\gdef\red#1{{\color{cb8680}{#1}}} \gdef\green#1{{\color{4f8d63}{#1}}} \gdef\gray#1{{\color{gray}{#1}}} \gdef\purple#1{{\color{B189C6}{#1}}} \gdef\orange#1{{\color{dfa04b}{#1}}} \gdef\white#1{{\color{white}{#1}}}

纲要

  • 格林函数的一般概念
  • 稳定场方程的格林函数法
  • 特殊区域上的格林函数
格林函数
格林函数的一般概念

格林函数的一般概念

格林函数
格林函数的一般概念

线性微分算符

  • 线性偏微分方程的抽象形式

    Lu(r,… )=f(r,… )L u(\mathbf{r}, \dots) = f(\mathbf{r}, \dots)

    • uu 是未知、待求函数
    • ff 是已知函数
    • LL 是一个 线性 微分算符:通过对 坐标 r\mathbf{r} 求导的方式作用到函数上
格林函数
格林函数的一般概念

线性微分算符

  • 已经见过的方程

    L波动= ∂2∂t2−a2∇2L输运= ∂∂t−a2∇2L拉普拉斯= −∇2LHelmholtz= −∇2−k2 \begin{align*} L_\text{波动} = & \ \frac{\partial^2}{\partial t^2}- a^2 \nabla^2\\ L_\text{输运} = & \ \frac{\partial}{\partial t}- a^2 \nabla^2\\ L_\text{拉普拉斯} = & \ - \nabla^2\\ L_\text{Helmholtz} = & \ - \nabla^2 - k^2 \end{align*}

格林函数
格林函数的一般概念

线性微分算符

  • LL 是个线性算符

    L(u1+u2)=Lu1+Lu2,L(λu1)=λLu1L(u_1 + u_2) = Lu_1 + Lu_2, \qquad L(\lambda u_1) = \lambda L u_1

    其中 λ\lambda 是任意实数 (其实复数也可以)
  • 哪里见过类似的结构?
  • 线性映射 A:V→VA: V \to V

    A(v1+v2)=Av1+Av2,A(λv1)=λAv1A(v_1 + v_2) = A v_1 + A v_2, \qquad A(\lambda v_1) = \lambda A v_1

格林函数
格林函数的一般概念

线性微分算符

  • (满足一定条件的) 函数形成无穷维的 线性空间 F\mathscr{F}
  • 线性微分算符 LL 其实是一个线性映射:

    L:F→FL: \mathscr{F} \to \mathscr{F}

格林函数
格林函数的一般概念

线性微分算符

  • 给 F\mathscr{F} 提供一套完备基底:

    基底的构造

    直角坐标、正交曲线坐标的分离变量法本质就是通过本征问题构造基底

    • 每个函数 uu 可以表达成无穷行列矢量
    • 每个 LL 可以表达成无穷阶方阵
格林函数
格林函数的一般概念

线性微分算符

  • 大一线性代数:AA 是方阵,怎么求解 Au=fAu = f?

  • 逆矩阵 A−1A^{-1}

    A−1Au=A−1f⇒u=A−1f\green{A^{-1}} A u = \green{A^{-1}} f \quad \Rightarrow \quad u = \green{A^{-1}} f

    逆矩阵的存在性

    假设 A−1A^{-1} 存在;A−1A^{-1} 并不总是存在

    什么时候 A−1A^{-1} 存在? 行列式非零

  • 逆矩阵的核心性质:A−1A=AA−1=IA^{-1} A = A A^{-1} = I

格林函数
格林函数的一般概念

格林函数

  • 把 LL 看成线性映射

  • 什么是 L−1L^{-1}?

  • 定义:微分算符 LL 的逆称为 LL-格林函数 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0),满足 格林函数方程

    LrG(r,r0)=δ(r−r0)L_\green{\mathbf{r}}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

    格林函数方程的注意事项

    • 下标 r\mathbf{r} 强调求导操作是对 r\mathbf{r} 进行的;r0\mathbf{r}_0 是一个固定点

    • 方程右边 δ\delta 关于 r,r0\mathbf{r}, \mathbf{r}_0 对称,但 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 不一定 关于 r,r0\mathbf{r}, \mathbf{r}_0 对称

格林函数
格林函数的一般概念

格林函数

格林函数的唯一性

在没有指定边界条件的情况下,格林函数 不唯一。
若 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 是 LL 的格林函数,考虑任意 LL-调和函数 Φ\Phi 使得 LΦ(r)=0L\Phi(\mathbf{r}) = 0,则

G(r,r0)+Φ(r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) + \Phi(\mathbf{r})

也是 LL 的格林函数。

要确定一个格林函数,需要边界条件。

格林函数
格林函数的一般概念

格林函数

Delta 函数与单位矩阵的类比

δ(r−r0)\delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) 相当于无穷维单位矩阵。它对任意函数的「矩阵乘法」为

格林函数
格林函数的一般概念

格林函数

Delta 函数与单位矩阵的类比

δ(r−r0)\delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) 相当于无穷维单位矩阵。它对任意函数的「矩阵乘法」为

∫drδ(r−r0)u(r)=u(r0) ∼类比 ∑rδr0,rur=ur0 ∼类比 δu=u \begin{align*} \int d\mathbf{r} \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) u(\mathbf{r}) = u(\mathbf{r}_0) \ \stackrel{\purple{\text{类比}}}{\sim} \ \sum_{\mathbf{r}} \delta_{\mathbf{r}_0, \mathbf{r}} u_\mathbf{r} = u_{\mathbf{r}_0} \ \stackrel{\purple{\text{类比}}}{\sim} \ \delta u = u \end{align*}

  • r\mathbf{r} 相当于 u(r)u(\mathbf{r}) 的行指标

  • r0,r\mathbf{r}_0, \mathbf{r} 相当于方阵 δ\delta 的行、列指标: δ(r−r0)=δ(r0−r)\delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) = \delta(\mathbf{r}_0 - \mathbf{r}),δr0,r=δr,r0\delta_{\mathbf{r}_0, \mathbf{r}} = \delta_{\mathbf{r}, \mathbf{r}_0} 是对称矩阵

  • 对 r\mathbf{r} 积分相当于对行列指标求和

格林函数
格林函数的一般概念

格林函数

积分测度

  • 上述积分中的 drd\mathbf{r} 是积分测度 (integration measure),表示对 r\mathbf{r} 的每个分量分别积分,实际上就是 dnrd^n \mathbf{r} 的缩写
格林函数
格林函数的一般概念

基本解

  • 在无界空间上求得的格林函数 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 也称为 基本解 (fundamental solution)

    基本解的选择

    基本解 不唯一,通常选一个最简单、对称性最高的作为基本解

    格林函数和基本解这两个单词经常换着用

格林函数
格林函数的一般概念

基本解

  • 设 GG 是 LL 在无界空间上的基本解

  • 定理:设 uu 满足方程 Lu=fLu = f,则 uu 可以用 ff 与 GG 构造出来,

    u(r)=∫dr0G(r,r0)f(r0)u(\mathbf{r}) = \int d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r}_0)

    从左方作用 LL,进入积分内部,

    Lu=∫dr0LG(r,r0)f(r0)=∫dr0δ(r−r0)f(r0)=f(r)Lu = \int d\purple{\mathbf{r}_0} \orange{L G(\mathbf{r}, \purple{\mathbf{r}_0})} f(\purple{\mathbf{r}_0}) = \int d\purple{\mathbf{r}_0} \orange{\delta(\mathbf{r} - \purple{\mathbf{r}_0})} f(\purple{\mathbf{r}_0}) = f(\mathbf{r})

格林函数
格林函数的一般概念

基本解

积分变量的注意事项

积分是对 r0\mathbf{r}_0 做的,r\mathbf{r} 要留作自由变量被求导

格林函数
格林函数的一般概念

例子:三维空间的静电势问题

  • 三维空间中的电势满足泊松方程:uu 是电势,ρ\rho 是电荷密度

    −∇2u(r)=ρ(r) - \nabla^2 u(\mathbf{r}) = \rho(\mathbf{r})

