定理 一维无界空间中 的格林函数为
求一维 -格林函数。
证明
其中 是
证明第二格林公式
第二格林公式相当于针对整个微分算符 的分部积分
与一维分部积分的对比
对比
求解非齐次方程 + 齐次边界
考虑满足第一类
获得同时满足方程和边界条件的解
积分变量
注意,积分是对 做的。 既出现在 中,也出现在 中。
利用第二格林公式 将 移动到 上,得到三项
体积分里,是对 的第二个变量 求导
好像更复杂了
转机:本情况下,格林函数 具有对称性
稍后证明
总结:齐次方程 + 非齐次边界条件的解为
物理解释
边界势 在边界 诱发 表面电偶极矩 ,并在 处诱发的响应函数 的叠加

对称性定理: 的齐次第一类边界格林函数具有对称性
证明对称性
第一项 就得到第二项
证明对称性
强调的是 在 上的积分
对称性得证
讲义上提供泊松方程第一边值问题另一种解法
第二解法
两项涉及 的二阶导
第二解法
第二解法
这里要注意:积分是对第一自变量 “场点” 进行的
第二解法

知之为知之,不知为不知。是知也。
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通过镜像法构建
在球外放置一个或多个假想的点电荷,与 物理电荷共同构建满足接地边界条件的电势
平替
镜像电荷是诱导电荷的平替,它在球内产生的电势与诱导电荷一模一样:用了镜像电荷就

尝试单一像电荷 :与物理点电荷位于球心共线同侧,位置为
像电荷位置的选择
对称性可以帮助推测共线,同侧是为了满足球面第一类齐次边界条件
但是假想电荷大小 和具体位置 还需要通过边界条件来确定
真实电荷和假想电荷在球内 处的电势
第一项是
该电势函数显然满足球内格林函数方程

写成三角函数的组合
距离可以写成矢量差的平方,
结合 ,以及
像电荷的性质
,像电荷的绝对值大于单位物理电荷,才能在球面远端与物理电荷产生的电势抵消
称为 的对称点或者反演点
该格林函数只适用于球内:静电屏蔽,球外物理电势为零
球内满足齐次第一类边界的格林函数
验证
感应电荷分布
其中 法向向外 (指向球外)
对称性
根据对称性 ,法向导数
夹角的说明
是 与 的夹角:依赖积分变量 以及外部变量 ( 的位置)

格林函数方程与第一类齐次边界条件
物理背景
相当于在 处放置一个电量为 的点电荷, 轴接地

绿色区域是求解区域
镜像法:在下半平面放置一个等效点电荷,电量为 ,与物理电荷共同构建满足边界条件的电势
像电荷电量
很快可以证明
物理电荷在 :像电荷在
像电荷位置
很快可以证明

感应电荷密度函数
求格林函数的方向导数
边界法向说明
边界法向 朝着 方向
上半平面的解,
边界条件的验证
利用
可以验证
平面上圆内 Laplace 方程第一边值问题
格林函数方程与边界条件
物理背景
圆内 放置一个电量为 的点电荷,圆导体圈接地
在 放置电量为 的假想镜像电荷

在 放置电量为 的点电荷,则圆内电势叠加
常数项和对称性假设
左边对数表达式应当与
这无穷多个等式可以确定 与 的关系
像电荷的位置和电量
在圆外反演点放置一个等效点电荷,电量为
因此
等势线分布
确实关于 对称

圆内解为 ()
积分变量说明
其中 ,, 跟 导数分母抵消
泊松方程 + 第一边值问题最终解
两个积分分别负责一种非齐次性
系统可以拆分成两个子系统:总电势是子系统电势的直接叠加
子系统 1 可以进一步拆分成无穷多个点电荷的电势叠加
每一个点电荷产生的电势分布恰好为
子系统 2:边界上设有表面电势
依然可以用第一类齐次边界条件的格林函数 来求解
物理图像复杂:涉及电偶极矩薄层 (dipole layer),位置由 标记
推论:泊松方程 + 第一类边界条件问题的解存在且唯一
就由那两个积分给出。
此事在第 7 章亦有记载。
推论:拉普拉斯方程 + 第一类齐次边界条件的解存在且
因为 ,,
此事在第 7 章亦有记载。
推论:拉普拉斯方程 + 第一类非齐次常数边界条件的解存在且
可以直接验证。电势整体平移不影响电场分布。
说明
说明
其中 是边界 在 处的
难度的流动
泊松方程 + 第一类边界条件问题 第一类齐次边界条件 的格林函数求解
镜像法
镜像法具有读博猜测的成分
可以根据对称性、直觉以及边界条件的基本要求来提高命中精度
像电荷必须位于求解区域
如果区域边界复杂,像电荷还会有自己的像电荷
可能会因此产生无穷多像电荷
当代拉马努金:直接看出格林函数形式
考虑 维无界欧式空间中的泊松方程
其基本解满足格林函数方程
可以暂时不添加边界条件,等需要做决定再添加
未知函数
这里 看成一个固定的参数。用第 8 章的语言:
-函数的傅里叶 (逆) 变换/傅里叶展开
用笛卡尔坐标书写
用第 8 章的符号
坐标平移
傅里叶变换将微分运算转化为代数运算
因为
从而
这个积分的主值确实是
称为红外发散,因为来自低能区 的贡献
格林函数方程是二阶线性常微分方程:有两个积分常数

改用极坐标计算
,
利用 Bessel 函数的积分表示 (下一章节的内容)
得到
红外发散:,呈现对数型发散
其中
代入
去掉发散的 以及调整常数:得到之前的结果
可以!实轴上是单极点

LaTeX 标签层
一维格林函数的性质
一维空间中的格林函数是一个分段线性函数,其中 C,C′ 是常数
常用的基本解选择 C=−21
G(x,x0)=−21∣x−x0∣+C′
关于 x0 对称