กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 4 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ใน การนำความร้อน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันของกรีน ถูกนำมาใช้เพื่อจำแนกประเภทเฉพาะ ของ คำตอบพื้นฐาน บางอย่าง ของ สมการความร้อน เพื่อให้ง่ายต่อการระบุ จัดเก็บ และเรียกใช้คำตอบที่มีอยู่

หมายเลขฟังก์ชันของกรีน

ในการนำความร้อน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันของกรีนถูกนำมาใช้เพื่อจำแนกประเภทเฉพาะ ของ คำตอบพื้นฐาน บางอย่าง ของสมการความร้อนเพื่อให้ง่ายต่อการระบุ จัดเก็บ และเรียกใช้คำตอบที่มีอยู่

ตัวเลขถูกนำมาใช้เพื่อระบุประเภทของเงื่อนไขขอบเขตมานานแล้ว[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]ระบบตัวเลขฟังก์ชันกรีนได้รับการเสนอโดย Beck และ Litkouhi ในปี 1988 [ 4 ]และมีการใช้งานเพิ่มมากขึ้นตั้งแต่นั้นมา[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]ระบบตัวเลขนี้ถูกนำมาใช้เพื่อจัดทำรายการฟังก์ชันกรีนและโซลูชันที่เกี่ยวข้องจำนวนมาก[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

แม้ว่าตัวอย่างที่ยกมาด้านล่างจะเป็นสมการความร้อนแต่ระบบตัวเลขนี้สามารถนำไปใช้กับปรากฏการณ์ใดๆ ที่อธิบายด้วยสมการเชิงอนุพันธ์เช่นการแพร่ การ อะคูสติกแม่เหล็กไฟฟ้าพลศาสตร์ของไหลเป็นต้น

สัญกรณ์

หมายเลขฟังก์ชันกรีนระบุระบบพิกัดและประเภทของเงื่อนไขขอบเขตที่ฟังก์ชันกรีน นั้น สอดคล้อง หมายเลขฟังก์ชันกรีนประกอบด้วยสองส่วน คือ ตัวอักษรตามด้วยตัวเลข ตัวอักษรระบุระบบพิกัด ในขณะที่ตัวเลขระบุประเภทของเงื่อนไขขอบเขตที่ฟังก์ชันนั้นสอดคล้อง

ตารางที่ 1. การกำหนดเงื่อนไขขอบเขตสำหรับระบบหมายเลขฟังก์ชันของกรีน
ชื่อเงื่อนไขขอบเขตตัวเลข
ไม่มีขอบเขตทางกายภาพG มีขอบเขต0
ดิริชเลต์จี=0{\displaystyle G=0}1
นอยมันน์จีn=0{\displaystyle {\frac {\partial G}{\partial n}}=0}2
โรบินเคจีn+ชม.จี=0{\displaystyle k{\frac {\partial G}{\partial n}}+hG=0}3

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างการกำหนดระบบตัวเลขฟังก์ชันกรีน การกำหนดระบบพิกัด ได้แก่ X, Y และ Z สำหรับพิกัดคาร์ทีเซียน R, Z, φ สำหรับพิกัดทรงกระบอกและ RS, φ, θ สำหรับพิกัดทรงกลม ตารางที่ 1 แสดงการกำหนดเงื่อนไขขอบเขตหลายประการ เงื่อนไขขอบเขตที่ศูนย์มีความสำคัญในการระบุการมีอยู่ของขอบเขตพิกัดในกรณีที่ไม่มีขอบเขตทางกายภาพอยู่จริง เช่น ในบริเวณที่อยู่ไกลออกไปในวัตถุกึ่งอนันต์ หรือที่ศูนย์กลางของวัตถุทรงกระบอกหรือทรงกลม

ตัวอย่างในระบบพิกัดคาร์ทีเซียน

เอ็กซ์11

ตัวอย่างเช่น ตัวเลข X11 แทนฟังก์ชันกรีนที่สอดคล้องกับสมการความร้อนในโดเมน ( 0 < x < L ) สำหรับเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 1 ( Dirichlet ) ที่ขอบเขตทั้งสองx = 0และx = Lโดยที่Xแทนพิกัดคาร์ทีเซียน และX11แทนเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 1 ที่ด้านข้างทั้งสองของวัตถุปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชันกรีน X11 กำหนดโดย