  • 对应的格林函数方程

    −∇2G(r,r0)=δ(r−r0) - \nabla^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

    右边 ρ(r)=δ(r−r0)\rho(\mathbf{r}) = \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) 描述 r0\mathbf{r}_0 处一个单位点电荷的电荷密度

格林函数
格林函数的一般概念

例子:三维空间的静电势问题

  • 基本解

    G(r,r0)=14π∣r−r0∣ G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \frac{1}{4\pi |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}

    就是 r0\mathbf{r}_0 处单位点电荷在 r\mathbf{r} 处产生的电势。

    格林函数又称为点源影响函数

格林函数
格林函数的一般概念

例子:三维空间的静电势问题

  • 泊松方程的解

    u(r)=∫dr0G(r,r0)ρ(r0)=∫dr014π∣r−r0∣ρ(r0)u(\mathbf{r}) = \int d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \rho(\mathbf{r}_0) = \int d\mathbf{r}_0 \frac{1}{4\pi |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|} \rho(\mathbf{r}_0)

    电势叠加原理

    G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 第二个自变量控制“源”位置,第一个自变量控制“势能测量点”位置。

    对源点位置 r0\mathbf{r}_0 求积分:把所有点电荷的贡献叠加起来

格林函数
格林函数的一般概念

格林函数

格林函数
稳定场方程的格林函数法

稳定场方程的格林函数法

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 考虑无界空间中的泊松方程 (注意 符号)

    −∇2u(r)=f(r) - \nabla^2 u(\mathbf{r}) = f(\mathbf{r})

    解的非唯一性

    • 如果不指定边界条件,上述方程的解有 无穷多个
    • 若 uu 是一个解,则可以考虑任意调和函数 u0u_0,使得 ∇2u0=0\nabla^2 u_0 = 0,那么 u+u0u + u_0 也是一个解。调和函数有 无穷多个
格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 考虑无界空间中 (−∇2)(-\nabla^2)-格林函数,满足如下微分方程

    ∇r2G(r,r0)=−δ(r−r0) \nabla^2_\mathbf{r} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

    • 注意求导是对 GG 的第一变量做的。一般来说,

      ∇rG(r,r0)≠∇r0G(r,r0)≠∇rG(r0,r) \nabla_\mathbf{r}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \ne \nabla_{\mathbf{r}_0}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \ne \nabla_\mathbf{r}G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})

      因此,

      ∇r02G(r,r0)≠−δ(r−r0)\nabla_{\mathbf{r}_0}^2G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \ne - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

    • 但是肯定有 ∇r02G(r0,r)=δ(r0−r)=∇r2G(r,r0)\nabla_{\mathbf{r}_0}^2 G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r}) = \delta(\mathbf{r}_0 - \mathbf{r}) = \nabla_{\mathbf{r}}^2G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)
格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 不同空间维度的格林函数具有截然不同的形式
  • 定理:三维无界空间中 (−∇2)(-\nabla^2) 的满足自然边界条件 G(r→∞,r0)=0G(\mathbf{r} \to \infty, \mathbf{r_0})=0 的基本解为

    G(r,r0)=14π∣r−r0∣ G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \frac{1}{4\pi |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

三维基本解的物理意义

  • 其实就是三维空间中孤立的一个 r0\mathbf{r}_0 处 电量 11 的点电荷在周围产生的电势函数:周围没有 任何其它自由电荷或感应电荷,并要求电势在无穷远处为零。
  • 该基本解具有 绕 r0\mathbf{r}_0 的 空间旋转对称性。
格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

三维基本解的证明

  • 直接求导,

    ∇2G=∇2(14π∣r−r0∣)\nabla^2 G = \nabla^2 \left({\frac{1}{4\pi |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}}\right)

  • 重新定义 R≔r−r0\mathbf{R} \coloneqq \mathbf{r} - \mathbf{r}_0,∣R∣=R|\mathbf{R}| = \green{R},则 ∇R=∇r\nabla_\mathbf{R} = \nabla_\mathbf{r}

    ∇r2G=∇R2(14πR)=1R2ddR(R2ddR(14πR))+0\nabla^2_\mathbf{r} G = \nabla^2_\mathbf{R} \left({\frac{1}{4\pi \green{R}}}\right) = \frac{1}{R^2} \frac{d}{d R} \left(R^2 \frac{d}{d R} \left({\frac{1}{4\pi R}}\right)\right) + 0

  • 当 R≠0\mathbf{R} \ne 0,上式为零,与定理一致,因 δ(R≠0)=0\delta(\mathbf{R} \ne 0) = 0
格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

三维基本解的证明

  • 但是在 R=0\mathbf{R} = 0,即 r=r0\mathbf{r} = \mathbf{r}_0 的地方,上面的计算有问题,因为有奇性。

  • 把 GG 看成点电荷产生的电势,则 ∇u∼E\nabla u \sim \mathbf{E},∇2u∼∇⋅E\nabla^2 u \sim \nabla \cdot \mathbf{E}。

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

三维基本解的证明

  • 仿照静电学计算电通量、高斯公式,在 r0\mathbf{r}_0 处、半径为 ϵ\epsilon 的球体 Bϵ3B_\epsilon^3 上积分

    ∫Bϵ3∇r2G(r,r0)dr= ∫Bϵ3∇R⋅(∇R14πR)dR=∫Sϵ2∇R(14πR)⋅dS= −∫Sϵ2eR4πR2⋅dS=−1\begin{align*} \int_{B_\epsilon^3}\nabla^2_\mathbf{r} \orange{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}d\mathbf{r} = & \ \int_{B_\epsilon^3} \nabla_\mathbf{R} \cdot \left(\nabla_\mathbf{R} \orange{\frac{1}{4\pi R}}\right) d\mathbf{R} = \int_{S_\epsilon^2} \nabla_\mathbf{R} \left({\frac{1}{4\pi R}}\right) \cdot d\mathbf{S}\\ = & \ - \int_{S_\epsilon^2} \frac{\mathbf{e}_R}{4\pi R^2} \cdot d\mathbf{S} = -1 \end{align*}

    结果与半径 ϵ\epsilon 无关,与定理也一致。
格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 定理:二维无界空间中 (−∇2)(-\nabla^2) 、满足边界 G(r,r0)∣∣r−r0∣=1=0G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\Big|_{|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| = 1} = 0 的基本解为

    G(r,r0)=−12πln⁡∣r−r0∣ G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \frac{1}{2\pi} \ln |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|

    二维基本解的性质

    • −12πln⁡∣r−r0∣- \frac{1}{2\pi}\ln |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| 具有平面内绕 r0\mathbf{r}_0 的 旋转对称性
    • 二维泊松方程格林函数的 r→r0\mathbf{r} \to \mathbf{r}_0 奇性 比三维泊松方程格林函数要 弱
  • 什么静电场系统具有这样的电势? 无限长均匀带电直线

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 定义 R=r−r0\mathbf{R} = \mathbf{r} - \mathbf{r}_0,R=∣R∣R = |\mathbf{R}|
  • 对于 R≠0\mathbf{R} \ne 0

    ∇2G=∇2(−12πln⁡R)=−12π1RddR(RddRln⁡R)=0\nabla^2 G = \nabla^2 \left({- \frac{1}{2\pi} \ln R}\right) = - \frac{1}{2\pi} \frac{1}{R} \frac{d}{dR} \left({R \frac{d}{dR} \ln R}\right) = 0

  • 对于 R=0\mathbf{R} = 0,仿照二维静电学,在 r0\mathbf{r}_0 处半径为 ϵ\epsilon 的小圆盘 Bϵ2B^2_\epsilon 上积分,

    ∫Bϵ2∇2Gdr= ∫Bϵ2∇R⋅∇R(−12πln⁡R)dR=∫Sϵ1∇R(−12πln⁡R)⋅dl= −∫Sϵ1eR2πR⋅dl=−1\begin{align*} \int_{B_\epsilon^2} \nabla^2 \orange{G} d\mathbf{r} = & \ \int_{B_\epsilon^2} \nabla_\mathbf{R} \cdot \nabla_\mathbf{R} \left(\orange{\frac{-1}{2\pi}\ln R}\right) d\mathbf{R} = \int_{S_\epsilon^1} \nabla_\mathbf{R} \left({\frac{-1}{2\pi}\ln R}\right) \cdot d\mathbf{l}\\ = & \ - \int_{S_\epsilon^1} \frac{\mathbf{e}_R}{2\pi R} \cdot d\mathbf{l} = -1 \end{align*}

