(x)}.

ในทางคณิตศาสตร์ฟังก์ชันของกรีน ( หรือฟังก์ชันกรีน[ 1 ] ) คือการตอบสนองแบบอิมพัลส์ของตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นที่ไม่เป็นเอกพันธ์ซึ่งกำหนดไว้ในโดเมนที่มีเงื่อนไขเริ่มต้นหรือเงื่อนไขขอบเขตที่ระบุ

หมายความว่า ถ้าแอล{\displaystyle L}ถ้าเป็นตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นแล้ว

ตามหลักการซ้อนทับเมื่อกำหนดสมการเชิงอนุพันธ์สามัญเชิงเส้น (ODE) แล้วแอลy=เอฟ{\displaystyle Ly=f}ขั้นแรก เราสามารถแก้ปัญหาได้แอลจี=δ{\displaystyle LG=\delta _{s}}สำหรับแต่ละsถ้าแหล่งกำเนิดเป็นผลรวมของฟังก์ชันเดลต้าแล้วคำตอบก็จะเป็นผลรวมของฟังก์ชันกรีนเช่นกันเนื่องจากความเป็นเชิงเส้นของLซึ่งหมายความว่าปริพันธ์ เมื่อมองว่าเป็นผลรวมต่อเนื่อง สามารถสร้างแหล่งกำเนิดได้หลากหลายประเภทเอฟ{\displaystyle f}โดยผ่าน อินทิกรัล การสังเคราะห์เมื่อใดก็ตามที่อินทิกรัลของเอฟ{\displaystyle f}กับจี{\displaystyle G}เมื่อลู่เข้าแล้ว คำตอบของสมการที่ไม่เป็นเอกพันธุ์ก็จะลู่เข้าเช่นกันแอลy=เอฟ{\displaystyle Ly=f}กำหนดให้โดยy=จี*เอฟ{\displaystyle y=G\ast f}[ 2 ]

ฟังก์ชันของกรีนตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ ชาวอังกฤษ จอร์จ กรีนซึ่งเป็นผู้พัฒนาแนวคิดนี้เป็นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1820 ในการศึกษาสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย เชิงเส้นสมัยใหม่ ฟังก์ชันของกรีนส่วนใหญ่ศึกษาจากมุมมองของผลเฉลยพื้นฐานแทน ซึ่งคำนึงถึงภาษาสมัยใหม่ของทฤษฎีการกระจายหรือฟังก์ชันทั่วไป[ 2 ]

โดยอาศัยหลักการซ้อนทับในทฤษฎีหลายอนุภาคคำนี้ยังใช้ในฟิสิกส์และวิศวกรรม โดยเฉพาะในทฤษฎีสนามควอนตัมอากาศพลศาสตร์ อากาศอะคูสติกไฟฟ้าพลศาสตร์แผ่นดินไหววิทยาและทฤษฎีสนามสถิติเพื่ออ้างถึงฟังก์ชันสหสัมพันธ์ ประเภทต่างๆ แม้แต่ฟังก์ชันที่ไม่ตรงกับคำจำกัดความทางคณิตศาสตร์ ในทฤษฎีสนามควอนตัม ฟังก์ชันของกรีนทำหน้าที่เป็นตัวแพร่กระจายหรือเรียกอีกอย่างว่าฟังก์ชันสองจุด (สหสัมพันธ์) [ 3 ]

คำจำกัดความและการใช้งาน

ฟังก์ชันกรีนG ( x , s )ของตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ เชิงเส้น L = L ( x )ที่กระทำกับการกระจายตัวเหนือเซตย่อยของปริภูมิยุคลิดอาร์n{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}จุดsนั้น เป็นคำตอบใดๆ ของสมการต่อไปนี้

โดยที่δคือฟังก์ชันเดลต้าของ Diracคุณสมบัติของฟังก์ชัน Green นี้สามารถนำมาใช้ในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ในรูปแบบ

ถ้าเคอร์เนลของLไม่ใช่เคอร์เนลที่ไม่สำคัญ ฟังก์ชันกรีนก็จะไม่เป็นเอกลักษณ์ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การรวมกันของสมมาตรเงื่อนไขขอบเขตและ/หรือเกณฑ์อื่นๆ ที่กำหนดจากภายนอก จะทำให้ได้ฟังก์ชันกรีนที่ไม่ซ้ำกัน ฟังก์ชันกรีนอาจถูกจัดประเภทตามหมายเลขฟังก์ชันกรีนตามประเภทของเงื่อนไขขอบเขตที่ตรงตามนั้น ฟังก์ชันกรีนไม่จำเป็นต้องเป็นฟังก์ชันของตัวแปรจริง แต่โดยทั่วไปแล้วจะเข้าใจในแง่ของการแจกแจง

ฟังก์ชันของกรีนยังเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการแก้สมการคลื่นและสมการการแพร่กระจาย อีก ด้วย[ 4 ​​] [ 5 ]ในกลศาสตร์ควอนตัมฟังก์ชันของกรีนของแฮมิลโทเนียนเป็นแนวคิดหลักที่มีความเชื่อมโยงที่สำคัญกับแนวคิดของความหนาแน่นของสถานะ

ฟังก์ชันกรีนที่ใช้ในวิชาฟิสิกส์มักจะถูกกำหนดด้วยเครื่องหมายตรงข้ามแทน กล่าวคือ แอลจี(x,)=δ(x).{\displaystyle LG(x,s)=\delta (xs)\,.} นิยามนี้ไม่ได้เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติใดๆ ของฟังก์ชันกรีนอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากฟังก์ชันเดลต้าของดิแรกมีความสม่ำเสมอ

ถ้าตัวดำเนินการนั้นไม่เปลี่ยนแปลงตามการเลื่อนนั่นคือ เมื่อแอล{\displaystyle L}ถ้าฟังก์ชันกรีน มีสัมประสิทธิ์คงที่เมื่อเทียบกับxแล้ว ฟังก์ชันกรีนนั้นสามารถถือได้ว่าเป็นเคอร์เนลการสังเคราะห์ (convolution kernel ) นั่นคือ จี(x,)=จี(x).{\displaystyle G(x,s)=G(xs)\,.} ในกรณีนี้ ฟังก์ชันของกรีนจะเหมือนกับการตอบสนองต่อแรงกระตุ้นของทฤษฎีระบบเชิงเส้นที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา

แรงจูงใจ

กล่าวโดยคร่าวๆ หาก สามารถหาฟังก์ชันG ดังกล่าวสำหรับตัวดำเนินการ Lได้แล้ว หากเราคูณสมการ 1สำหรับฟังก์ชันกรีนด้วยf ( s )จากนั้นทำการอินทิเกรตเทียบกับsเราจะได้ แอลจี(x,)เอฟ()=δ(x)เอฟ()=เอฟ(x).{\displaystyle \int LG(x,s)\,f(s)\,ds=\int \delta (xs)\,f(s)\,ds=f(x)\,.} เนื่องจากผู้ปฏิบัติงานแอล=แอล(x){\displaystyle L=L(x)}เนื่องจากเป็นตัวดำเนินการเชิงเส้นและกระทำเฉพาะกับตัวแปรx (และไม่กระทำกับตัวแปรการอินทิเกรตs ) จึงอาจใช้ตัวดำเนินการดังกล่าวได้แอล{\displaystyle L}นอกเหนือจากการบูรณาการแล้ว ส่งผลให้ แอล(จี(x,)เอฟ())=เอฟ(x).{\displaystyle L\left(\int G(x,s)\,f(s)\,ds\right)=f(x)\,.} หมายความว่า

เป็นคำตอบของสมการแอลคุณ(x)=เอฟ(x).{\displaystyle Lu(x)=f(x)\,.}

ดังนั้น เราอาจได้ฟังก์ชันu ( x ) โดยอาศัยความรู้เกี่ยวกับ ฟังก์ชันกรีนในสมการ 1และพจน์แหล่งกำเนิดทางด้านขวามือในสมการ 2กระบวนการนี้อาศัยความเป็นเชิงเส้นของตัวดำเนินการL