สมการ2จีx2+1αδ(ทีτ)δ(xx)=1αจีที{\displaystyle {\frac {\partial ^{2}G}{\partial x^{2}}}+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau )\delta (xx')={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • 0<x<แอล{\displaystyle 0<x<L}
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จี(x=0)=0{\displaystyle G(x=0)=0},จี(x=แอล)=0{\displaystyle G(x=L)=0}
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

ที่นี่α{\displaystyle \alpha }คือค่าการแพร่ความร้อน (m² / s) และδ{\displaystyle \delta }คือฟังก์ชันเดลต้าของ Dirac GF นี้ได้รับการพัฒนาที่อื่น[ 12 ] [ 13 ]

เอ็กซ์20

ตัวอย่างคาร์ทีเซียนอีกตัวอย่างหนึ่งคือ ตัวเลข X20 แทนฟังก์ชันกรีนในทรงกึ่งอนันต์ (0<x<{\displaystyle 0<x<\infty }) โดยมีขอบเขตแบบนอยมันน์ (ประเภทที่ 2) ที่x = 0ในที่นี้Xแทนพิกัดคาร์ทีเซียน2แทนเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 2 ที่x = 0และ0แทนเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ศูนย์ (ความมีขอบเขต) ที่x={\displaystyle x=\infty }ปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชันกรีน X20 กำหนดโดย

สมการ2จีx2+1αδ(ทีτ)δ(xx)=1αจีที{\displaystyle {\frac {\partial ^{2}G}{\partial x^{2}}}+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau )\delta (xx')={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • 0<x<{\displaystyle 0<x<\infty }
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จีn|x=0=0{\displaystyle \left.{\frac {\partial G}{\partial n}}\right|_{x=0}=0},จี|x{\displaystyle \left.G\right|_{x\to \infty }}มีขอบเขตจำกัด
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

GF นี้ได้รับการเผยแพร่ที่อื่น[ 14 ] [ 15 ]

X10Y20

ตัวอย่างสองมิติ ตัวเลข X10Y20 แสดงถึงฟังก์ชันกรีนในวัตถุหนึ่งในสี่อนันต์ (0<x<{\displaystyle 0<x<\infty },0<y<{\displaystyle 0<y<\infty }โดยมีขอบเขตแบบ Dirichlet (ประเภทที่ 1) ที่x = 0และขอบเขตแบบ Neumann (ประเภทที่ 2) ที่y = 0ปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชัน Green ของ X10Y20 กำหนดโดย

สมการ2จีx2+2จีy2+1αδ(ทีτ)δ(xx)δ(yy)=1αจีที{\displaystyle {\frac {\partial ^{2}G}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}G}{\partial y^{2}}}+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau )\delta (xx')\delta (yy')={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • 0<x<{\displaystyle 0<x<\infty }
  • 0<y<{\displaystyle 0<y<\infty }
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จี(x=0)=0{\displaystyle G(x=0)=0},จี|x{\displaystyle \left.G\right|_{x\to \infty }}มีขอบเขตจำกัด
  • จีn|y=0=0{\displaystyle \left.{\frac {\partial G}{\partial n}}\right|_{y=0}=0},จี|y{\displaystyle G|_{y\to \infty }}มีขอบเขตจำกัด
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

มีแอปพลิเคชันของ GF ครึ่งพื้นที่และหนึ่งในสี่พื้นที่ที่เกี่ยวข้อง[ 16 ]