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 定理 一维无界空间中 (−∇2)(-\nabla^2) 的格林函数为

    G(x,x0)=−(x−x0)θ(x−x0)−C(x−x0)−C′ G(x, x_0) = - (x - x_0)\theta(x - x_0) - C (x - x_0) - C'

    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′C, C' 是常数

    • 常用的基本解选择 C=−12C = - \frac{1}{2}

      G(x,x0)=−12∣x−x0∣+C′ G(x, x_0) = - \frac{1}{2} |x - x_0| + C'

      关于 x0x_0 对称

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

求一维 ∇2\nabla^2-格林函数。

  • 一维 ∇2=d2dx2\nabla^2 = \frac{d^2}{dx^2}。因此寻找函数 G(x,x0)G(x, x_0) 满足

    d2dx2G(x,x0)=−δ(x−x0)\frac{d^2}{dx^2} G(x, x_0) = - \delta(x - x_0)

  • 显然,Heaviside 函数 θ(x−x0)\theta(x - x_0) 是 δ(x−x0)\delta(x - x_0) 的一个原函数。因此,

    −ddxG(x,x0)=θ(x−x0)+C- \frac{d}{dx}G(x, x_0) = \theta(x - x_0) + C

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

证明

  • 进一步积分

    −G(x,x0)=C(x−x0)+∫θ(x−x0)dx+C′- G(x, x_0) = C(x - x_0) + \int \theta(x - x_0) dx + C'

  • θ\theta 的原函数是什么?
  • 原函数是

    ∫θ(x)dx=xθ(x)\int \theta(x) dx = x \theta(x)

格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

  • 利用 xδ(x)=0x \delta(x) = 0,可以得到

    −G(x−x0)=(x−x0)θ(x−x0)+C(x−x0)+C′- G(x - x_0) = (x - x_0)\theta(x - x_0) + C (x - x_0) + C'

  • 当 C=−1/2C = -1/2,

    G(x−x0)=−12∣x−x0∣+C′G(x - x_0) = - \frac{1}{2} |x - x_0| + C'

  • 没有满足自然边界条件的解
格林函数
稳定场方程的格林函数法

Laplace 算符格林函数

格林函数
稳定场方程的格林函数法

第一格林公式

  • 第一格林公式:考虑二维平面上的区域 DD 上的函数 u,vu, v 在 D‾\overline{D} 上有连续一阶偏导,则

    ∫D(∂Q∂x−∂P∂y)dr=∮∂D(Pdx+Qdy) \int_D \bigg(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\bigg) d\mathbf{r} = \oint_{\partial D} (Pdx + Q dy)

格林函数
稳定场方程的格林函数法

第二格林公式

  • 格林公式有一个推广
  • 第二格林公式:考虑 nn 维空间 中区域 DD 上的函数 u,vu, v,若二阶偏导数存在且连续,在 D‾\overline{D} 上有连续一阶偏导,则

    ∫Ddr(u∇2v−v∇2u)=∮∂DdS⋅(u∇v−v∇u)=∮∂DdS(u∂v∂n−v∂u∂n) \int_D d\mathbf{r} \left({u \nabla^2 v - v \nabla^2 u}\right) = \oint_{\partial D} \orange{d \mathbf{S}} \cdot \left({u \nabla v - v \nabla u}\right) = \oint_{\partial D} dS \left({u\frac{\partial v}{\partial \mathbf{n}}- v\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}} }\right)

    其中 n\purple{\mathbf{n}} 是 边界 S≔∂DS \coloneqq \partial D 的法向量,dS=ndS\orange{d \mathbf{S}} = \purple{\mathbf{n}} dS 是无穷小的有向体积 (面积) 元,并简记

    ∂f∂n≔∇f⋅n\green{\frac{\partial f}{\partial \mathbf{n}} \coloneqq \nabla f \cdot \mathbf{n}}

格林函数
稳定场方程的格林函数法

第二格林公式

证明第二格林公式

  • 梯度、散度的定义,

    ∇⋅(u∇v)=∇u⋅∇v+u∇2v,∇⋅(v∇u)=∇v⋅∇u+v∇2u\nabla \cdot (u \nabla v) = \red{\nabla u \cdot \nabla v} + \orange{u \nabla^2 v}, \qquad \nabla \cdot (v \nabla u) = \red{\nabla v \cdot \nabla u} + \orange{v \nabla^2 u}

  • 作差

    u∇2v−v∇2u=∇⋅(u∇v−v∇u) \orange{u \nabla^2 v} - \orange{v \nabla^2 u} = \nabla \cdot (\purple{u \nabla v - v \nabla u})

  • 结合 高斯定理 即可,

    ∫D(u∇2v−v∇2u)dr=∮S(u∇v−v∇u)⋅ndS=∮S(u∂v∂n−v∂u∂n)dS\int_D (u \nabla^2 v - v \nabla^2 u) d\mathbf{r} = \oint_{S} (\purple{u \nabla v - v \nabla u}) \cdot \mathbf{n} dS = \oint_{S} \left({u \frac{\partial v}{\partial \mathbf{n}} - v \frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}}\right) dS

格林函数
稳定场方程的格林函数法

第二格林公式

  • 第二格林公式相当于针对整个微分算符 ∇2\nabla^2 的分部积分

    ∫Ddru(∇2v)=∫Ddr(∇2u)v+∮∂DdS⋅(u∇v−(∇u)v)\int_D d \mathbf{r} u (\nabla^2 v) = \int_D d \mathbf{r} (\nabla^2 u)v + \oint_{\partial D} d \mathbf{S} \cdot (u \nabla v - (\nabla u) v)

    与一维分部积分的对比

    对比

    ∫x1x2udvdxdx=∫x1x2dudxvdx+(uv)∣x1x2 \int_{x_1}^{x_2} u \frac{dv}{dx} dx = \int_{x_1}^{x_2} \frac{du}{dx} v dx + (u v)\bigg|_{x_1}^{x_2}

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题

  • 考虑有界区域 DD 上泊松方程 + 第一类边界条件问题

    −∇2u(r)=f(r),r∈D,u(r)∣r∈S=φ(r) .- \nabla^2 u(\mathbf{r}) =f(\mathbf{r}), \quad \mathbf{r} \in D, \qquad u(\mathbf{r})\big|_{\mathbf{r} \in S} = \varphi(\mathbf{r}) \ .

  • 方程非齐次,边界条件非齐次
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题

  • 利用线性性:分拆成两个更简单的问题
  • 非齐次方程 + 齐次边界

    −∇2u1(r)=f(r),r∈D,u1(r)∣S=0- \nabla^2 u_1(\mathbf{r}) = f(\mathbf{r}), \quad \mathbf{r} \in D, \qquad u_1(\mathbf{r})\big|_{S} = 0

  • 齐次方程 + 非齐次边界

    −∇2u2(r)=0,r∈D,u2(r)∣r∈S=φ(r)- \nabla^2 u_2(\mathbf{r}) = 0, \quad \mathbf{r} \in D, \qquad u_2(\mathbf{r})\big|_{\mathbf{r} \in S} = \varphi(\mathbf{r})

  • 显然,u=u1+u2u = u_1 + u_2 满足非齐次方程和非齐次边界条件
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题

  • 求解非齐次方程 + 齐次边界

    −∇2u1(r)=f(r), r∈D,u1(r)∣S=0- \nabla^2 u_1(\mathbf{r}) = f(\mathbf{r}), \ \mathbf{r} \in D, \qquad u_1(\mathbf{r})\big|_{S} = 0

  • 考虑满足第一类 齐次 边界条件的格林函数 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)

    ∇2G(r,r0)=−δ(r−r0),r,r0∈D,G(r,r0)∣r∈S=0 .\nabla^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0), \quad \mathbf{r}, \red{\mathbf{r}_0} \in D, \qquad G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\big|_{\mathbf{r} \in S} = 0 \ .