กล่าวอีกนัยหนึ่ง คำตอบของสมการ 2 , u ( x ) , สามารถหาได้จากการอินทิเกรตที่กำหนดในสมการ3แม้ว่าf ( x )จะเป็นที่ทราบ แต่การอินทิเกรตนี้จะไม่สามารถทำได้เว้นแต่ จะทราบ Gด้วย ปัญหาในขณะนี้คือการหาฟังก์ชันกรีนGที่สอดคล้องกับสมการ1ด้วยเหตุนี้ ฟังก์ชันกรีนจึงบางครั้งเรียกว่าคำตอบพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับตัวดำเนินการL  

ไม่ใช่ผู้ให้บริการทุกคนแอล{\displaystyle L}ยอมรับฟังก์ชันกรีน ฟังก์ชันกรีนอาจคิดได้ว่าเป็นตัวผกผันทางขวาของLนอกเหนือจากความยากลำบากในการหาฟังก์ชันกรีนสำหรับตัวดำเนินการเฉพาะแล้ว การคำนวณอินทิกรัลในสมการที่ 3อาจค่อนข้างยาก อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องตามทฤษฎี

อาจมองได้ว่าเป็นการขยายfตาม ฐาน ฟังก์ชันเดลต้าของ Dirac (โดยการฉายfลงบนδ(x){\displaystyle \delta (xs)}และการซ้อนทับของคำตอบบนแต่ละการฉายภาพ สมการปริพันธ์ดังกล่าวเรียกว่าสมการปริพันธ์เฟรดโฮล์มซึ่งการศึกษาเกี่ยวกับสมการนี้เป็นที่มาของทฤษฎีเฟรดโฮล์

ฟังก์ชันของกรีนสำหรับการแก้ปัญหาค่าขอบเขตที่ไม่เป็นเอกพันธุ์

การใช้งานหลักของฟังก์ชันกรีนในทางคณิตศาสตร์คือการแก้ปัญหาค่าขอบเขต ที่ไม่เป็นเอกพันธุ์ ในฟิสิกส์เชิงทฤษฎี สมัยใหม่ ฟังก์ชันกรีนมักถูกใช้เป็นตัวแพร่กระจายในแผนภาพไฟน์แมนและคำว่าฟังก์ชันกรีนมักถูกใช้เพิ่มเติมสำหรับฟังก์ชันความสัมพันธ์ ใดๆ ด้วย

กรอบ

อนุญาตแอล{\displaystyle L}เป็น ตัวดำเนินการ Sturm–Liouvilleซึ่งเป็นตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นในรูปแบบ แอล=x[พี(x)x]+q(x){\displaystyle L={\dfrac {d}{dx}}\left[p(x){\dfrac {d}{dx}}\right]+q(x)} และปล่อยให้ดี{\displaystyle \mathbf {D} }ให้เป็น ตัวดำเนิน การเงื่อนไขขอบเขตแบบเวกเตอร์ดีคุณ=[α1คุณ(0)+เบต้า1คุณ(0)α2คุณ()+เบต้า2คุณ()].{\displaystyle \mathbf {D} u={\begin{bmatrix}\alpha _{1}u'(0)+\beta _{1}u(0)\\\alpha _{2}u'(\ell )+\beta _{2}u(\ell )\end{bmatrix}}\,.}

อนุญาตเอฟ(x){\displaystyle f(x)}เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องใน[0,]{\displaystyle [0,\ell ]\,}นอกจากนี้ สมมติให้ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้น แอลคุณ=เอฟดีคุณ=0{\displaystyle {\begin{aligned}Lu&=f\\\mathbf {D} u&=\mathbf {0} \end{aligned}}} เป็นแบบปกติ กล่าวคือ เป็นวิธีแก้ปัญหาเพียงวิธีเดียวสำหรับเอฟ(x)=0{\displaystyle f(x)=0}สำหรับทุกxคือคุณ(x)=0{\displaystyle u(x)=0}.

ทฤษฎีบท

มีทางออกเพียงหนึ่งเดียวเท่านั้นคุณ(x){\displaystyle u(x)}ที่ทำให้พึงพอใจแอลคุณ=เอฟดีคุณ=0{\displaystyle {\begin{aligned}Lu&=f\\\mathbf {D} u&=\mathbf {0} \end{aligned}}} และมอบให้โดย คุณ(x)=0เอฟ()จี(x,),{\displaystyle u(x)=\int _{0}^{\ell }f(s)\,G(x,s)\,ds\,,} ที่ไหนจี(x,){\displaystyle G(x,s)}เป็นฟังก์ชันกรีนที่ตรงตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

  1. จี(x,){\displaystyle G(x,s)}มีความต่อเนื่องในx{\displaystyle x}และ{\displaystyle s}.
  2. สำหรับx{\displaystyle x\neq s\,}, แอลจี(x,)=0{\displaystyle LG(x,s)=0}.
  3. สำหรับ0{\displaystyle s\neq 0\,}, ดีจี(x,)=0{\displaystyle \mathbf {D} G(x,s)=\mathbf {0} }.
  4. การ "กระโดด" ของอนุพันธ์ : จี(0+,)จี(0,)=1/พี(){\displaystyle G'(s_{0+},s)-G'(s_{0-},s)=1/p(s)\,}.
  5. สมมาตร: จี(x,)=จี(,x){\displaystyle G(x,s)=G(s,x)\,}.

ฟังก์ชันกรีนขั้นสูงและฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้า

ฟังก์ชันกรีนไม่จำเป็นต้องมีเพียงหนึ่งเดียวเสมอไป เนื่องจากผลรวมของผลเฉลยใดๆ ของสมการเอกพันธุ์กับฟังก์ชันกรีนหนึ่ง จะได้ฟังก์ชันกรีนอีกฟังก์ชันหนึ่ง ดังนั้น หากสมการเอกพันธุ์มีผลเฉลยที่ไม่ใช่ศูนย์ ก็จะมีฟังก์ชันกรีนหลายฟังก์ชัน ปัญหา ค่าขอบเขตหรือค่าเริ่มต้น บางอย่าง เกี่ยวข้องกับการหาฟังก์ชันกรีนที่ไม่เป็นศูนย์เฉพาะในกรณีที่x{\displaystyle s\leq x}ในกรณีนี้ บางครั้งวิธีแก้ปัญหานี้เรียกว่าฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้า[ 6 ]ในทำนองเดียวกัน ฟังก์ชันกรีนที่ไม่เป็นศูนย์เฉพาะสำหรับx{\displaystyle s\geq x}เรียกว่าฟังก์ชันกรีนขั้นสูง[ 7 ]ในกรณีดังกล่าว การรวมเชิงเส้นใดๆ ของฟังก์ชันกรีนทั้งสองก็ถือเป็นฟังก์ชันกรีนที่ถูกต้องเช่นกัน ทั้งฟังก์ชันกรีนขั้นสูงและฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้าเรียกว่าฟังก์ชันด้านเดียว ในขณะที่ฟังก์ชันกรีนที่ไม่เป็นศูนย์สำหรับทุกx{\displaystyle x}ในขอบเขตของคำจำกัดความเรียกว่าสองด้าน[ 8 ]

คำศัพท์ขั้นสูงและแบบหน่วงเวลามีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อตัวแปร x สอดคล้องกับเวลา ในกรณีดังกล่าว วิธีแก้ปัญหาที่ได้จากการใช้ฟังก์ชันกรีนแบบหน่วงเวลาจะขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดในอดีตเท่านั้นและเป็นแบบมีเหตุผลในขณะที่วิธีแก้ปัญหาที่ได้จากการใช้ฟังก์ชันกรีนแบบขั้นสูงจะขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดในอนาคตเท่านั้นและเป็นแบบไม่มีเหตุผล ในปัญหาเหล่านี้ มักจะเป็นกรณีที่วิธีแก้ปัญหาแบบมีเหตุผลเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีความสำคัญทางกายภาพ อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันกรีนแบบขั้นสูงมีประโยชน์ในการค้นหาวิธีแก้ปัญหาสำหรับปัญหาผกผัน บาง อย่างที่ต้องค้นหาแหล่งกำเนิดจากข้อมูลขอบเขต การใช้ฟังก์ชันกรีนแบบขั้นสูงและแบบหน่วงเวลาเป็นเรื่องปกติอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์วิธีแก้ปัญหาของ สม การคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน[ 9 ]

