หน้าที่ของกรีน

ในทางคณิตศาสตร์ฟังก์ชันของกรีน ( หรือฟังก์ชันกรีน[ 1 ] ) คือการตอบสนองแบบอิมพัลส์ของตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นที่ไม่เป็นเอกพันธ์ซึ่งกำหนดไว้ในโดเมนที่มีเงื่อนไขเริ่มต้นหรือเงื่อนไขขอบเขตที่ระบุ
หมายความว่า ถ้าถ้าเป็นตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นแล้ว
- หน้าที่ของพรรคกรีนคือคำตอบของสมการที่ไหนคือฟังก์ชันเดลต้าของดิแรก ;
- วิธีแก้ปัญหาของปัญหาที่ไม่เป็นเอกพันธ์คือการสังเคราะห์ (convolution )
ตามหลักการซ้อนทับเมื่อกำหนดสมการเชิงอนุพันธ์สามัญเชิงเส้น (ODE) แล้วขั้นแรก เราสามารถแก้ปัญหาได้สำหรับแต่ละsถ้าแหล่งกำเนิดเป็นผลรวมของฟังก์ชันเดลต้าแล้วคำตอบก็จะเป็นผลรวมของฟังก์ชันกรีนเช่นกันเนื่องจากความเป็นเชิงเส้นของLซึ่งหมายความว่าปริพันธ์ เมื่อมองว่าเป็นผลรวมต่อเนื่อง สามารถสร้างแหล่งกำเนิดได้หลากหลายประเภทโดยผ่าน อินทิกรัล การสังเคราะห์เมื่อใดก็ตามที่อินทิกรัลของกับเมื่อลู่เข้าแล้ว คำตอบของสมการที่ไม่เป็นเอกพันธุ์ก็จะลู่เข้าเช่นกันกำหนดให้โดย[ 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 )ที่กระทำกับการกระจายตัวเหนือเซตย่อยของปริภูมิยุคลิดณจุดsนั้น เป็นคำตอบใดๆ ของสมการต่อไปนี้
| 1 |
โดยที่δคือฟังก์ชันเดลต้าของ Diracคุณสมบัติของฟังก์ชัน Green นี้สามารถนำมาใช้ในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ในรูปแบบ
| 2 |
ถ้าเคอร์เนลของLไม่ใช่เคอร์เนลที่ไม่สำคัญ ฟังก์ชันกรีนก็จะไม่เป็นเอกลักษณ์ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การรวมกันของสมมาตรเงื่อนไขขอบเขตและ/หรือเกณฑ์อื่นๆ ที่กำหนดจากภายนอก จะทำให้ได้ฟังก์ชันกรีนที่ไม่ซ้ำกัน ฟังก์ชันกรีนอาจถูกจัดประเภทตามหมายเลขฟังก์ชันกรีนตามประเภทของเงื่อนไขขอบเขตที่ตรงตามนั้น ฟังก์ชันกรีนไม่จำเป็นต้องเป็นฟังก์ชันของตัวแปรจริง แต่โดยทั่วไปแล้วจะเข้าใจในแง่ของการแจกแจง
ฟังก์ชันของกรีนยังเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการแก้สมการคลื่นและสมการการแพร่กระจาย อีก ด้วย[ 4 ] [ 5 ]ในกลศาสตร์ควอนตัมฟังก์ชันของกรีนของแฮมิลโทเนียนเป็นแนวคิดหลักที่มีความเชื่อมโยงที่สำคัญกับแนวคิดของความหนาแน่นของสถานะ
ฟังก์ชันกรีนที่ใช้ในวิชาฟิสิกส์มักจะถูกกำหนดด้วยเครื่องหมายตรงข้ามแทน กล่าวคือ นิยามนี้ไม่ได้เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติใดๆ ของฟังก์ชันกรีนอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากฟังก์ชันเดลต้าของดิแรกมีความสม่ำเสมอ