    • 满足第一类齐次边界条件的格林函数在物理上怎么理解?
    • 相当于在 r0∈D\mathbf{r}_0 \in D 处有一个单位点源,同时边界 ∂D\partial D 接地 (电势为零) 共同作用下,在 r∈D\mathbf{r} \in D 处诱发的电势分布
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题

  • 获得同时满足方程和边界条件的解

    u1(r)=∫Ddr0G(r,r0)f(r0)u_1(\mathbf{r}) = \int_D d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r}_0)

    积分变量

    注意,积分是对 r0\mathbf{r}_0 做的。r0\mathbf{r}_0 既出现在 GG 中,也出现在 ff 中。

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 求解齐次方程 + 非齐次边界条件

    ∇2u2(r)=0, r∈D,u2(r)∣S=φ(r)\nabla^2 u_2(\mathbf{r}) = 0, \ \mathbf{r} \in D, \qquad u_2(\mathbf{r})\big|_{S} = \red{\varphi(\mathbf{r})}

  • 非齐次边界的分离变量问题,第一步是什么?
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 把边界条件齐次化:选择 函数 v(r)v(\mathbf{r})

    u2′(r)=u2(r)−v(r),v(r)∣∂D=φ(r)⇒−∇2u2′(r)=∇2v(r), r∈D,u2′(r)∣∂D=0\begin{align*} u'_2(\mathbf{r}) = u_2(\mathbf{r}) - v(\mathbf{r}), \qquad \green{v(\mathbf{r})|_{\partial D} = \varphi(\mathbf{r})} \\ \\ \Rightarrow\qquad - \nabla^2 u'_2(\mathbf{r}) = \purple{\nabla^2 v(\mathbf{r})}, \ \mathbf{r}\in D ,\qquad \orange{u'_2(\mathbf{r})|_{\partial D} = 0} \end{align*}

  • 利用上述第一类齐次边界的格林函数 GG,得到 G(r,r0)∣r∈S=0G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)|_{\mathbf{r} \in S} = 0 以及

    u2′(r)=∫Ddr0G(r,r0)∇r02v(r0),u2(r)=u2′(r)+v(r)u'_2(\mathbf{r}) = \int_D d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \purple{\nabla_{\mathbf{r}_0}^2 v(\mathbf{r}_0)}, \qquad u_2(\mathbf{r}) = u_2'(\mathbf{r}) + v(\mathbf{r})

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 求解并没有结束
  • vv 不是题设中已知的函数:我们希望用题设已知的边界值 φ\varphi 来表示 u2u_2
  • 结果 显式依赖 vv:但预期最终解 u2u_2 不依赖于 vv 的具体选择
  • 进一步加工
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 利用第二格林公式 将 ∇r02\nabla_{\mathbf{r}_0}^2 移动到 GG 上,得到三项

    u2′(r)= ∫Ddr0v(r0)∇r02G(r,r0) +∮∂DdS0(G(r,r0)∇r0v(r0)−v(r0)∇r0G(r,r0))⋅n\begin{align*} u_2'(\mathbf{r}) = & \ \int_D d\mathbf{r}_0 v(\mathbf{r}_0)\nabla_{\mathbf{r}_0}^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\\ & \ + \oint_{\partial D} dS_0 \Big({G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \nabla_{\mathbf{r}_0} v(\mathbf{r}_0) - \purple{v(\mathbf{r}_0)} \nabla_{\mathbf{r}_0} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}\Big) \cdot \mathbf{n} \end{align*}

    体积分里,是对 GG 的第二个变量 r0\mathbf{r}_0 求导

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 好像更复杂了

  • 转机:本情况下,格林函数 GG 具有对称性

    G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})

    稍后证明

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 体积分项: 对称性 G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \purple{ G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})} 以及格林函数方程,

    ∫Ddr0v(r0)∇r02G(r0,r)=−∫Ddr0v(r0)δ(r0−r)=−v(r)\int_D d\mathbf{r}_0 v(\mathbf{r}_0)\nabla_{\mathbf{r}_0}^2 \purple{G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})} = - \int_D d\mathbf{r}_0 v(\mathbf{r}_0) \delta(\mathbf{r}_0 - \mathbf{r}) = \red{- v(\mathbf{r})}

  • 第一个边界项为: 对称性 G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r}),以及 G(r,r0)∣r∈S=0G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)|_{\mathbf{r}\in S} = 0,得到

    G(r0,r)∣r0∈S=0⇒∮∂DdS0G(r,r0)∇r0v(r0)⋅n=0G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})|_{\mathbf{r}_0 \in S} = 0 \quad\Rightarrow\quad \oint_{\partial D} dS_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \nabla_{\mathbf{r}_0} v(\mathbf{r}_0) \cdot \mathbf{n} = 0

  • 第二个边界项积分内的因子 v(r0∈S)=φ(r0)\purple{v(\mathbf{r}_0 \in S)} = \varphi(\mathbf{r}_0)
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 得到

    u2′(r)=−v(r)−∮dS0φ(r0)∇r0G(r,r0)u'_2(\mathbf{r}) = - v(\mathbf{r}) - \oint dS_0 \varphi(\mathbf{r}_0) \nabla_{\mathbf{r}_0} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 总结:齐次方程 + 非齐次边界条件的解为

    u2(r)=u2′(r)+v(r)= −v(r)−∮∂Dv(r0)∇r0G(r,r0)⋅ndS0+v(r)= −∮φ(r0)∂G(r,r0)∂n0dS0\begin{align*} u_2(\mathbf{r}) = u'_2(\mathbf{r}) + \green{v(\mathbf{r})} = & \ \red{- v(\mathbf{r})} - \oint_{\partial D} \purple{v(\mathbf{r}_0)} \orange{\nabla_{\mathbf{r}_0}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \cdot \mathbf{n} dS_0} + \green{v(\mathbf{r})}\\ = & \ - \oint \purple{\varphi(\mathbf{r}_0)} \orange{\frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_0}dS_0} \end{align*}

    物理解释

    边界势 φ\varphi 在边界 SS 诱发 表面电偶极矩 D=φD = \varphi,并在 r\mathbf{r} 处诱发的响应函数 ∂G(r,r0)/∂n0\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)/\partial \mathbf{n}_0 的叠加

格林函数
稳定场方程的格林函数法

格林函数的对称性

  • 对称性定理:−∇2-\nabla^2 的齐次第一类边界格林函数具有对称性

    G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})

    • 对于其他微分算符、其他边界条件,不一定具有对称性。
    • 类比:A 发出声音可以被 B 听到,但 B 发出声音不一定能被 A 听到
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 两个子问题的解

    齐次边界:u1(r)= ∫Ddr0G(r,r0)f(r0)非齐次边界:u2(r)= −∮∂Dφ(r0)∂G(r,r0)∂n0dS0\begin{align*} \small{\text{齐次边界:}}u_1(\mathbf{r}) = & \ \int_D d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r}_0)\\ \small{\text{非齐次边界:}}u_2(\mathbf{r}) = & \ - \oint_{\partial D} \varphi(\mathbf{r}_0) \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_0}dS_0 \end{align*}

  • 泊松方程第一边值问题的解

    u(r)=u1(r)+u2(r)=∫Ddr0G(r,r0)f(r0)−∮∂Dφ(r0)∂G(r,r0)∂n0dS0\begin{align*} u(\mathbf{r}) = u_1(\mathbf{r}) + u_2(\mathbf{r}) = \int_D d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r}_0) - \oint_{\partial D} \varphi(\mathbf{r}_0) \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_0}dS_0 \end{align*}

格林函数
稳定场方程的格林函数法

格林函数的对称性

证明对称性

  • 作差,针对第一自变量替换为 δ\delta 函数积分,

     G(r,r0)−G(r0,r)= ∫Ddr1G(r1,r0)δ(r1−r)−∫Ddr1G(r1,r)δ(r1−r0)\begin{align*} & \ G(\purple{\mathbf{r}}, \mathbf{r}_0) - G(\purple{\mathbf{r}_0}, \mathbf{r}) \\ = & \ \int_D d\mathbf{r}_1 G(\red{\mathbf{r}_1}, \mathbf{r}_0) \delta(\red{\mathbf{r}_1} - \purple{\mathbf{r}}) - \int_D d\mathbf{r}_1 G(\red{\mathbf{r}_1}, \mathbf{r}) \delta(\red{\mathbf{r}_1} - \purple{\mathbf{r}_0})\\ \end{align*}