การค้นหาฟังก์ชันของกรีน

การขยายค่าลักษณะเฉพาะ

ถ้าตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์Lยอมรับเซตของเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะΨ ( x ) (กล่าวคือ เซตของฟังก์ชันΨ และสเกลาร์λ ที่L Ψ = λ Ψ ) ที่สมบูรณ์แล้ว ก็เป็นไปได้ที่จะสร้างฟังก์ชันกรีนจากเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะและค่าลักษณะเฉพาะ เหล่านี้

"สมบูรณ์" หมายความว่าเซตของฟังก์ชัน{Ψ } เป็นไปตาม ความสัมพันธ์ความสมบูรณ์ต่อ ไปนี้δ(xx)=n=0Ψn(x)Ψn(x).{\displaystyle \delta (x-x')=\sum _{n=0}^{\infty }\Psi _{n}^{\dagger }(x')\Psi _{n}(x).}

ดังนั้นจึงเป็นดังต่อไปนี้

จี(x,x)=n=0Ψn(x)Ψn(x)λn,{\displaystyle G(x,x')=\sum _{n=0}^{\infty }{\dfrac {\Psi _{n}^{\dagger }(x')\Psi _{n}(x)}{\lambda _{n}}},}

ที่ไหน{\displaystyle \dagger }แสดงถึงการผันคำกริยาที่ซับซ้อน

การใช้ตัวดำเนินการLกับทั้งสองข้างของสมการนี้ จะส่งผลให้ได้ความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์ตามที่ได้สมมติไว้

การศึกษาทั่วไปเกี่ยวกับฟังก์ชันของกรีนที่เขียนในรูปแบบข้างต้น และความสัมพันธ์ของฟังก์ชันดังกล่าวกับปริภูมิฟังก์ชันที่เกิดจากเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ เรียกว่าทฤษฎีเฟรดโฮล์

มีวิธีการอื่นอีกหลายวิธีในการหาฟังก์ชันของกรีน รวมถึงวิธีภาพ วิธีแยกตัวแปรและการแปลงลาปลา[ 10 ]

การแสดงผลในแง่ของวรอนสเกียน

อนุญาตแอล{\displaystyle L}ให้เป็นตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นอันดับสองทั่วไปที่กำหนดบน[เอ,]อาร์{\displaystyle [a,b]\in \mathbb {R} }เราเขียน

แอลคุณ(x)=α(x)2x2คุณ(x)+เบต้า(x)xคุณ(x)+γ(x)คุณ(x)=เอฟ(x).{\displaystyle Lu(x)=\alpha (x){\frac {d^{2}}{dx^{2}}}u(x)+\beta (x){\frac {d}{dx}}u(x)+\gamma (x)u(x)=f(x).}

สมมติว่าคุณ1{\displaystyle u_{1}}และคุณ2{\displaystyle u_{2}}รวมกันแล้วก่อให้เกิดพื้นฐานของ คำตอบ ที่เป็นอิสระเชิงเส้นสำหรับปัญหาเอกพันธุ์แอลคุณ=0.{\displaystyle Lu=0.}กำหนดเงื่อนไขขอบเขตเอกพันธุ์สำหรับฟังก์ชันกรีนจี(เอ,)=จี(,)=0{\displaystyle G(a,s)=G(b,s)=0}เราอาจสร้างจี(x,){\displaystyle G(x,s)}โดยกำหนดให้คุณ1(เอ)=0{\displaystyle u_{1}(a)=0}และคุณ2()=0.{\displaystyle u_{2}(b)=0.}หน้าที่ของพื้นที่สีเขียวในการตอบสนองเงื่อนไขเหล่านี้ ควบคู่ไปกับความต่อเนื่องของจี{\displaystyle G}และอนุพันธ์ของมัน "การกระโดด" สามารถเขียนได้ดังนี้

จี(x,)={คุณ1(x)คุณ2()α()(),เอx<คุณ2(x)คุณ1()α()(),<x{\displaystyle G(x,s)={\begin{cases}{\dfrac {u_{1}(x)u_{2}(s)}{\alpha (s){\mathcal {W(s)}}}},&a\leq x<s\\{\dfrac {u_{2}(x)u_{1}(s)}{\alpha (s){\mathcal {W}}(s)}},&s<x\leq b\end{cases}}}

ที่ไหน(x)=คุณ1(x)คุณ2(x)คุณ1(x)คุณ2(x){\displaystyle {\mathcal {W}}(x)=u_{1}(x)u'_{2}(x)-u_{1}'(x)u_{2}(x)}เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ตัวกำหนด แบบวรอนสเกียนของคุณ1{\displaystyle u_{1}}และคุณ2{\displaystyle u_{2}}แม้ว่านี่จะเป็นกรณีที่ค่อนข้างจำกัด แต่ Wronskian มักปรากฏในชุดปัญหาค่าขอบเขตอื่นๆ ที่ต้องการฟังก์ชัน Green ด้านเดียว (ขั้นสูง/ล่าช้า) เช่นกัน รวมถึงปัญหาที่มีเงื่อนไขเกี่ยวกับอนุพันธ์ของขอบเขต ( เงื่อนไข Neumann ) หรือเงื่อนไขสองข้อเกี่ยวกับฟังก์ชันและอนุพันธ์ปกติของฟังก์ชันนั้นบนขอบเขตเดียว ( เงื่อนไข Cauchy )

การรวมฟังก์ชันของกรีน

ถ้าตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์แอล{\displaystyle L}สามารถแยกปัจจัยได้ดังนี้แอล=แอล1แอล2{\displaystyle L=L_{1}L_{2}}จากนั้นฟังก์ชันของกรีนแอล{\displaystyle L}สามารถสร้างขึ้นจากฟังก์ชันของกรีนสำหรับแอล1{\displaystyle L_{1}}และแอล2{\displaystyle L_{2}}:จี(x,)=จี2(x,1)จี1(1,)1.{\displaystyle G(x,s)=\int G_{2}(x,s_{1})\,G_{1}(s_{1},s)\,ds_{1}.} เอกลักษณ์ข้างต้นเป็นผลสืบเนื่องโดยตรงจากการนำจี(x,){\displaystyle G(x,s)}เพื่อเป็นตัวแทนของตัวดำเนินการผกผันด้านขวาของแอล{\displaystyle L}ในทำนองเดียวกันกับกรณีของตัวดำเนินการเชิงเส้นผกผันได้ซี{\displaystyle C}กำหนดโดยซี=(เอบี)1=บี1เอ1{\displaystyle C=(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}}ซึ่งแสดงโดยองค์ประกอบเมทริกซ์ซีฉัน,เจ{\displaystyle C_{i,j}}.