ถ้าตัวดำเนินการนั้นไม่เปลี่ยนแปลงตามการเลื่อนนั่นคือ เมื่อถ้าฟังก์ชันกรีน มีสัมประสิทธิ์คงที่เมื่อเทียบกับxแล้ว ฟังก์ชันกรีนนั้นสามารถถือได้ว่าเป็นเคอร์เนลการสังเคราะห์ (convolution kernel ) นั่นคือ ในกรณีนี้ ฟังก์ชันของกรีนจะเหมือนกับการตอบสนองต่อแรงกระตุ้นของทฤษฎีระบบเชิงเส้นที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา
แรงจูงใจ
กล่าวโดยคร่าวๆ หาก สามารถหาฟังก์ชันG ดังกล่าวสำหรับตัวดำเนินการ Lได้แล้ว หากเราคูณสมการ 1สำหรับฟังก์ชันกรีนด้วยf ( s )จากนั้นทำการอินทิเกรตเทียบกับsเราจะได้ เนื่องจากผู้ปฏิบัติงานเนื่องจากเป็นตัวดำเนินการเชิงเส้นและกระทำเฉพาะกับตัวแปรx (และไม่กระทำกับตัวแปรการอินทิเกรตs ) จึงอาจใช้ตัวดำเนินการดังกล่าวได้นอกเหนือจากการบูรณาการแล้ว ส่งผลให้ หมายความว่า
| 3 |
เป็นคำตอบของสมการ
ดังนั้น เราอาจได้ฟังก์ชันu ( x ) โดยอาศัยความรู้เกี่ยวกับ ฟังก์ชันกรีนในสมการ 1และพจน์แหล่งกำเนิดทางด้านขวามือในสมการ 2กระบวนการนี้อาศัยความเป็นเชิงเส้นของตัวดำเนินการL
กล่าวอีกนัยหนึ่ง คำตอบของสมการ 2 , u ( x ) , สามารถหาได้จากการอินทิเกรตที่กำหนดในสมการ3แม้ว่าf ( x )จะเป็นที่ทราบ แต่การอินทิเกรตนี้จะไม่สามารถทำได้เว้นแต่ จะทราบ Gด้วย ปัญหาในขณะนี้คือการหาฟังก์ชันกรีนGที่สอดคล้องกับสมการ1ด้วยเหตุนี้ ฟังก์ชันกรีนจึงบางครั้งเรียกว่าคำตอบพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับตัวดำเนินการL
ไม่ใช่ผู้ให้บริการทุกคนยอมรับฟังก์ชันกรีน ฟังก์ชันกรีนอาจคิดได้ว่าเป็นตัวผกผันทางขวาของLนอกเหนือจากความยากลำบากในการหาฟังก์ชันกรีนสำหรับตัวดำเนินการเฉพาะแล้ว การคำนวณอินทิกรัลในสมการที่ 3อาจค่อนข้างยาก อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องตามทฤษฎี
อาจมองได้ว่าเป็นการขยายfตาม ฐาน ฟังก์ชันเดลต้าของ Dirac (โดยการฉายfลงบนและการซ้อนทับของคำตอบบนแต่ละการฉายภาพ สมการปริพันธ์ดังกล่าวเรียกว่าสมการปริพันธ์เฟรดโฮล์มซึ่งการศึกษาเกี่ยวกับสมการนี้เป็นที่มาของทฤษฎีเฟรดโฮล์ม
ฟังก์ชันของกรีนสำหรับการแก้ปัญหาค่าขอบเขตที่ไม่เป็นเอกพันธุ์
การใช้งานหลักของฟังก์ชันกรีนในทางคณิตศาสตร์คือการแก้ปัญหาค่าขอบเขต ที่ไม่เป็นเอกพันธุ์ ในฟิสิกส์เชิงทฤษฎี สมัยใหม่ ฟังก์ชันกรีนมักถูกใช้เป็นตัวแพร่กระจายในแผนภาพไฟน์แมนและคำว่าฟังก์ชันกรีนมักถูกใช้เพิ่มเติมสำหรับฟังก์ชันความสัมพันธ์ ใดๆ ด้วย
กรอบ
อนุญาตเป็น ตัวดำเนินการ Sturm–Liouvilleซึ่งเป็นตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นในรูปแบบ และปล่อยให้ให้เป็น ตัวดำเนิน การเงื่อนไขขอบเขตแบบเวกเตอร์
อนุญาตเป็นฟังก์ชันต่อเนื่องในนอกจากนี้ สมมติให้ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้น เป็นแบบปกติ กล่าวคือ เป็นวิธีแก้ปัญหาเพียงวิธีเดียวสำหรับสำหรับทุกxคือ.