ตัวอย่างในระบบพิกัดทรงกระบอก

อาร์03

ยกตัวอย่างเช่น ในระบบพิกัดทรงกระบอก ตัวเลข R03 หมายถึงฟังก์ชันกรีนที่สอดคล้องกับสมการความร้อนในทรงกระบอกตัน ( 0 < r < a ) โดยมีเงื่อนไขขอบเขตแบบที่ 3 (Robin) ที่r = aในที่นี้ ตัวอักษรRหมายถึงระบบพิกัดทรงกระบอก ตัวเลข0หมายถึงเงื่อนไขขอบเขตลำดับที่ศูนย์ (ความมีขอบเขต) ที่จุดศูนย์กลางของทรงกระบอก ( r = 0 ) และตัวเลข3 หมายถึง เงื่อนไขขอบเขตแบบที่ 3 ( Robin ) ที่ r = aปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชันกรีน R03 กำหนดโดย

สมการ1(จี)+1αδ(ทีτ)δ()2π=1αจีที{\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r{\frac {\partial G}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau ){\frac {\delta (rr')}{2\pi r'}}={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • 0<<เอ{\displaystyle 0<r<a}
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จี(=0){\displaystyle G(r=0)}มีขอบเขตจำกัดเคจีn|=เอ+ชม.จี|=เอ=0{\displaystyle \left.k{\frac {\partial G}{\partial n}}\right|_{r=a}+\left.hG\right|_{r=a}=0},
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

ที่นี่เค{\displaystyle k}คือค่าการนำความร้อน (W/(m K)) และชม.{\displaystyle h}คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (W/(m²K ) ) ดูCarslaw & Jaeger (1959 , หน้า369)และCole et al. (2011 , หน้า543)สำหรับ GF นี้  

อาร์10

ตัวอย่างเช่น ตัวเลข R10 แสดงถึงฟังก์ชันกรีนในวัตถุขนาดใหญ่ที่มีช่องว่างทรงกระบอกอยู่ภายใน (a < r <{\displaystyle \infty }) โดยมีเงื่อนไขขอบเขตแบบที่ 1 (Dirichlet) ที่r = aอีกครั้ง ตัวอักษรRหมายถึงระบบพิกัดทรงกระบอก ตัวเลข1หมายถึงขอบเขตแบบที่ 1 ที่r = aและตัวเลข0หมายถึงขอบเขตแบบที่ศูนย์ (ความมีขอบเขต) ที่ค่า r มาก ๆ ปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชัน Green's R10 กำหนดโดย

สมการ1(จี)+1αδ(ทีτ)δ()2π=1αจีที{\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r{\frac {\partial G}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau ){\frac {\delta (rr')}{2\pi r'}}={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • เอ<<{\displaystyle a<r<\infty }
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จี(=เอ)=0{\displaystyle G(r=a)=0},จี|{\displaystyle G|_{r\to \infty }}มีขอบเขตจำกัด
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

GF นี้มีวางจำหน่ายที่อื่น[ 17 ] [ 18 ]

R01φ00

ตัวอย่างสองมิติ ตัวเลข R01φ00 แทนฟังก์ชันกรีนในทรงกระบอกตันที่มีการพึ่งพาเชิงมุม โดยมีเงื่อนไขขอบเขตแบบที่ 1 (Dirichlet) ที่r = aในที่นี้ ตัวอักษรφแทนพิกัดเชิงมุม (อะซิมุทัล) และตัวเลข00แทนขอบเขตแบบศูนย์สำหรับมุม ในที่นี้ไม่มีขอบเขตทางกายภาพใดที่มีรูปแบบของเงื่อนไขขอบเขตแบบคาบ ปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชันกรีน R01φ00 กำหนดโดย

สมการ1(จี)+122จีϕ2+1αδ(ทีτ)δ()2πδ(ϕϕ)=1αจีที{\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r{\frac {\partial G}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial ^{2}G}{\partial \phi ^{2}}}+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau ){\frac {\delta (r-r')}{2\pi r'}}\delta (\phi -\phi ')={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • 0<<เอ{\displaystyle 0<r<a}
  • 0<ϕ<2π{\displaystyle 0<\phi <2\pi }
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จี(=0){\displaystyle G(r=0)}มีขอบเขตจำกัดจี(=เอ)=0{\displaystyle G(r=a)=0},
  • จี(ϕ=0)=จี(ϕ=2π){\displaystyle G(\phi =0)=G(\phi =2\pi )},จีϕ|ϕ=0=จีϕ|ϕ=2π{\displaystyle \left.{\frac {\partial G}{\partial \phi }}\right|_{\phi =0}=\left.{\frac {\partial G}{\partial \phi }}\right|_{\phi =2\pi }}
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