นอกจากนี้ ยังมีเอกลักษณ์เพิ่มเติมสำหรับตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่เป็นพหุนามสเกลาร์ของอนุพันธ์อีกด้วยแอล=พีเอ็น(x){\displaystyle L=P_{N}(\partial _{x})}ทฤษฎีบทพื้นฐานของพีชคณิตประกอบกับข้อเท็จจริงที่ว่าx{\displaystyle \partial _{x}}สลับที่ได้กับตัวเองรับประกันว่าพหุนามสามารถแยกตัวประกอบได้ โดยกำหนดให้แอล{\displaystyle L}ในรูปแบบ: แอล=ฉัน=1เอ็น(xzฉัน),{\displaystyle L=\prod _{i=1}^{N}\left(\partial _{x}-z_{i}\right),} ที่ไหนzฉัน{\displaystyle z_{i}}คือศูนย์ของพีเอ็น(z){\displaystyle P_{N}(z)}.การแปลงฟูริเยร์ของแอลจี(x,)=δ(x){\displaystyle LG(x,s)=\delta (x-s)}ในส่วนที่เกี่ยวกับทั้งสองฝ่ายx{\displaystyle x}และ{\displaystyle s}ให้ผลลัพธ์ดังนี้: จี^(เคx,เค)=δ(เคxเค)ฉัน=1เอ็น(ฉันเคxzฉัน).{\displaystyle {\widehat {G}}(k_{x},k_{s})={\frac {\delta (k_{x}-k_{s})}{\prod _{i=1}^{N}(ik_{x}-z_{i})}}.} จากนั้นสามารถแยกเศษส่วนออกเป็นผลรวมโดยใช้การแยกเศษส่วนย่อยก่อนที่จะแปลงฟูริเยร์กลับไปเป็นเศษส่วนเดิมx{\displaystyle x}และ{\displaystyle s}พื้นที่ กระบวนการนี้ให้ผลลัพธ์เป็นเอกลักษณ์ที่เชื่อมโยงปริพันธ์ของฟังก์ชันกรีนและผลรวมของฟังก์ชันเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น ถ้าแอล=(x+γ)(x+α)2{\displaystyle L=\left(\partial _{x}+\gamma \right)\left(\partial _{x}+\alpha \right)^{2}}ดังนั้น รูปแบบหนึ่งของฟังก์ชันกรีนคือ: จี(x,)=1(γα)2Θ(x)อีγ(x)1(γα)2Θ(x)อีα(x)+1γαΘ(x)(x)อีα(x)=Θ(x1)(x1)อีα(x1)Θ(1)อีγ(1)1.{\displaystyle {\begin{aligned}G(x,s)&={\frac {1}{\left(\gamma -\alpha \right)^{2}}}\Theta (x-s)e^{-\gamma (x-s)}-{\frac {1}{\left(\gamma -\alpha \right)^{2}}}\Theta (x-s)e^{-\alpha (x-s)}+{\frac {1}{\gamma -\alpha }}\Theta (x-s)\left(x-s\right)e^{-\alpha (x-s)}\\[1ex]&=\int \Theta (x-s_{1})\left(x-s_{1}\right)e^{-\alpha (x-s_{1})}\Theta (s_{1}-s)e^{-\gamma (s_{1}-s)}\,ds_{1}.\end{aligned}}} แม้ว่าตัวอย่างที่นำเสนอจะสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยวิธีเชิงวิเคราะห์ แต่ก็แสดงให้เห็นถึงกระบวนการที่ใช้ได้ผลเมื่อปริพันธ์ไม่ใช่ปริพันธ์ที่ไม่สำคัญ (ตัวอย่างเช่น เมื่อ2{\displaystyle \nabla ^{2}}(คือตัวดำเนินการในพหุนาม)

ตารางฟังก์ชันของกรีน

ตารางต่อไปนี้แสดงภาพรวมของฟังก์ชันกรีนของตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่ปรากฏบ่อยครั้ง โดยที่=x2+y2+z2{\textstyle r={\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}},ρ=x2+y2{\textstyle \rho ={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}},Θ(ที){\textstyle \Theta (t)}คือฟังก์ชันขั้นบันไดของ Heavisideเจν(z){\textstyle J_{\nu }(z)}เป็นฟังก์ชันเบสเซลฉันν(z){\textstyle I_{\nu }(z)}เป็นฟังก์ชันเบสเซลแบบดัดแปลงชนิดแรกและเคν(z){\textstyle K_{\nu }(z)}เป็นฟังก์ชันเบสเซลที่ดัดแปลงชนิดที่สอง[ 11 ] โดยที่เวลา ( t )ปรากฏในคอลัมน์แรก จะแสดงฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้า (เชิงสาเหตุ)

ตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์Lฟังก์ชันG ของกรีนตัวอย่างการใช้งาน
ทีn+1{\displaystyle \partial _{t}^{n+1}}ทีnn!Θ(ที){\displaystyle {\frac {t^{n}}{n!}}\Theta (t)}
ที+γ{\displaystyle \partial _{t}+\gamma }Θ(ที)อีγที{\displaystyle \Theta (t)e^{-\gamma t}}
(ที+γ)2{\displaystyle \left(\partial _{t}+\gamma \right)^{2}}Θ(ที)ทีอีγที{\displaystyle \Theta (t)te^{-\gamma t}}
ที2+2γที+ω02{\displaystyle \partial _{t}^{2}+2\gamma \partial _{t}+\omega _{0}^{2}}ที่ไหนγ<ω0{\displaystyle \gamma <\omega _{0}}Θ(ที)อีγทีบาป(ωที)ω{\displaystyle \Theta (t)e^{-\gamma t}\,{\frac {\sin(\omega t)}{\omega }}} กับ ω=ω02γ2{\displaystyle \omega ={\sqrt {\omega _{0}^{2}-\gamma ^{2}}}}ตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบหน่วงน้อย 1 มิติ
ที2+2γที+ω02{\displaystyle \partial _{t}^{2}+2\gamma \partial _{t}+\omega _{0}^{2}}ที่ไหนγ>ω0{\displaystyle \gamma >\omega _{0}}Θ(ที)อีγทีสินห์(ωที)ω{\displaystyle \Theta (t)e^{-\gamma t}\,{\frac {\sinh(\omega t)}{\omega }}} กับ ω=γ2ω02{\displaystyle \omega ={\sqrt {\gamma ^{2}-\omega _{0}^{2}}}}ตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบหน่วงเกิน 1 มิติ
ที2+2γที+ω02{\displaystyle \partial _{t}^{2}+2\gamma \partial _{t}+\omega _{0}^{2}}ที่ไหนγ=ω0{\displaystyle \gamma =\omega _{0}}Θ(ที)อีγทีที{\displaystyle \Theta (t)e^{-\gamma t}t}ตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบหน่วงวิกฤต 1 มิติ
ตัวดำเนินการลาปลาซ 1 มิติ2x2{\displaystyle {\frac {d^{2}}{dx^{2}}}}(x)Θ(x)+xα()+เบต้า(){\displaystyle \left(x-s\right)\Theta (x-s)+x\alpha (s)+\beta (s)}สมการปัวซง 1 มิติ
ตัวดำเนินการลาปลาซ 2 มิติ2 มิติ2=x2+y2{\displaystyle \nabla _{\text{2D}}^{2}=\partial _{x}^{2}+\partial _{y}^{2}}12πlnρ{\displaystyle {\frac {1}{2\pi }}\ln \rho } กับ ρ=x2+y2{\displaystyle \rho ={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}สมการปัวซง 2 มิติ
ตัวดำเนินการลาปลาซ 3 มิติ3 มิติ2=x2+y2+z2{\displaystyle \nabla _{\text{3D}}^{2}=\partial _{x}^{2}+\partial _{y}^{2}+\partial _{z}^{2}}14π{\displaystyle -{\frac {1}{4\pi r}}} กับ =x2+y2+z2{\displaystyle r={\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}}สมการปัวซง
ตัวดำเนินการเฮล์มโฮลทซ์3 มิติ2+เค2{\displaystyle \nabla _{\text{3D}}^{2}+k^{2}}อีฉันเค4π=ฉันเค32πชม1/2(2)(เค)=ฉันเค4πชม.0(2)(เค){\displaystyle {\frac {-e^{-ikr}}{4\pi r}}=i{\sqrt {\frac {k}{32\pi r}}}H_{1/2}^{(2)}(kr)=i{\frac {k}{4\pi }}\,h_{0}^{(2)}(kr)} ที่ไหนชมα(2){\displaystyle H_{\alpha }^{(2)}}คือฟังก์ชันแฮงเคลชนิดที่สองและชม.0(2){\displaystyle h_{0}^{(2)}}คือฟังก์ชันแฮงเคลทรงกลมชนิดที่สองสมการชโรดิงเกอร์ 3 มิติแบบอยู่กับที่สำหรับอนุภาคอิสระ
Δ2เค4{\displaystyle \Delta ^{2}-k^{4}}12เค2(ฉัน4ชม0(1)(เค)12πเค0(เค)){\displaystyle {\frac {1}{2k^{2}}}\left({\frac {i}{4}}H_{0}^{(1)}(kr)-{\frac {1}{2\pi }}K_{0}(kr)\right)}ที่ไหนชม0(1){\displaystyle H_{0}^{(1)}}คือฟังก์ชันแฮงเคลชนิดแรกและเค0{\displaystyle K_{0}}คือฟังก์ชันเบสเซลที่ดัดแปลงแล้วสมการคลื่นดัดงอแบบฮาร์มอนิกเวลา 2 มิติ
ตัวดำเนินการความแตกต่างจี{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {G} }(1)1+(1)!Γ(2)2π/2(|2|+δ,2)(xx0)xx0.{\displaystyle (-1)^{1+(d-1)!}{\frac {\Gamma \left({\frac {d}{2}}\right)}{2\pi ^{d/2}}}{\frac {(\,|d-2|+\delta _{d,2})\,(\mathbf {x} -\mathbf {x} _{0})}{\left\|\mathbf {x} -\mathbf {x} _{0}\right\|^{d}}}.}อนุญาตจี{\displaystyle \mathbf {G} }เป็นสนามเวกเตอร์จากอาร์{\displaystyle \mathbb {R} ^{d}}ถึงอาร์{\displaystyle \mathbb {R} ^{d}}, และx,x0อาร์{\displaystyle \mathbf {x} ,\,\mathbf {x} _{0}\in \mathbb {R} ^{d}}กับเอ็น{\displaystyle d\in \mathbb {N} }โดยที่จี=δ{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {G} =\delta }ฟังก์ชันดังกล่าวΓ(){\displaystyle \Gamma (\cdot )}คือฟังก์ชันแกมมา และδ,2{\displaystyle \delta _{d,2}}คือเดลต้าของโครเนกเกอร์ ซึ่งมีลักษณะดังนี้δ,2=0{\displaystyle \delta _{d,2}=0}สำหรับ2{\displaystyle d\neq 2}, และδ2,2=1{\displaystyle \delta _{2,2}=1}สำหรับ=2{\displaystyle d=2}สุดท้ายนี้ ! คือสัญลักษณ์แฟกทอเรียล และ||{\displaystyle |\cdot |}คือค่าสัมบูรณ์[ 12 ] ตัวอย่างได้แก่ สมการการขนส่งหรือความต่อเนื่องที่ไม่ขึ้นกับเวลา[ 13 ] และ สมการของแม็กซ์เวลล์ที่ไม่มีแหล่งกำเนิด
2เค2{\displaystyle \nabla ^{2}-k^{2}}ในn{\displaystyle n}มิติ(2π)n/2(เค)n/21เคn/21(เค){\displaystyle -\left(2\pi \right)^{-n/2}\left({\frac {k}{r}}\right)^{n/2-1}K_{n/2-1}(kr)}ศักยภาพยูกาวะ , ตัวแพร่กระจายไฟน์แมน , สมการปัวซงแบบมีตัวกรอง
ที22x2{\displaystyle \partial _{t}^{2}-c^{2}\partial _{x}^{2}}12Θ(ทีx){\displaystyle {\frac {1}{2c}}\Theta (ct-x)}สมการคลื่น 1 มิติ
ที222 มิติ2{\displaystyle \partial _{t}^{2}-c^{2}\,\nabla _{\text{2D}}^{2}}Θ(ทีρ)2π2ที2ρ2{\displaystyle {\frac {\Theta (ct-\rho )}{2\pi c{\sqrt {c^{2}t^{2}-\rho ^{2}}}}}}สมการคลื่น 2 มิติ
ผู้ดำเนินการดาเลมเบิร์ต=12ที23 มิติ2{\displaystyle \square ={\frac {1}{c^{2}}}\partial _{t}^{2}-\nabla _{\text{3D}}^{2}}14πδ(ที){\displaystyle {\frac {1}{4\pi r}}\delta \left(t-{\frac {r}{c}}\right)}สมการคลื่น 3 มิติ
ทีเคx2{\displaystyle \partial _{t}-k\partial _{x}^{2}}(14πเคที)1/2Θ(ที)อีx2/4เคที{\displaystyle \left({\frac {1}{4\pi kt}}\right)^{1/2}\Theta (t)e^{-x^{2}/4kt}}การแพร่แบบ 1 มิติ
ทีเค2 มิติ2{\displaystyle \partial _{t}-k\,\nabla _{\text{2D}}^{2}}(14πเคที)Θ(ที)อีρ2/4เคที{\displaystyle \left({\frac {1}{4\pi kt}}\right)\Theta (t)e^{-\rho ^{2}/4kt}}การแพร่กระจายแบบ 2 มิติ
ทีเค3 มิติ2{\displaystyle \partial _{t}-k\,\nabla _{\text{3D}}^{2}}(14πเคที)3/2Θ(ที)อี2/4เคที{\displaystyle \left({\frac {1}{4\pi kt}}\right)^{3/2}\Theta (t)e^{-r^{2}/4kt}}การแพร่กระจายแบบ 3 มิติ
12ที2x2+μ2{\displaystyle {\frac {1}{c^{2}}}\partial _{t}^{2}-\partial _{x}^{2}+\mu ^{2}}12(1บาปμที)[δ(ทีx)+δ(ที+x)]+12μΘ(ที|x|)เจ0(μคุณ){\displaystyle {\begin{aligned}&{\tfrac {1}{2}}\left(1-\sin {\mu ct}\right)\left[\delta (ct-x)+\delta (ct+x)\right]\\[0.5ex]&+{\tfrac {1}{2}}\mu \Theta (ct-|x|)J_{0}(\mu u)\end{aligned}}} กับคุณ=2ที2x2{\displaystyle u={\sqrt {c^{2}t^{2}-x^{2}}}}สมการไคลน์-กอร์ดอน 1 มิติ
12ที22 มิติ2+μ2{\displaystyle {\frac {1}{c^{2}}}\partial _{t}^{2}-\nabla _{\text{2D}}^{2}+\mu ^{2}}δ(ทีρ)4πρ(1+คอส(μที))+μ2Θ(ทีρ)4πซินซ์(μคุณ){\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {\delta (ct-\rho )}{4\pi \rho }}\left(1+\cos(\mu ct)\right)\\[0.5ex]&+{\frac {\mu ^{2}\Theta (ct-\rho )}{4\pi }}\operatorname {sinc} (\mu u)\end{aligned}}} กับคุณ=2ที2ρ2{\displaystyle u={\sqrt {c^{2}t^{2}-\rho ^{2}}}}สมการไคลน์-กอร์ดอน 2 มิติ
+μ2{\displaystyle \square +\mu ^{2}}14πδ(ที)+μ4πคุณΘ(ที)เจ1(μคุณ){\displaystyle {\frac {1}{4\pi r}}\delta {\left(t-{\frac {r}{c}}\right)}+{\frac {\mu c}{4\pi u}}\Theta (ct-r)J_{1}{\left(\mu u\right)}} กับ คุณ=2ที22{\displaystyle u={\sqrt {c^{2}t^{2}-r^{2}}}}สมการไคลน์-กอร์ดอน 3 มิติ
ที2+2γที2x2{\displaystyle \partial _{t}^{2}+2\gamma \partial _{t}-c^{2}\partial _{x}^{2}}อีγที2[δ(ทีx)+δ(ที+x)]+อีγที2Θ(ที|x|)(เคฉัน0(เคคุณ)+γทีคุณฉัน1(เคคุณ)){\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {e^{-\gamma t}}{2}}\left[\delta (ct-x)+\delta (ct+x)\right]\\[0.5ex]&+{\frac {e^{-\gamma t}}{2}}\Theta (ct-|x|)\left(kI_{0}(ku)+{\frac {\gamma t}{u}}I_{1}(ku)\right)\end{aligned}}} กับ คุณ=2ที2x2{\displaystyle u={\sqrt {c^{2}t^{2}-x^{2}}}}และเค=γ/{\displaystyle k=\gamma /c}สมการของพนักงานส่งโทรเลข
ที2+2γที22 มิติ2{\displaystyle \partial _{t}^{2}+2\gamma \partial _{t}-c^{2}\,\nabla _{\text{2D}}^{2}}อีγที4πρδ(ทีρ)(1+อีγที+3γที)+อีγที4πคุณ2Θ(ทีρ)(เคคุณ23ทีคุณสินห์(เคคุณ)+3γทีไม้กระบอง(เคคุณ)){\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {e^{-\gamma t}}{4\pi \rho }}\delta (ct-\rho )\left(1+e^{-\gamma t}+3\gamma t\right)\\&+{\frac {e^{-\gamma t}}{4\pi u^{2}}}\Theta (ct-\rho )\left({\frac {ku^{2}-3ct}{cu}}\sinh \left(ku\right)+3\gamma t\cosh \left(ku\right)\right)\end{aligned}}} กับ คุณ=2ที2ρ2{\displaystyle u={\sqrt {c^{2}t^{2}-\rho ^{2}}}}และเค=γ/{\displaystyle k=\gamma /c}การนำความร้อนเชิงสัมพัทธภาพ 2 มิติ
ที2+2γที23 มิติ2{\displaystyle \partial _{t}^{2}+2\gamma \partial _{t}-c^{2}\,\nabla _{\text{3D}}^{2}}อีγที20π2δ(ที)(83อีγที+2γที+4γ2ที2)+เคอีγที20πคุณΘ(ที)(เคฉัน1(เคคุณ)+4γทีคุณฉัน2(เคคุณ)){\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {e^{-\gamma t}}{20\pi r^{2}}}\delta (ct-r)\left(8-3e^{-\gamma t}+2\gamma t+4\gamma ^{2}t^{2}\right)\\[0.5ex]&+{\frac {ke^{-\gamma t}}{20\pi u}}\Theta (ct-r)\left(kI_{1}(ku)+{\frac {4\gamma t}{u}}I_{2}(ku)\right)\end{aligned}}} กับ คุณ=2ที22{\displaystyle u={\sqrt {c^{2}t^{2}-r^{2}}}}และเค=γ/{\displaystyle k=\gamma /c}การนำความร้อนเชิงสัมพัทธภาพสามมิติ