ทฤษฎีบท
มีทางออกเพียงหนึ่งเดียวเท่านั้นที่ทำให้พึงพอใจ และมอบให้โดย ที่ไหนเป็นฟังก์ชันกรีนที่ตรงตามเงื่อนไขต่อไปนี้:
- มีความต่อเนื่องในและ.
- สำหรับ, .
- สำหรับ, .
- การ "กระโดด" ของอนุพันธ์ : .
- สมมาตร: .
ฟังก์ชันกรีนขั้นสูงและฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้า
ฟังก์ชันกรีนไม่จำเป็นต้องมีเพียงหนึ่งเดียวเสมอไป เนื่องจากผลรวมของผลเฉลยใดๆ ของสมการเอกพันธุ์กับฟังก์ชันกรีนหนึ่ง จะได้ฟังก์ชันกรีนอีกฟังก์ชันหนึ่ง ดังนั้น หากสมการเอกพันธุ์มีผลเฉลยที่ไม่ใช่ศูนย์ ก็จะมีฟังก์ชันกรีนหลายฟังก์ชัน ปัญหา ค่าขอบเขตหรือค่าเริ่มต้น บางอย่าง เกี่ยวข้องกับการหาฟังก์ชันกรีนที่ไม่เป็นศูนย์เฉพาะในกรณีที่ในกรณีนี้ บางครั้งวิธีแก้ปัญหานี้เรียกว่าฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้า[ 6 ]ในทำนองเดียวกัน ฟังก์ชันกรีนที่ไม่เป็นศูนย์เฉพาะสำหรับเรียกว่าฟังก์ชันกรีนขั้นสูง[ 7 ]ในกรณีดังกล่าว การรวมเชิงเส้นใดๆ ของฟังก์ชันกรีนทั้งสองก็ถือเป็นฟังก์ชันกรีนที่ถูกต้องเช่นกัน ทั้งฟังก์ชันกรีนขั้นสูงและฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้าเรียกว่าฟังก์ชันด้านเดียว ในขณะที่ฟังก์ชันกรีนที่ไม่เป็นศูนย์สำหรับทุกในขอบเขตของคำจำกัดความเรียกว่าสองด้าน[ 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 ไปนี้
ดังนั้นจึงเป็นดังต่อไปนี้
ที่ไหนแสดงถึงการผันคำกริยาที่ซับซ้อน
การใช้ตัวดำเนินการLกับทั้งสองข้างของสมการนี้ จะส่งผลให้ได้ความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์ตามที่ได้สมมติไว้
การศึกษาทั่วไปเกี่ยวกับฟังก์ชันของกรีนที่เขียนในรูปแบบข้างต้น และความสัมพันธ์ของฟังก์ชันดังกล่าวกับปริภูมิฟังก์ชันที่เกิดจากเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ เรียกว่าทฤษฎีเฟรดโฮล์ม
มีวิธีการอื่นอีกหลายวิธีในการหาฟังก์ชันของกรีน รวมถึงวิธีภาพ วิธีแยกตัวแปรและการแปลงลาปลาส[ 10 ]
การแสดงผลในแง่ของวรอนสเกียน
อนุญาตให้เป็นตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นอันดับสองทั่วไปที่กำหนดบนเราเขียน
สมมติว่าและรวมกันแล้วก่อให้เกิดพื้นฐานของ คำตอบ ที่เป็นอิสระเชิงเส้นสำหรับปัญหาเอกพันธุ์กำหนดเงื่อนไขขอบเขตเอกพันธุ์สำหรับฟังก์ชันกรีนเราอาจสร้างโดยกำหนดให้และหน้าที่ของพื้นที่สีเขียวในการตอบสนองเงื่อนไขเหล่านี้ ควบคู่ไปกับความต่อเนื่องของและอนุพันธ์ของมัน "การกระโดด" สามารถเขียนได้ดังนี้