    第一项 r↔r0\mathbf{r} \leftrightarrow \mathbf{r}_0 就得到第二项

格林函数
稳定场方程的格林函数法

格林函数的对称性

证明对称性

  • 利用格林函数微分方程 δ(r1−r)=−∇r12G(r1,r)\delta(\mathbf{r}_1 - \mathbf{r}) = - \nabla^2_{\mathbf{r}_1}G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}),

    =−[∫Ddr1G(r1,r0)∇r12G(r1,r)−∫Ddr1G(r1,r)∇r12G(r1,r0)] = - \left[{\int_D d\mathbf{r}_1 G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_0) \nabla_{\red{\mathbf{r}_1}}^2G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}) - \int_D d\mathbf{r}_1 G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}) \nabla_{\red{\mathbf{r}_1}}^2 G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_0)}\right]

格林函数
稳定场方程的格林函数法

格林函数的对称性

  • 利用第二格林公式,

    =−∫∂DdS1(G(r1,r0)∇r1G(r1,r)−G(r1,r)∇r1G(r1,r0))⋅n= - \int_{\partial D} \purple{dS_1} \Big({\red{G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_0)} \nabla_{\mathbf{r}_1} G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}) - \red{G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r})} \nabla_{\mathbf{r}_1} {G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_0)}}\Big) \cdot \mathbf{n}

    dS1\purple{dS_1} 强调的是 r1\red{\mathbf{r}_1} 在 SS 上的积分
  • GG 满足齐次第一类边界条件,当 r1∈S\mathbf{r}_1\in S 时候,G(r1,r0)=G(r1,r)=0\red{G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_0)} = \red{G(\mathbf{r}_1, \mathbf{r})} = 0,

    G(r,r0)−G(r0,r)=0G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) - G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r}) = 0

    对称性得证
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

  • 讲义上提供泊松方程第一边值问题另一种解法

    第二解法

    • 设 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 满足格林函数方程以及第一类齐次边界条件

      ∇r2G(r,r0)=−δ(r−r0), r∈D,G(r,r0)∣r∈S=0\orange{\nabla_\mathbf{r}^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)} = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0), \ \mathbf{r} \in D, \qquad G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\bigg|_{\mathbf{r} \in S} = 0

    • 结合 uu 所满足的泊松方程,可以得到

      G(r,r0)∇r2u(r)−u(r)∇r2G(r,r0)=−G(r,r0)f(r)+u(r)δ(r−r0)\purple{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\nabla^2_\mathbf{r}u(\mathbf{r})} - \orange{u(\mathbf{r})\nabla_\mathbf{r}^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)} = \purple{- G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r})} + \orange{u(\mathbf{r}) \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) }

      两项涉及 r\mathbf{r} 的二阶导
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

第二解法

  • 对 r\red{\mathbf{r}} 在 DD 上积分,

    ∫D[G(r,r0)∇r2u(r)−u(r)∇r2G(r,r0)]dr=−∫DG(r,r0)f(r)dr+u(r0)\int_D \left[{\purple{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\nabla^2_\mathbf{r}u(\mathbf{r})} - \orange{u(\mathbf{r})\nabla_\mathbf{r}^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}}\right]d\mathbf{r} = - \int_D G(\mathbf{r},\mathbf{r}_0) f(\mathbf{r}) d\mathbf{r} + u(\mathbf{r}_0)

  • 左边利用第二格林公式,

    ∮∂DdS⋅[G(r,r0)∇ru(r)−u(r)∇rG(r,r0)]+∫DG(r,r0)f(r)dr=u(r0)\oint_{\partial D} d\mathbf{S} \cdot \Big[{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \nabla_\mathbf{r} u(\mathbf{r}) - u(\mathbf{r}) \nabla_\mathbf{r} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}\Big] + \int_D G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r})d\mathbf{r} = u(\mathbf{r}_0)

格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

第二解法

  • 重写 ∇ru(r)⋅dS=∂u/∂n\nabla_\mathbf{r} u(\mathbf{r})\cdot d\mathbf{S} = \partial u/\partial \mathbf{n}

    u(r0)=∫DG(r,r0)f(r)dr+∮∂DdS[G(r,r0)∂u(r)∂n−u(r)∂G(r,r0)∂n]u(\mathbf{r}_0) = \int_D \orange{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)} f(\mathbf{r})d\mathbf{r} + \oint_{\partial D} dS \Big[ \red{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)} \frac{\partial u(\mathbf{r})}{\partial \mathbf{n}} - \purple{u(\mathbf{r})} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}}\Big]

  • 利用 GG 的齐次边界条件 G(r,r0)∣r∈S=0\red{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)|_{\mathbf{r} \in S} = 0},以及 uu 的非齐次边界条件,

    u(r0)=∫DG(r,r0)f(r)dr+∮∂DdS[−φ(r)∂G(r,r0)∂n]u(\mathbf{r}_0) = \int_D \orange{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)} f(\mathbf{r})d\mathbf{r} + \oint_{\partial D} dS \Big[ - \purple{\varphi(\mathbf{r})} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}} \Big]

    这里要注意:积分是对第一自变量 “场点” r\mathbf{r} 进行的
格林函数
稳定场方程的格林函数法

泊松方程第一边值问题的格林函数解法

第二解法

  • 由于 GG 满足齐次第一类边界条件,具有对称性 G(r,r0)=G(r0,r)\orange{G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)} = \orange{G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})}

    u(r0)=∫DG(r0,r)f(r)dr−∮∂Dφ(r)∂G(r0,r)∂ndSu(\mathbf{r}_0) = \int_D \orange{G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})} f(\mathbf{r})d\mathbf{r} - \oint_{\partial D} \varphi(\mathbf{r}) \frac{\partial \orange{G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})}}{\partial \mathbf{n}}dS

  • 最后交换 r0\mathbf{r}_0 和 r\mathbf{r} 两个变量名,

    u(r)=∫DG(r,r0)f(r0)dr0−∮∂Dφ(r0)∂G(r,r0)∂n0dS0u(\mathbf{r}) = \int_D G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) f(\mathbf{r}_0)d\mathbf{r}_0 - \oint_{\partial D} \varphi(\mathbf{r}_0) \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_0}dS_0

格林函数
特殊区域上的格林函数

特殊区域上的格林函数

格林函数
特殊区域上的格林函数

特殊区域上的格林函数

  • 泊松方程的求解关键在于获取满足齐次第一类边界的格林函数
  • 下面介绍几种简单区域内的格林函数的构造
  • 球内
  • 上半平面
  • 圆内
格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 半径 aa 的球 内 Laplace 方程第一边值问题

    ∇2u(r)=0,r<a,u(r)∣r=a=f(θ,φ)\nabla^2 u(\mathbf{r}) = 0, \quad r < a, \qquad u(\mathbf{r})\big|_{r = a} = f(\theta, \varphi)

  • 需要先求相应的格林函数

    ∇2G(r,r0)=−δ(r−r0),r,r0<a,G(r,r0)∣r=a=0\nabla^2 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0), \quad r, r_0 < a, \qquad G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\big|_{r = a} = 0

  • 这个 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 会等于基本解 1/4π∣r−r0∣1/4\pi|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| 吗?
格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 想象 GG 为某种电势
  • 「基本解」刻画无界空间中 r0\mathbf{r}_0 处单位点电荷在 r\mathbf{r} 处产生的电势
  • 这里的 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 怎么理解?第一类齐次边界条件如何用物理语言理解?
    接地金属导体球壳
  • 球壳内部的电势有哪些贡献?
    • r0\mathbf{r}_0 处点电荷
    • 导体球壳内表面的感应电荷
格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 感应电荷怎么求?
格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 太难了,不知道怎么直接求

    知之为知之,不知为不知。是知也。

    ——孔子《论语·为政》

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 通过镜像法构建 等效感应电荷

  • 在球外放置一个或多个假想的点电荷,与 r0\mathbf{r}_0 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 不用再考虑 诱导电荷

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 为什么要在球外放置假想电荷,而不是球内?