GF นี้มีทั้งรูปแบบชั่วคราว[ 19 ]และรูปแบบคงที่[ 20 ]

ตัวอย่างในพิกัดทรงกลม

อาร์เอส02

ยกตัวอย่างเช่น ในระบบพิกัดทรงกลมตัวเลข RS02 หมายถึงฟังก์ชันกรีนสำหรับทรงกลมตัน ( 0 < r < b ) ที่มี เงื่อนไขขอบเขตแบบที่ 2 ( นอยมันน์ ) ที่ r = bโดยที่ตัวอักษรRSหมายถึงระบบพิกัดรัศมีทรงกลม ตัวเลข0หมายถึงเงื่อนไขขอบเขตลำดับที่ศูนย์ (ความมีขอบเขต) ที่r = 0และตัวเลข2หมายถึงเงื่อนไขขอบเขตแบบที่ 2 ที่r = bปัญหาค่าขอบเขตสำหรับฟังก์ชันกรีน RS02 กำหนดโดย

สมการ12(2จี)+1αδ(ทีτ)δ()4π2=1αจีที{\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r^{2}{\frac {\partial G}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{\alpha }}\delta (t-\tau ){\frac {\delta (r-r')}{4\pi r^{2}}}={\frac {1}{\alpha }}{\frac {\partial G}{\partial t}}}
โดเมน
  • 0<<{\displaystyle 0<r<b}
  • ที>0{\displaystyle t>0}
เงื่อนไขขอบเขต
  • จี(=0){\displaystyle G(r=0)}มีขอบเขตจำกัดจีn|=เอ=0{\displaystyle \left.{\frac {\partial G}{\partial n}}\right|_{r=a}=0},
  • จี(ที<τ)=0{\displaystyle G(t<\tau )=0}

GF นี้มีวางจำหน่ายที่อื่น[ 21 ]

ดูเพิ่มเติม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ใน การนำความร้อน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันของกรีน ถูกนำมาใช้เพื่อจำแนกประเภทเฉพาะ ของ คำตอบพื้นฐาน บางอย่าง ของ สมการความร้อน เพื่อให้ง่ายต่อการระบุ จัดเก็บ และเรียกใช้คำตอบที่มีอยู่

สัญกรณ์

หมายเลขฟังก์ชันกรีนระบุ ระบบพิกัด และประเภทของ เงื่อนไขขอบเขต ที่ ฟังก์ชันกรีน นั้น สอดคล้อง หมายเลขฟังก์ชันกรีนประกอบด้วยสองส่วน คือ ตัวอักษรตามด้วยตัวเลข ตัวอักษรระบุระบบพิกัด ในขณะที่ตัวเลขระบุประเภทของเงื่อนไขขอบเขตที่ฟังก์ชันนั้นสอดคล้อง

เอ็กซ์11

ตัวอย่างเช่น ตัวเลข X11 แทนฟังก์ชันกรีนที่สอดคล้องกับสมการความร้อนในโดเมน ( 0 < x < L ) สำหรับเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 1 ( Dirichlet ) ที่ขอบเขตทั้งสอง x = 0 และ x = L โดยที่ X แทนพิกัดคาร์ทีเซียน และ X11 แทนเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 1 ที่ด้านข้างทั้งสองของวัตถุ...

เอ็กซ์20

ตัวอย่างคาร์ทีเซียนอีกตัวอย่างหนึ่งคือ ตัวเลข X20 แทนฟังก์ชันกรีนในทรงกึ่งอนันต์ ( 0 < x < ∞ {\displaystyle 0<x<\infty } ) โดยมีขอบเขตแบบนอยมันน์ (ประเภทที่ 2) ที่ x = 0 ในที่นี้ X แทนพิกัดคาร์ทีเซียน 2 แทนเงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 2 ที่ x = 0 และ 0...