ฟังก์ชันของกรีนสำหรับลาปลาเซียน

ฟังก์ชันของกรีนสำหรับตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นที่เกี่ยวข้องกับตัวดำเนินการลาปลาเซียนสามารถนำไปใช้ได้อย่างง่ายดายโดยใช้เอกลักษณ์ที่สองของกรี

ในการพิสูจน์ทฤษฎีบทของกรีน ให้เริ่มต้นด้วยทฤษฎีบทไดเวอร์เจนซ์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทของเกาส์ ) วีเอวี=เอสเอσ^.{\displaystyle \int _{V}\nabla \cdot \mathbf {A} \,dV=\int _{S}\mathbf {A} \cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}\,.}

อนุญาตเอ=φψψφ{\displaystyle \mathbf {A} =\varphi \,\nabla \psi -\psi \,\nabla \varphi }และนำไปแทนค่าลงในกฎของเกาส์

คำนวณเอ{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {A} }และใช้กฎผลคูณสำหรับตัวดำเนินการ ∇ เอ=(φψψφ)=(φ)(ψ)+φ2ψ(φ)(ψ)ψ2φ=φ2ψψ2φ.{\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {A} &=\nabla \cdot \left(\varphi \,\nabla \psi \;-\;\psi \,\nabla \varphi \right)\\&=(\nabla \varphi )\cdot (\nabla \psi )\;+\;\varphi \,\nabla ^{2}\psi \;-\;(\nabla \varphi )\cdot (\nabla \psi )\;-\;\psi \nabla ^{2}\varphi \\&=\varphi \,\nabla ^{2}\psi \;-\;\psi \,\nabla ^{2}\varphi .\end{aligned}}}

เมื่อนำสิ่งนี้ไปแทนในทฤษฎีบทไดเวอร์เจนซ์ จะได้ทฤษฎีบทของกรีวี(φ2ψψ2φ)วี=เอส(φψψφ)σ^.{\displaystyle \int _{V}\left(\varphi \,\nabla ^{2}\psi -\psi \,\nabla ^{2}\varphi \right)dV=\int _{S}\left(\varphi \,\nabla \psi -\psi \nabla \,\varphi \right)\cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}.}

สมมติว่าตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นLคือตัวดำเนินการลาปลาเซียน ∇² และมีฟังก์ชันกรีนGสำหรับตัวดำเนินการลาปลาเซียน คุณสมบัติการนิยามของฟังก์ชันกรีนยังคงใช้ได้อยู่ แอลจี(x,x)=2จี(x,x)=δ(xx).{\displaystyle LG(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')=\nabla ^{2}G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')=\delta (\mathbf {x} -\mathbf {x} ').}

อนุญาตψ=จี{\displaystyle \psi =G}ในอัตลักษณ์ที่สองของกรีน โปรดดูที่ อัตลักษณ์ของกรีนจากนั้น วี[φ(x)δ(xx)จี(x,x)2φ(x)]3x=เอส[φ(x)จี(x,x)จี(x,x)φ(x)]σ^.{\displaystyle \int _{V}\left[\varphi (\mathbf {x} ')\delta (\mathbf {x} -\mathbf {x} ')-G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\,{\nabla '}^{2}\,\varphi (\mathbf {x} ')\right]d^{3}\mathbf {x} '=\int _{S}\left[\varphi (\mathbf {x} ')\,{\nabla '}G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')-G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\,{\nabla '}\varphi (\mathbf {x} ')\right]\cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}'.}

โดย ใช้การแสดงออกนี้ เราสามารถแก้สมการลาปลาส∇²φ ( x ) = 0หรือสมการปัวซง∇²φ ( x ) = −ρ ( x )ได้โดยขึ้นอยู่กับ เงื่อนไขขอบเขต แบบนอยมันน์หรือแบบดิริชเลต์กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราสามารถหาค่าφ ( x )ได้ทุกที่ภายในปริมาตร โดยที่ (1) ค่าของφ ( x )ถูกกำหนดไว้บนพื้นผิวขอบเขตของปริมาตร (เงื่อนไขขอบเขตแบบดิริชเลต์) หรือ (2) อนุพันธ์ปกติของφ ( x )ถูกกำหนดไว้บนพื้นผิวขอบเขต (เงื่อนไขขอบเขตแบบนอยมันน์)

สมมติว่าปัญหาคือการหาค่าφ ( x )ภายในบริเวณนั้น จากนั้นอินทิกรัลจะเป็นดังนี้ วีφ(x)δ(xx)3x{\displaystyle \int _{V}\varphi (\mathbf {x} ')\,\delta (\mathbf {x} -\mathbf {x} ')\,d^{3}\mathbf {x} '} ลดรูปเหลือเพียงφ ( x )เนื่องจากคุณสมบัตินิยามของฟังก์ชันเดลต้าของดิแรกและเรามี φ(x)=วีจี(x,x)ρ(x)3x+เอส[φ(x)จี(x,x)จี(x,x)φ(x)]σ^.{\displaystyle \varphi (\mathbf {x} )=-\int _{V}G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\,\rho (\mathbf {x} ')\,d^{3}\mathbf {x} '+\int _{S}\left[\varphi (\mathbf {x} ')\,\nabla 'G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')-G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\,\nabla '\varphi (\mathbf {x} ')\right]\cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}'.}

รูปแบบนี้แสดงถึงคุณสมบัติที่รู้จักกันดีของฟังก์ชันฮาร์มอนิกนั่นคือหากทราบค่าหรืออนุพันธ์ปกติบนพื้นผิวขอบเขตแล้ว ค่าของฟังก์ชันภายในปริมาตรนั้นจะทราบได้ทุกที่