  • 尝试单一像电荷 qq:与物理点电荷位于球心共线同侧,位置为 r0′\mathbf{r}'_0

    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 qq 和具体位置 ∣r0′∣|\mathbf{r}_0'| 还需要通过边界条件来确定

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 真实电荷和假想电荷在球内 r\mathbf{r} 处的电势

    g(r,r0)=14π∣r−r0∣+q4π∣r−r0′∣,∣r∣≤a,∣r0′∣>ag(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \purple{\frac{1}{4\pi|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}} + \frac{q}{4\pi|\mathbf{r} - \mathbf{r}'_0|}, \qquad |\mathbf{r}| \le a, \quad |\mathbf{r}_0'| > a

    第一项是 基本解,第二项是对基本解的修正:为了满足边界条件

  • 该电势函数显然满足球内格林函数方程

    ∇r2g(r,r0)=−δ(r−r0),∣r∣<a\nabla^2_\mathbf{r} g(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0), \qquad |\mathbf{r}|< a

    why?

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 写成三角函数的组合

    g(r,r0)=14πr2+r02−2rr0cos⁡ψ+q4πr2+(r0′)2−2rr0′cos⁡ψg(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \frac{1}{4\pi\sqrt{r^2 + r_0^2 - 2 \green{r r_0 \cos \psi}}} + \frac{q}{4\pi\sqrt{r^2 + (r'_0)^2 - 2 r r_0' \cos \psi}}

    距离可以写成矢量差的平方,

    ∣r−r0∣=(r−r0)⋅(r−r0)=r2+r02−2r⋅r0 |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| = \sqrt{(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)\cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)} = \sqrt{\mathbf{r}^2 + \mathbf{r}_0^2 - 2 \mathbf{r} \cdot \mathbf{r}_0}

    结合 r⋅r0=rr0cos⁡ψ\green{\mathbf{r} \cdot \mathbf{r}_0 = r r_0 \cos \psi},以及 r⋅r0′=rr0′cos⁡ψ\mathbf{r} \cdot \mathbf{r}_0' = r r_0' \cos \psi

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 边界电势 r=ar = a

    g(r,r0)∣r=a=14πa2+r02−2ar0cos⁡ψ+q4πa2+(r0′)2−2ar0′cos⁡ψ g(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\big|_{r = a} = \frac{1}{4\pi\sqrt{a^2 + r_0^2 - 2 a r_0 \cos \psi}} + \frac{q}{4\pi\sqrt{a^2 + (r'_0)^2 - 2 a r_0' \cos \psi}}\\

  • 分别分离 r0r_0, aa

    =14πr01+a2/r02−2(a/r0)cos⁡ψ+q4πa1+(r0′)2/a2−2(r0′/a)cos⁡ψ= \frac{1}{4\pi \red{r_0} \sqrt{\orange{1} + \green{a^2/r_0^2} - 2 (\green{a/r_0}) \orange{\cos \psi}}} + \frac{q}{4\pi \red{a} \sqrt{\orange{1} + \green{(r'_0)^2/a^2} - 2 (\green{r_0'/a}) \orange{\cos \psi}}}

  • 并不 显然下面条件能使得 g(r∈S2,r0)=0g(\mathbf{r} \in S^2, \mathbf{r}_0)=0

    qa=−1r0,ar0=r0′a⇒g(r,r0)∣r=a=0\frac{q}{\red{a}} = - \frac{1}{\red{r_0}}, \quad \green{\frac{a}{r_0}} = \green{\frac{r_0'}{a}}\quad \Rightarrow \quad g(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)\Big|_{r = a} = 0

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

像电荷的性质

  • ∣q∣=a/r0>1|q| = a/r_0 > 1,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

  • r0′\mathbf{r}_0' 称为 r0\mathbf{r}_0 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

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 球内满足齐次第一类边界的格林函数 G(r,r0)=g(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = g(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)

    G(r,r0)= 14πr2+r02−2rr0cos⁡ψ−a4πr0r2+(a2/r0)2−2ra2/r0cos⁡ψ= 14πr2+r02−2rr0cos⁡ψ−a4πr2r02+a4−2rr0a2cos⁡ψ\begin{align*} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = & \ \frac{1}{4\pi \sqrt{r^2 + r_0^2 - 2 r r_0 \cos \psi}} - \frac{a}{4\pi r_0 \sqrt{r^2 + (a^2/r_0)^2 - 2 r a^2/r_0 \cos \psi}}\\ = & \ \frac{1}{4\pi \sqrt{r^2 + r_0^2 - 2 r r_0 \cos \psi}} - \frac{a}{4\pi \sqrt{r^2r_0^2 + a^4 - 2 r r_0 a^2 \cos \psi}}\\ \end{align*}

    验证 G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

感应电荷分布

  • r0\mathbf{r}_0 处的物理电荷在导体内表面诱导感应电荷:面密度

    σ(r∈S)=−∂g(r,r0)∂n朝内∣r=a= +∂g(r,r0)∂r∣r=a= r02−a24πa(a2+r02−2ar0cos⁡ψ)3/2\begin{align*} \sigma(\mathbf{r} \in S) = - \frac{\partial g(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_\text{朝内}}\bigg|_{r = a} = & \ + \frac{\partial g(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial r}\bigg|_{r = a}\\ = & \ \frac{r_0^2 - a^2}{4\pi a(a^2 + r_0^2 - 2ar_0 \cos \psi)^{3/2}} \end{align*}

  • 总感应电荷量与物理点源大小相同符号相反

    ∫dSσ=∫σa2sin⁡ψdψdφ=−1 \int dS \sigma = \int \sigma a^2 \sin \psi d\psi d\varphi = \red{-1}

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

  • 球内解,r0=r0(θ0,ϕ0)\mathbf{r}_0 = \mathbf{r}_0(\theta_0, \phi_0)

    u(r)= (−)a2∮sin⁡θ0dθ0dϕ0∂G(r,r0)∂n0f(θ0,ϕ0)= a(a2−r2)4π∮dθ0dϕ0sin⁡θ0f(θ0,ϕ0)(a2+r2−2arcos⁡ψ)3/2\begin{align*} u(\mathbf{r}) = & \ (-) a^2 \oint \sin\theta_0 d\theta_0 d\phi_0 \red{\frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_0}} f(\theta_0, \phi_0)\\ = & \ \frac{a(a^2 - r^2)}{4\pi} \oint d\theta_0 d\phi_0 \sin\theta_0 \frac{f(\theta_0, \phi_0) }{\purple{(a^2 + r^2 - 2 a r \cos \psi)^{3/2}}} \end{align*}

    其中 n0\mathbf{n}_0 法向向外 (指向球外)

    ∂G(r,r0)∂n0=∂G(r,r0)∂r0∣r0=a=r2−a24πa(a2+r2−2arcos⁡ψ)3/2\red{\frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial \mathbf{n}_0}} = \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial r_0}\bigg|_{r_0 = a} = \frac{r^2 - a^2}{4\pi a\purple{ (a^2 + r^2 - 2 a r \cos \psi)^{3/2}}}

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

对称性

根据对称性 G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r}),法向导数

∂G(r,r0)∂n0∣r0=a↔r↔r0∂G(r,r0)∂n∣r=a\frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0}\bigg|_{r_0 = a} \xleftrightarrow{\mathbf{r} \leftrightarrow \mathbf{r}_0} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n}\bigg|_{r = a}

r2−a24πa(a2+r2−2arcos⁡ψ)3/2→r↔r0r02−a24πa(a2+r02−2ar0cos⁡ψ)3/2 \frac{r^2 - a^2}{4\pi a\purple{ (a^2 + r^2 - 2 a r \cos \psi)^{3/2}}} \xrightarrow{\mathbf{r} \leftrightarrow \mathbf{r}_0} \frac{r_0^2 - a^2}{4\pi a(a^2 + r_0^2 - 2ar_0 \cos \psi)^{3/2}}