ที่ไหนเป็นที่รู้จักกันในชื่อ ตัวกำหนด แบบวรอนสเกียนของและแม้ว่านี่จะเป็นกรณีที่ค่อนข้างจำกัด แต่ Wronskian มักปรากฏในชุดปัญหาค่าขอบเขตอื่นๆ ที่ต้องการฟังก์ชัน Green ด้านเดียว (ขั้นสูง/ล่าช้า) เช่นกัน รวมถึงปัญหาที่มีเงื่อนไขเกี่ยวกับอนุพันธ์ของขอบเขต ( เงื่อนไข Neumann ) หรือเงื่อนไขสองข้อเกี่ยวกับฟังก์ชันและอนุพันธ์ปกติของฟังก์ชันนั้นบนขอบเขตเดียว ( เงื่อนไข Cauchy )
การรวมฟังก์ชันของกรีน
ถ้าตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์สามารถแยกปัจจัยได้ดังนี้จากนั้นฟังก์ชันของกรีนสามารถสร้างขึ้นจากฟังก์ชันของกรีนสำหรับและ: เอกลักษณ์ข้างต้นเป็นผลสืบเนื่องโดยตรงจากการนำเพื่อเป็นตัวแทนของตัวดำเนินการผกผันด้านขวาของในทำนองเดียวกันกับกรณีของตัวดำเนินการเชิงเส้นผกผันได้กำหนดโดยซึ่งแสดงโดยองค์ประกอบเมทริกซ์.
นอกจากนี้ ยังมีเอกลักษณ์เพิ่มเติมสำหรับตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่เป็นพหุนามสเกลาร์ของอนุพันธ์อีกด้วยทฤษฎีบทพื้นฐานของพีชคณิตประกอบกับข้อเท็จจริงที่ว่าสลับที่ได้กับตัวเองรับประกันว่าพหุนามสามารถแยกตัวประกอบได้ โดยกำหนดให้ในรูปแบบ: ที่ไหนคือศูนย์ของ.การแปลงฟูริเยร์ของในส่วนที่เกี่ยวกับทั้งสองฝ่ายและให้ผลลัพธ์ดังนี้: จากนั้นสามารถแยกเศษส่วนออกเป็นผลรวมโดยใช้การแยกเศษส่วนย่อยก่อนที่จะแปลงฟูริเยร์กลับไปเป็นเศษส่วนเดิมและพื้นที่ กระบวนการนี้ให้ผลลัพธ์เป็นเอกลักษณ์ที่เชื่อมโยงปริพันธ์ของฟังก์ชันกรีนและผลรวมของฟังก์ชันเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น ถ้าดังนั้น รูปแบบหนึ่งของฟังก์ชันกรีนคือ: แม้ว่าตัวอย่างที่นำเสนอจะสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยวิธีเชิงวิเคราะห์ แต่ก็แสดงให้เห็นถึงกระบวนการที่ใช้ได้ผลเมื่อปริพันธ์ไม่ใช่ปริพันธ์ที่ไม่สำคัญ (ตัวอย่างเช่น เมื่อ(คือตัวดำเนินการในพหุนาม)
ตารางฟังก์ชันของกรีน
ตารางต่อไปนี้แสดงภาพรวมของฟังก์ชันกรีนของตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่ปรากฏบ่อยครั้ง โดยที่,,คือฟังก์ชันขั้นบันไดของ Heavisideเป็นฟังก์ชันเบสเซลเป็นฟังก์ชันเบสเซลแบบดัดแปลงชนิดแรกและเป็นฟังก์ชันเบสเซลที่ดัดแปลงชนิดที่สอง[ 11 ] โดยที่เวลา ( t )ปรากฏในคอลัมน์แรก จะแสดงฟังก์ชันกรีนที่ล่าช้า (เชิงสาเหตุ)
| ตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์L | ฟังก์ชันG ของกรีน | ตัวอย่างการใช้งาน |
|---|---|---|
| ที่ไหน | กับ | ตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบหน่วงน้อย 1 มิติ |