ในไฟฟ้าสถิต φ ( x )ถูกตีความว่าเป็นศักย์ไฟฟ้า ρ ( x )เป็นความหนาแน่นประจุไฟฟ้าและอนุพันธ์ปกติφ(x)σ^{\displaystyle \nabla \varphi (\mathbf {x} ')\cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}'}ในฐานะองค์ประกอบปกติของสนามไฟฟ้า

หากปัญหาคือการแก้ปัญหาค่าขอบเขตแบบ Dirichlet ฟังก์ชัน Green ควรถูกเลือกให้G ( x , x )มีค่าเป็นศูนย์เมื่อxหรือx′อยู่บนพื้นผิวขอบเขต ดังนั้นจึงเหลือเพียงหนึ่งในสองพจน์ในปริพันธ์พื้นผิว เท่านั้น หากปัญหาคือการแก้ปัญหาค่าขอบเขตแบบ Neumann อาจดูเหมือนสมเหตุสมผลที่จะเลือกฟังก์ชัน Green ให้ค่าอนุพันธ์ปกติของฟังก์ชันมีค่าเป็นศูนย์บนพื้นผิวขอบเขต อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้ทฤษฎีบทของ Gauss กับสมการเชิงอนุพันธ์ที่กำหนดฟังก์ชัน Green จะได้ผลลัพธ์ดังนี้ เอสจี(x,x)σ^=วี2จี(x,x)3x=วีδ(xx)3x=1,{\displaystyle \int _{S}\nabla 'G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}'=\int _{V}\nabla '^{2}G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\,d^{3}\mathbf {x} '=\int _{V}\delta (\mathbf {x} -\mathbf {x} ')\,d^{3}\mathbf {x} '=1\,,} หมายความว่าอนุพันธ์ปกติของG ( x , x ) ไม่สามารถเป็นศูนย์บนพื้นผิวได้ เนื่องจากต้องมีการอินทิเกรตเป็น 1 บนพื้นผิว[ 14 ]

รูปแบบที่ง่ายที่สุดของอนุพันธ์ปกติคือรูปแบบของค่าคงที่ นั่นคือ1/ Sโดยที่Sคือพื้นที่ผิวของพื้นผิว พจน์ของพื้นผิวในคำตอบจะเป็นดังนี้ เอสφ(x)จี(x,x)σ^=φเอส{\displaystyle \int _{S}\varphi (\mathbf {x} ')\,\nabla 'G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\cdot d{\hat {\boldsymbol {\sigma }}}'=\langle \varphi \rangle _{S}} ที่ไหนφเอส{\displaystyle \langle \varphi \rangle _{S}}คือค่าเฉลี่ยของศักย์ไฟฟ้าบนพื้นผิว โดยทั่วไปแล้วค่านี้มักไม่ทราบ แต่ก็มักไม่สำคัญ เนื่องจากเป้าหมายมักเป็นการหาค่าสนามไฟฟ้าที่ได้จากความชันของศักย์ไฟฟ้า มากกว่าค่าศักย์ไฟฟ้าเอง

หากไม่มีเงื่อนไขขอบเขต ฟังก์ชันกรีนสำหรับตัวดำเนินการลาปลาเซียน ( ฟังก์ชันกรีนสำหรับสมการลาปลาเซียนสามตัวแปร ) คือ จี(x,x)=14π|xx|.{\displaystyle G(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')=-{\frac {1}{4\pi \left|\mathbf {x} -\mathbf {x} '\right|}}.}

สมมติว่าขอบเขตพื้นผิวขยายออกไปถึงอนันต์ และเมื่อแทนค่านิพจน์นี้ลงในฟังก์ชันกรีน ในที่สุดจะได้นิพจน์มาตรฐานสำหรับศักย์ไฟฟ้าในรูปของความหนาแน่นประจุไฟฟ้าดังนี้

φ(x)=วีρ(x)4πε|xx|3x.{\displaystyle \varphi (\mathbf {x} )=\int _{V}{\dfrac {\rho (\mathbf {x} ')}{4\pi \varepsilon \left|\mathbf {x} -\mathbf {x} '\right|}}\,d^{3}\mathbf {x} '\,.}

ตัวอย่าง

จงหาฟังก์ชันกรีนสำหรับปัญหาต่อไปนี้ ซึ่งมีหมายเลขฟังก์ชันกรีนคือ X11: แอลคุณ=คุณ"+เค2คุณ=เอฟ(x)คุณ(0)=0,คุณ(π2เค)=0.{\displaystyle {\begin{aligned}Lu&=u''+k^{2}u=f(x)\\u(0)&=0,\quad u{\left({\tfrac {\pi }{2k}}\right)}=0.\end{aligned}}}

ขั้นตอนแรก:ฟังก์ชันกรีนสำหรับตัวดำเนินการเชิงเส้นที่กำลังพิจารณาอยู่นั้น ถูกกำหนดให้เป็นคำตอบของสมการ

ถ้าx{\displaystyle x\neq s}จากนั้นฟังก์ชันเดลต้าจะให้ค่าเป็นศูนย์ และคำตอบทั่วไปคือ จี(x,)=1คอสเคx+2บาปเคx.{\displaystyle G(x,s)=c_{1}\cos kx+c_{2}\sin kx.}

สำหรับx<{\displaystyle x<s}เงื่อนไขขอบเขตที่x=0{\displaystyle x=0}หมายความว่า จี(0,)=11+20=0,1=0{\displaystyle G(0,s)=c_{1}\cdot 1+c_{2}\cdot 0=0,\quad c_{1}=0} ถ้าx<{\displaystyle x<s}และπ2เค{\displaystyle s\neq {\tfrac {\pi }{2k}}}.

สำหรับx>{\displaystyle x>s}เงื่อนไขขอบเขตที่x=π2เค{\displaystyle x={\tfrac {\pi }{2k}}}หมายความว่า จี(π2เค,)=30+41=0,4=0{\displaystyle G{\left({\tfrac {\pi }{2k}},s\right)}=c_{3}\cdot 0+c_{4}\cdot 1=0,\quad c_{4}=0}

สมการของจี(0,)=0{\displaystyle G(0,s)=0}ถูกข้ามไปเนื่องจากเหตุผลที่คล้ายคลึงกัน

สรุปผลการวิจัยจนถึงขณะนี้: จี(x,)={2บาปเคx,สำหรับ x<,3คอสเคx,สำหรับ <x.{\displaystyle G(x,s)={\begin{cases}c_{2}\sin kx,&{\text{for }}x<s,\\[0.4ex]c_{3}\cos kx,&{\text{for }}s<x.\end{cases}}}

ขั้นตอนที่สอง:งานต่อไปคือการพิจารณา2{\displaystyle c_{2}}และ3{\displaystyle c_{3}}.