格林函数
特殊区域上的格林函数

球内 Laplace 方程第一边值问题的格林函数

夹角的说明

ψ\psi 是 r\mathbf{r} 与 r0\mathbf{r}_0 的夹角:依赖积分变量 θ0,ϕ0\theta_0, \phi_0 以及外部变量 r,θ,ϕr, \theta, \phi (r\mathbf{r} 的位置)

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 考虑上半平面 Laplace 方程第一边值问题

     −∇2u(ρ)=0,−∞<x<∞,0<y<∞ u(ρ)∣y=0=φ(x)\begin{align*} & \ - \nabla^2 u(\boldsymbol{\rho}) = 0, \quad -\infty < x < \infty, \quad 0 < y < \infty\\ & \ u(\boldsymbol{\rho})\big|_{y = 0} = \varphi(x) \end{align*}

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 格林函数方程与第一类齐次边界条件

    −∇2G(ρ,ρ0) =δ(ρ−ρ0),−∞<x,x0<∞,0<y,y0<∞G(ρ,ρ0)∣y=0 =0\begin{align*} - \nabla^2 G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) & \ = \delta(\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0), \quad -\infty < x, x_0 < \infty, \quad 0 < y, y_0 < \infty\\ G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)\big|_{y = 0}& \ = 0 \end{align*}

    物理背景

    相当于在 ρ0\boldsymbol{\rho}_0 处放置一个电量为 Q=1Q = 1 的点电荷,xx 轴接地

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

绿色区域是求解区域

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 镜像法:在下半平面放置一个等效点电荷,电量为 −q′-q',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 q′=1q' = 1

  • 物理电荷在 ρ0=(x0,y0)\boldsymbol{\rho}_0 = (x_0, y_0):像电荷在 ρ0′=(x0′,y0′)\boldsymbol{\rho}'_0= (x'_0, y'_0)

    像电荷位置

    很快可以证明 (x0′,y0′)=(x0,−y0)(x'_0, y'_0) = (x_0, - y_0)

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 在 ρ0′=(x0′,y0′)\boldsymbol{\rho}'_0 = (x'_0, y'_0) 放置电量为 −q′- q' 的点电荷,则上半平面总电势为

    g(ρ,ρ0)= −12πln⁡∣ρ−ρ0∣+q′2πln⁡∣ρ−ρ0′∣+c= −14πln⁡(∣ρ−ρ0∣2∣ρ−ρ0′∣2q′)+c=−14πln⁡((x−x0)2+(y−y0)2((x−x0′)2+(y−y0′)2)q′)+c\begin{align*} g(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = & \ - \frac{1}{2\pi} \ln |\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0| + \frac{q'}{2\pi} \ln |\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}'_0| + c\\ = & \ \frac{- 1}{4\pi} \ln \left({\frac{|\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0|^2}{|\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}'_0|^{2q'}}}\right) + c = \frac{-1}{4\pi} \ln \left({\frac{(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2}{((x - x'_0)^2 + (y - y'_0)^2)^{q'}}}\right) + c \end{align*}

  • 当 ρ=(x,0)\boldsymbol{\rho} = (x, 0),左边应当给出零,

    g((x,0),(x0′,y0′))=−14πln⁡((x−x0)2+y02[(x−x0′)2+(y0′)2]q′)+c=0g((x, 0), (x_0', y_0')) = - \frac{1}{4\pi} \ln \left({\frac{(x - x_0)^2 + y_0^2}{[(x - x'_0)^{2} + (y'_0)^2]^{q'}}}\right) + c = 0

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 希望上式对任意 xx 成立,因此对 xx 求导任意次

    dndxn∣x=0g((x,0),(x0′,y0′))=0,n=0,1,2,3,⋯\frac{d^n}{dx^n} \purple{\bigg|_{x = 0}}g((x, 0), (x_0', y_0')) = 0, \qquad n = 0 , 1, 2, 3, \cdots

  • 前三阶导数

    −2x0x02+y02+2qx0′x0′2+y0′2=0,2q(x0′−y0′)(x0′+y0′)(x0′2+y0′2)2−2(x0−y0)(x0+y0)(x02+y02)2= 04qx0′(x0′2−3y0′2)(x0′2+y0′2)3−4x0(x02−3y02)(x02+y02)3= 0\begin{align*} - \frac{2x_0}{x_0^2 + y_0^2} + \frac{2q x'_0}{x_0'^2 + y_0'^2} = 0, \quad \frac{2 q (x_0'-y_0') (x_0'+y_0')}{\left(x_0'^2+y_0'^2\right)^2}-\frac{2 (x_0-y_0) (x_0+y_0)}{\left(x_0^2+y_0^2\right)^2} = & \ 0\\ \frac{4 q x_0' \left(x_0'^2-3 y_0'^2\right)}{\left(x_0'^2+y_0'^2\right)^3}-\frac{4 x_0 \left(x_0^2-3 y_0^2\right)}{\left(x_0^2+y_0^2\right)^3} = & \ 0 \end{align*}

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 前三阶定出

    x0′=x0,y0′=−y0,q′=1x_0' = x_0, \qquad y_0' = - y_0, \qquad q' = 1

  • 最后,g(x,0)=0g(x, 0) = 0 要求 常数 c=0c = 0
格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 在上半平面的电势给出满足齐次第一类边界的格林函数 G(ρ,ρ0)G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)

    G(ρ,ρ0)=g(ρ,ρ0)=14πln⁡((x−x0)2+(y−y0)2(x−x0)2+(y+y0)2)G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = g(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = \frac{1}{4\pi} \ln \left({\frac{(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2}{(x - x_0)^2 + (y + y_0)^2}}\right)

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 固定点电荷位置 ρ0=(x0,y0)\boldsymbol{\rho}_0 = (x_0, y_0),xx 轴上的感应电荷密度

    σ(x)=−∂G(ρ,ρ0)∂y∣y=0=−y0π1(x−x0)2+y02\sigma(x) = - \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial y}\bigg|_{y = 0} = - \frac{y_0}{\pi} \frac{1}{(x - x_0)^2 + y_0^2}

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题


感应电荷密度函数

  • 随着 y0→0y_0 \to 0,感应电荷密度像什么函数?
格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 求格林函数的方向导数

    边界法向说明

    边界法向 n⃗\vec n 朝着 −y-y 方向

    ∂G(ρ,ρ0)∂n0∣y0=0=−∂G(ρ,ρ0)∂y0∣y0=0=−yπ1(x−x0)2+y2\frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial n_0}\bigg|_{y_0 = 0} = - \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial y_0}\bigg|_{y_0 = 0} = - \frac{y}{\pi} \frac{1}{(x - x_0)^2 + y^2}

格林函数
特殊区域上的格林函数

上半平面 Laplace 方程第一边值问题

  • 上半平面的解,ρ=(x,y)\boldsymbol{\rho} = (x, y)

    u(ρ)=−∫∂Dφ(ρ)∂G(ρ,ρ0)∂n0dS0=∫−∞+∞dx0yπ1(x−x0)2+y2φ(x0)u(\boldsymbol{\rho}) = - \int_{\partial D} \varphi(\rho) \frac{\partial G(\rho, \rho_0)}{\partial n_0}dS_0 = \int_{-\infty}^{+\infty} dx_0 \frac{y}{\pi} \frac{1}{(x - x_0)^2 + y^2} \varphi(x_0)

    边界条件的验证

    利用

    lim⁡y→0yπ((x−x0)2+y2)=δ(x−x0)\lim_{y \to 0} \frac{y}{\pi((x - x_0)^2 + y^2)} = \delta(x - x_0)

    可以验证 u(x,0)=φ(x)u(x, 0) = \varphi(x)

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 平面上圆内 Laplace 方程第一边值问题

    ∇2u(ρ)=0,ρ=∣ρ∣<a,u(ρ)∣ρ=a=f(φ)\begin{align*} & \nabla^2 u(\boldsymbol{\rho}) = 0, \qquad \rho = |\boldsymbol{\rho}| < a, \qquad & u(\rho)|_{\rho = a} = f(\varphi) \end{align*}