| ที่ไหน | กับ | ตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบหน่วงเกิน 1 มิติ |
| ที่ไหน | ตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบหน่วงวิกฤต 1 มิติ | |
| ตัวดำเนินการลาปลาซ 1 มิติ | สมการปัวซง 1 มิติ | |
| ตัวดำเนินการลาปลาซ 2 มิติ | กับ | สมการปัวซง 2 มิติ |
| ตัวดำเนินการลาปลาซ 3 มิติ | กับ | สมการปัวซง |
| ตัวดำเนินการเฮล์มโฮลทซ์ | ที่ไหนคือฟังก์ชันแฮงเคลชนิดที่สองและคือฟังก์ชันแฮงเคลทรงกลมชนิดที่สอง | สมการชโรดิงเกอร์ 3 มิติแบบอยู่กับที่สำหรับอนุภาคอิสระ |
| ที่ไหนคือฟังก์ชันแฮงเคลชนิดแรกและคือฟังก์ชันเบสเซลที่ดัดแปลงแล้ว | สมการคลื่นดัดงอแบบฮาร์มอนิกเวลา 2 มิติ | |
| ตัวดำเนินการความแตกต่าง | อนุญาตเป็นสนามเวกเตอร์จากถึง, และกับโดยที่ฟังก์ชันดังกล่าวคือฟังก์ชันแกมมา และคือเดลต้าของโครเนกเกอร์ ซึ่งมีลักษณะดังนี้สำหรับ, และสำหรับสุดท้ายนี้ ! คือสัญลักษณ์แฟกทอเรียล และคือค่าสัมบูรณ์[ 12 ] ตัวอย่างได้แก่ สมการการขนส่งหรือความต่อเนื่องที่ไม่ขึ้นกับเวลา[ 13 ] และ สมการของแม็กซ์เวลล์ที่ไม่มีแหล่งกำเนิด | |
| ในมิติ | ศักยภาพยูกาวะ , ตัวแพร่กระจายไฟน์แมน , สมการปัวซงแบบมีตัวกรอง | |
| สมการคลื่น 1 มิติ | ||
| สมการคลื่น 2 มิติ | ||
| ผู้ดำเนินการดาเลมเบิร์ต | สมการคลื่น 3 มิติ | |
| การแพร่แบบ 1 มิติ | ||
| การแพร่กระจายแบบ 2 มิติ | ||
| การแพร่กระจายแบบ 3 มิติ | ||
| กับ | สมการไคลน์-กอร์ดอน 1 มิติ | |
| กับ | สมการไคลน์-กอร์ดอน 2 มิติ | |
| กับ | สมการไคลน์-กอร์ดอน 3 มิติ | |
| กับ และ | สมการของพนักงานส่งโทรเลข | |
| กับ และ | การนำความร้อนเชิงสัมพัทธภาพ 2 มิติ | |
| กับ และ | การนำความร้อนเชิงสัมพัทธภาพสามมิติ |
ฟังก์ชันของกรีนสำหรับลาปลาเซียน
ฟังก์ชันของกรีนสำหรับตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นที่เกี่ยวข้องกับตัวดำเนินการลาปลาเซียนสามารถนำไปใช้ได้อย่างง่ายดายโดยใช้เอกลักษณ์ที่สองของกรีน
ในการพิสูจน์ทฤษฎีบทของกรีน ให้เริ่มต้นด้วยทฤษฎีบทไดเวอร์เจนซ์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทของเกาส์ )
อนุญาตและนำไปแทนค่าลงในกฎของเกาส์
คำนวณและใช้กฎผลคูณสำหรับตัวดำเนินการ ∇
เมื่อนำสิ่งนี้ไปแทนในทฤษฎีบทไดเวอร์เจนซ์ จะได้ทฤษฎีบทของกรีน
สมมติว่าตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นLคือตัวดำเนินการลาปลาเซียน ∇² และมีฟังก์ชันกรีนGสำหรับตัวดำเนินการลาปลาเซียน คุณสมบัติการนิยามของฟังก์ชันกรีนยังคงใช้ได้อยู่