เพื่อให้มั่นใจว่าการดำเนินงานของพรรคกรีนมีความต่อเนื่องx={\displaystyle x=s}หมายความว่า 2บาปเค=3คอสเค{\displaystyle c_{2}\sin ks=c_{3}\cos ks}

เราสามารถรับประกันความไม่ต่อเนื่องที่เหมาะสมในอนุพันธ์อันดับแรกได้โดยการอินทิเกรตสมการเชิงอนุพันธ์ที่กำหนด (เช่นสมการ * ) จากx=ε{\displaystyle x=s-\varepsilon }ถึงx=+ε{\displaystyle x=s+\varepsilon }และการหาลิมิตเป็นε{\displaystyle \varepsilon }มีค่าเข้าใกล้ศูนย์ โปรดสังเกตว่าเราทำการอินทิเกรตเฉพาะอนุพันธ์อันดับสองเท่านั้น เนื่องจากพจน์ที่เหลือจะมีความต่อเนื่องตามโครงสร้าง 3(เคบาปเค)2(เคคอสเค)=1{\displaystyle c_{3}\cdot (-k\sin ks)-c_{2}\cdot (k\cos ks)=1}

สมการความต่อเนื่อง (หรือไม่ต่อเนื่อง) ทั้งสองสมการสามารถหาคำตอบได้2{\displaystyle c_{2}}และ3{\displaystyle c_{3}}เพื่อให้ได้มา 2=คอสเคเค;3=บาปเคเค{\displaystyle c_{2}=-{\frac {\cos ks}{k}}\quad ;\quad c_{3}=-{\frac {\sin ks}{k}}}

ดังนั้นฟังก์ชันของกรีนสำหรับปัญหานี้คือ: จี(x,)={คอสเคเคบาปเคx,x<,บาปเคเคคอสเคx,<x.{\displaystyle G(x,s)={\begin{cases}-{\frac {\cos ks}{k}}\sin kx,&x<s,\\-{\frac {\sin ks}{k}}\cos kx,&s<x.\end{cases}}}

ตัวอย่างเพิ่มเติม

  • ให้n = 1และให้เซตย่อยเป็นเซตทั้งหมดของRให้Lเป็นx{\textstyle {\frac {d}{dx}}}จากนั้นฟังก์ชันขั้นบันไดของ Heaviside Θ( xx )จะเป็นฟังก์ชัน Green ของLที่x
  • ให้n = 2และให้เซตย่อยเป็นระนาบหนึ่งในสี่{( x , y )  : x , y ≥ 0}และLเป็นตัวดำเนินการลาปลาเซียนนอกจากนี้ สมมติว่ามีการกำหนดเงื่อนไขขอบเขตแบบ Dirichlet ที่ x = 0และเงื่อนไขขอบเขตแบบ Neumannที่y = 0แล้วฟังก์ชัน Green ของ X10Y20 คือจี(x,y,x0,y0)=12π[ln(xx0)2+(yy0)2ln(x+x0)2+(yy0)2+ln(xx0)2+(y+y0)2ln(x+x0)2+(y+y0)2].{\displaystyle {\begin{aligned}G(x,y,x_{0},y_{0})={\dfrac {1}{2\pi }}&\left[\ln {\sqrt {\left(x-x_{0}\right)^{2}+\left(y-y_{0}\right)^{2}}}-\ln {\sqrt {\left(x+x_{0}\right)^{2}+\left(y-y_{0}\right)^{2}}}\right.\\[5pt]&\left.{}+\ln {\sqrt {\left(x-x_{0}\right)^{2}+\left(y+y_{0}\right)^{2}}}-\ln {\sqrt {\left(x+x_{0}\right)^{2}+\left(y+y_{0}\right)^{2}}}\,\right].\end{aligned}}}
  • อนุญาตเอ<x<{\displaystyle a<x<b}และทั้งสามตัวเป็นองค์ประกอบของจำนวนจริง จากนั้น สำหรับฟังก์ชันใดๆเอฟ:อาร์อาร์{\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }ด้วยn{\displaystyle n}อนุพันธ์อันดับที่ -th ที่สามารถหาปริพันธ์ได้ในช่วง[เอ,]{\displaystyle [a,b]}:เอฟ(x)==0n1(xเอ)![เอฟx]x=เอ+เอ[(x)n1(n1)!Θ(x)][nเอฟxn]x=.{\displaystyle f(x)=\sum _{m=0}^{n-1}{\frac {(x-a)^{m}}{m!}}\left[{\frac {d^{m}f}{dx^{m}}}\right]_{x=a}+\int _{a}^{b}\left[{\frac {(x-s)^{n-1}}{(n-1)!}}\Theta (x-s)\right]\left[{\frac {d^{n}f}{dx^{n}}}\right]_{x=s}ds\,.}ฟังก์ชันกรีนในสมการข้างต้นจี(x,)=(x)n1(n1)!Θ(x){\displaystyle G(x,s)={\frac {(x-s)^{n-1}}{(n-1)!}}\Theta (x-s)}ไม่ใช่ค่าเดียว สมการจะถูกปรับเปลี่ยนอย่างไรถ้าจี(x){\displaystyle g(x-s)}ถูกเพิ่มเข้าไปจี(x,){\displaystyle G(x,s)}, ที่ไหนจี(x){\displaystyle g(x)}พอใจnจีxn=0{\textstyle {\frac {d^{n}g}{dx^{n}}}=0}สำหรับทุกคนx[เอ,]{\displaystyle x\in [a,b]}(ตัวอย่างเช่น,จี(x)=x/2{\displaystyle g(x)=-x/2}กับn=2{\displaystyle n=2}นอกจาก นี้ให้เปรียบเทียบสมการข้างต้นกับรูปแบบของอนุกรมเทย์เลอร์ที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่x=เอ{\displaystyle x=a}.

ดูเพิ่มเติม

เชิงอรรถ

  • "ฟังก์ชันสีเขียว" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press , 2001 [1994]
  • ไวส์สไตน์, เอริค ดับเบิลยู. "ฟังก์ชันของกรีน" . แมธเวิลด์ .
  • ฟังก์ชันของกรี นสำหรับตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่PlanetMath
  • ฟังก์ชันของ Green ที่PlanetMath
  • ฟังก์ชันสีเขียวและการแปลงแบบคอนฟอร์มอที่PlanetMath
  • บทนำสู่เทคนิคฟังก์ชันกรีนแบบไม่สมดุลของเคลดิชโดย เอพี จาอูโฮ
  • คลังฟังก์ชันของกรีน
  • บทช่วยสอนเกี่ยวกับฟังก์ชันของกรีน
  • วิธีองค์ประกอบขอบเขต (เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการใช้ฟังก์ชันของกรีนร่วมกับวิธีองค์ประกอบขอบเขตในการแก้ปัญหาเชิงตัวเลข) เก็บถาวรเมื่อ 2012-02-07 ที่Wayback Machine
  • ที่ Citizendium
  • วิดีโอการบรรยายของ MIT เกี่ยวกับฟังก์ชันกรีน
  • โบว์ลีย์, โรเจอร์. "ฟังก์ชันของจอร์จ กรีนและกรีน" . หกสิบสัญลักษณ์ . สำนักพิมพ์เบรดี้ ฮารานสำหรับมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม .

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ใน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันของกรีน ( หรือ ฟังก์ชันกรีน [ 1 ] ) คือ การตอบสนองแบบอิมพัลส์ ของ ตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ เชิงเส้น ที่ไม่เป็นเอกพันธ์...

คำจำกัดความและการใช้งาน

ฟังก์ชันกรีน G ( x , s ) ของ ตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ เชิงเส้น L = L ( x ) ที่กระทำกับ การกระจายตัว เหนือเซตย่อยของ ปริภูมิยุคลิด \\R^n ,"}},"i":0}}]}"> อาร์ n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} ณ จุด s นั้น เป็นคำตอบใดๆ ของสมการต่อไปนี้

แรงจูงใจ

กล่าวโดยคร่าวๆ หาก สามารถหาฟังก์ชัน G ดังกล่าวสำหรับตัวดำเนินการ L ได้แล้ว หากเราคูณ สมการ 1 สำหรับฟังก์ชันกรีนด้วย f ( s ) จากนั้นทำการอินทิเกรตเทียบกับ s เราจะได้ ∫ แอล จี ( x , ส ) เอฟ ( ส ) ง ส = ∫ δ ( x − ส ) เอฟ ( ส ) ง ส = เอฟ ( x ) .

ฟังก์ชันของกรีนสำหรับการแก้ปัญหาค่าขอบเขตที่ไม่เป็นเอกพันธุ์

การใช้งานหลักของฟังก์ชันกรีนในทางคณิตศาสตร์คือการแก้ ปัญหาค่าขอบเขต ที่ไม่เป็นเอกพันธุ์ ใน ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี สมัยใหม่ ฟังก์ชันกรีนมักถูกใช้เป็น ตัวแพร่กระจาย ใน แผนภาพไฟน์แมน และคำว่า ฟังก์ชันกรีน มักถูกใช้เพิ่มเติมสำหรับ ฟังก์ชันความสัมพันธ์ ใดๆ ด้วย