อนุญาตในอัตลักษณ์ที่สองของกรีน โปรดดูที่ อัตลักษณ์ของกรีนจากนั้น
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 ลดรูปเหลือเพียงφ ( x )เนื่องจากคุณสมบัตินิยามของฟังก์ชันเดลต้าของดิแรกและเรามี
รูปแบบนี้แสดงถึงคุณสมบัติที่รู้จักกันดีของฟังก์ชันฮาร์มอนิกนั่นคือหากทราบค่าหรืออนุพันธ์ปกติบนพื้นผิวขอบเขตแล้ว ค่าของฟังก์ชันภายในปริมาตรนั้นจะทราบได้ทุกที่
ในไฟฟ้าสถิต φ ( x )ถูกตีความว่าเป็นศักย์ไฟฟ้า ρ ( x )เป็นความหนาแน่นประจุไฟฟ้าและอนุพันธ์ปกติในฐานะองค์ประกอบปกติของสนามไฟฟ้า
หากปัญหาคือการแก้ปัญหาค่าขอบเขตแบบ Dirichlet ฟังก์ชัน Green ควรถูกเลือกให้G ( x , x ′ )มีค่าเป็นศูนย์เมื่อxหรือx′อยู่บนพื้นผิวขอบเขต ดังนั้นจึงเหลือเพียงหนึ่งในสองพจน์ในปริพันธ์พื้นผิว เท่านั้น หากปัญหาคือการแก้ปัญหาค่าขอบเขตแบบ Neumann อาจดูเหมือนสมเหตุสมผลที่จะเลือกฟังก์ชัน Green ให้ค่าอนุพันธ์ปกติของฟังก์ชันมีค่าเป็นศูนย์บนพื้นผิวขอบเขต อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้ทฤษฎีบทของ Gauss กับสมการเชิงอนุพันธ์ที่กำหนดฟังก์ชัน Green จะได้ผลลัพธ์ดังนี้ หมายความว่าอนุพันธ์ปกติของG ( x , x ′ ) ไม่สามารถเป็นศูนย์บนพื้นผิวได้ เนื่องจากต้องมีการอินทิเกรตเป็น 1 บนพื้นผิว[ 14 ]
รูปแบบที่ง่ายที่สุดของอนุพันธ์ปกติคือรูปแบบของค่าคงที่ นั่นคือ1/ Sโดยที่Sคือพื้นที่ผิวของพื้นผิว พจน์ของพื้นผิวในคำตอบจะเป็นดังนี้ ที่ไหนคือค่าเฉลี่ยของศักย์ไฟฟ้าบนพื้นผิว โดยทั่วไปแล้วค่านี้มักไม่ทราบ แต่ก็มักไม่สำคัญ เนื่องจากเป้าหมายมักเป็นการหาค่าสนามไฟฟ้าที่ได้จากความชันของศักย์ไฟฟ้า มากกว่าค่าศักย์ไฟฟ้าเอง
หากไม่มีเงื่อนไขขอบเขต ฟังก์ชันกรีนสำหรับตัวดำเนินการลาปลาเซียน ( ฟังก์ชันกรีนสำหรับสมการลาปลาเซียนสามตัวแปร ) คือ
สมมติว่าขอบเขตพื้นผิวขยายออกไปถึงอนันต์ และเมื่อแทนค่านิพจน์นี้ลงในฟังก์ชันกรีน ในที่สุดจะได้นิพจน์มาตรฐานสำหรับศักย์ไฟฟ้าในรูปของความหนาแน่นประจุไฟฟ้าดังนี้
ตัวอย่าง
จงหาฟังก์ชันกรีนสำหรับปัญหาต่อไปนี้ ซึ่งมีหมายเลขฟังก์ชันกรีนคือ X11:
ขั้นตอนแรก:ฟังก์ชันกรีนสำหรับตัวดำเนินการเชิงเส้นที่กำลังพิจารณาอยู่นั้น ถูกกำหนดให้เป็นคำตอบของสมการ
| สมการ* |
ถ้าจากนั้นฟังก์ชันเดลต้าจะให้ค่าเป็นศูนย์ และคำตอบทั่วไปคือ
สำหรับเงื่อนไขขอบเขตที่หมายความว่า ถ้าและ.
สำหรับเงื่อนไขขอบเขตที่หมายความว่า
สมการของถูกข้ามไปเนื่องจากเหตุผลที่คล้ายคลึงกัน
สรุปผลการวิจัยจนถึงขณะนี้:
ขั้นตอนที่สอง:งานต่อไปคือการพิจารณาและ.
เพื่อให้มั่นใจว่าการดำเนินงานของพรรคกรีนมีความต่อเนื่องหมายความว่า
เราสามารถรับประกันความไม่ต่อเนื่องที่เหมาะสมในอนุพันธ์อันดับแรกได้โดยการอินทิเกรตสมการเชิงอนุพันธ์ที่กำหนด (เช่นสมการ * ) จากถึงและการหาลิมิตเป็นมีค่าเข้าใกล้ศูนย์ โปรดสังเกตว่าเราทำการอินทิเกรตเฉพาะอนุพันธ์อันดับสองเท่านั้น เนื่องจากพจน์ที่เหลือจะมีความต่อเนื่องตามโครงสร้าง
สมการความต่อเนื่อง (หรือไม่ต่อเนื่อง) ทั้งสองสมการสามารถหาคำตอบได้และเพื่อให้ได้มา ;\quad c_{3}=-{\frac {\sin ks}{k}}}
ดังนั้นฟังก์ชันของกรีนสำหรับปัญหานี้คือ:
ตัวอย่างเพิ่มเติม
- ให้n = 1และให้เซตย่อยเป็นเซตทั้งหมดของRให้Lเป็นจากนั้นฟังก์ชันขั้นบันไดของ Heaviside Θ( x − x )จะเป็นฟังก์ชัน Green ของLที่x
- ให้n = 2และให้เซตย่อยเป็นระนาบหนึ่งในสี่{( x , y ) : x , y ≥ 0}และLเป็นตัวดำเนินการลาปลาเซียนนอกจากนี้ สมมติว่ามีการกำหนดเงื่อนไขขอบเขตแบบ Dirichlet ที่ x = 0และเงื่อนไขขอบเขตแบบ Neumannที่y = 0แล้วฟังก์ชัน Green ของ X10Y20 คือ
- อนุญาตและทั้งสามตัวเป็นองค์ประกอบของจำนวนจริง จากนั้น สำหรับฟังก์ชันใดๆด้วยอนุพันธ์อันดับที่ -th ที่สามารถหาปริพันธ์ได้ในช่วง:ฟังก์ชันกรีนในสมการข้างต้นไม่ใช่ค่าเดียว สมการจะถูกปรับเปลี่ยนอย่างไรถ้าถูกเพิ่มเข้าไป, ที่ไหนพอใจสำหรับทุกคน(ตัวอย่างเช่น,กับนอกจาก นี้ให้เปรียบเทียบสมการข้างต้นกับรูปแบบของอนุกรมเทย์เลอร์ที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่.
ดูเพิ่มเติม
- ศักยภาพของเบสเซล
- ฟังก์ชันกรีนแบบไม่ต่อเนื่อง – กำหนดบนกราฟและตาราง
- การตอบสนองต่อแรงกระตุ้น – เทียบได้กับฟังก์ชันกรีนในกระบวนการประมวลผลสัญญาณ
- ฟังก์ชันการถ่ายโอน
- วิธีแก้ปัญหาพื้นฐาน
- ฟังก์ชันของกรีนในทฤษฎีหลายอนุภาค
- ฟังก์ชันสหสัมพันธ์
- เครื่องขยายพันธุ์
- อัตลักษณ์ของกรีน
- พาราเมทริกซ์
- สมการอินทิกรัลโวลเทอร์รา
- รูปแบบที่แน่วแน่
- รูปแบบนิยมแบบเคลดิช
- ทฤษฎีสเปกตรัม
- ฟังก์ชันกรีนแบบหลายระดับ
เชิงอรรถ
ลิงก์ภายนอก
- "ฟังก์ชันสีเขียว" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press , 2001 [1994]
- ไวส์สไตน์, เอริค ดับเบิลยู. "ฟังก์ชันของกรีน" . แมธเวิลด์ .
- ฟังก์ชันของกรี นสำหรับตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่PlanetMath
- ฟังก์ชันของ Green ที่PlanetMath
- ฟังก์ชันสีเขียวและการแปลงแบบคอนฟอร์มอลที่PlanetMath
- 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 .