  • 格林函数方程与边界条件

    ∇2G(ρ,ρ0)=−δ(ρ−ρ0),ρ,ρ0<a,G(ρ,ρ0)∣ρ=a=0\begin{align*} & \nabla^2 G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = - \delta(\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0), \qquad \rho, \rho_0 < a,\\ & G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)|_{\rho = a} = 0 \end{align*}

    物理背景

    圆内 (ρ0,φ0)(\rho_0, \varphi_0) 放置一个电量为 Q=1Q = 1 的点电荷,圆导体圈接地

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 在 ρ0′\boldsymbol{\rho}'_0 放置电量为 −q′- q' 的假想镜像电荷

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 在 ρ0′\boldsymbol{\rho}'_0 放置电量为 −q′\orange{- q'} 的点电荷,则圆内电势叠加

    g(ρ)= −12πln⁡∣ρ−ρ0∣−−q′2πln⁡∣ρ−ρ0′∣+c=−14πln⁡∣ρ−ρ0∣2∣ρ−ρ0′∣2q+c= −14πln⁡(ρ2+ρ02−2ρρ0cos⁡ψ(ρ2+ρ0′2−2ρρ0′cos⁡ψ)q′)+c\begin{align*} g(\boldsymbol{\rho}) = & \ - \frac{1}{2\pi} \ln |\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0| - \frac{\orange{ - q'}}{2\pi} \ln |\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}'_0| + c = - \frac{1}{4\pi} \ln \frac{|\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0|^2}{|\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}'_0|^{2q}} + \purple{c}\\ = & \ - \frac{1}{4\pi} \ln \left({\frac{\rho^2 + \rho_0^2 - 2 \rho \rho_0 \cos \psi}{(\rho^2 + \rho_0'^2 - 2 \rho \rho_0' \cos \psi)^{q'}}}\right) + c \end{align*}

    常数项和对称性假设

    cc 是待定常数。根据问题对称性,已经假设 ρ0∥ρ0′\boldsymbol{\rho}_0 \parallel \boldsymbol{\rho}'_0 且同侧

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 在圆上,齐次第一类边界条件

    g(ρ,ρ0)∣ρ=a=14πln⁡(a2+ρ02−2aρ0cos⁡ψ(a2+ρ0′2−2aρ0′cos⁡ψ)q′)+c=0g(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)\big|_{\rho = a} = \frac{1}{4\pi} \ln \left({\frac{a^2 + \rho_0^2 - 2 a \rho_0 \cos \psi}{(a^2 + \rho_0'^2 - 2 a \rho_0' \cos \psi)^{q'}}}\right) + c = 0

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 左边对数表达式应当与 ψ\psi 无关。

    dndφn∣φ=0ln⁡(a2+ρ02−2aρ0cos⁡ψ(a2+ρ0′2−2aρ0′cos⁡ψ)q′)=0,n=1,2,⋯ ,∞\frac{d^n}{d \varphi^n}\bigg|_{\varphi = 0} \ln \left({\frac{a^2 + \rho_0^2 - 2 a \rho_0 \cos \psi}{(a^2 + \rho_0'^2 - 2 a \rho_0' \cos \psi)^{q'}}}\right) = 0, \qquad n = 1, 2, \cdots, \infty

  • 这无穷多个等式可以确定 ρ0′\rho_0' 与 ρ0\rho_0 的关系

    ρ0′=a2ρ0,q′=1,⇒ρ0′=a2ρ02ρ0\rho_0' = \frac{a^2}{\rho_0}, \qquad q' = 1, \qquad \Rightarrow \qquad \purple{\boldsymbol{\rho}_0' = \frac{a^2}{\rho_0^2} \boldsymbol{\rho}_0}

    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 −1-1

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • G(ρ,ρ0)∣ρ=a=0G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)|_{\rho = a} = 0

    −14πln⁡(a2+ρ02−2aρ0cos⁡ψa2+(a2/ρ0)2−2a(a2/ρ0)cos⁡ψ)+c=12πln⁡aρ0+c=0- \frac{1}{4\pi}\ln \left({\frac{a^2 + \rho_0^2 - 2 a \rho_0 \cos \psi}{a^2 + (a^2/\rho_0)^2 - 2 a (a^2/\rho_0) \cos \psi}}\right) + c = \frac{1}{2\pi} \ln \frac{a}{\rho_0} + c = 0

    因此 c=−12πln⁡(a/ρ0)c = \orange{- \frac{1}{2\pi} \ln(a/\rho_0)}
  • 圆内格林函数

    G(ρ,ρ0)=−14πln⁡(∣ρ−ρ0∣2∣ρ−ρ0′∣2a2ρ02),ρ0′=a2ρ02ρ0G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = - \frac{1}{4\pi} \ln \left({\frac{|\boldsymbol{\rho} - \boldsymbol{\rho}_0|^2}{|\boldsymbol{\rho} - \purple{\boldsymbol{\rho}'_0}|^2} \orange{\frac{a^2}{\rho_0^2}}}\right), \qquad \purple{\boldsymbol{\rho}_0' = \frac{a^2}{\rho_0^2} \boldsymbol{\rho}_0}

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

等势线分布

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 检查对称性

    G(ρ,ρ0)=14πln⁡(a2+ρ02−2aρ0cos⁡ψa2+a4ρ02−2aa2ρ0cos⁡ψ)−12πln⁡aρ0=14πln⁡(a2(ρ2+ρ02−2ρρ0cos⁡ψ)a4+ρ2ρ02−2a2ρρ0cos⁡ψ)G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = \frac{1}{4\pi} \ln \left({\frac{a^2 + \rho_0^2 - 2 a \rho_0 \cos \psi}{a^2 + \frac{a^4}{\rho_0^2} - 2 a \frac{a^2}{\rho_0} \cos \psi}}\right) - \frac{1}{2\pi}\ln \frac{a}{\rho_0}\\ = \frac{1}{4\pi} \ln \bigg( \frac{a^2(\rho^2 + \rho_0^2 - 2\rho \rho_0\cos \psi)}{a^4 + \rho^2 \rho_0^2 - 2 a^2 \rho \rho_0 \cos \psi} \bigg)

    确实关于 ρ↔ρ0\rho \leftrightarrow \rho_0 对称
格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • uu 的解需要用到 ∂G(r,r0)/∂n0∣ρ=a\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)/\partial n_0|_{\rho = a}

    ∂G(ρ,ρ0)∂n0∣ρ0=a=∂G(ρ,ρ0)∂ρ0∣ρ0=a=ρ2−a22πa(a2+ρ2−2aρcos⁡ψ)\frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial n_0}\bigg|_{\rho_0 = a} = \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial \rho_0}\bigg|_{\rho_0 = a} = \frac{\red{\rho^2 - a^2}}{2\pi \red{a} (a^2 + \rho^2 - 2 a \rho \cos \psi)}

  • ρ0\boldsymbol{\rho}_0 处的单位点电荷的感应电荷密度

    −∂G(ρ,ρ0)∂n∣ρ=a=−∂G(ρ,ρ0)∂ρ∣ρ=a=−ρ02−a22πa(a2+ρ02−2aρ0cos⁡ψ)- \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial n}\bigg|_{\rho = a} = - \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial \rho}\bigg|_{\rho = a} = - \frac{\red{\rho_0^2 - a^2}}{2\pi \red{a} (a^2 + \rho_0^2 - 2 a \rho_0 \cos \psi)}

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

ψ=φ−φ0\psi = \varphi - \varphi_0

格林函数
特殊区域上的格林函数

圆内 Laplace 方程第一边值问题

  • 圆内解为 (ρ=(ρ,φ)\boldsymbol{\rho} = (\rho, \varphi))

    u(ρ)= −∫∂Df(ρ0)∂G(ρ,ρ0)∂n0dS0= ∫02πdφ0a2−ρ22πf(φ0)a2+ρ2−2aρcos⁡(φ−φ0)\begin{align*} u(\boldsymbol{\rho}) = & \ \red{\boldsymbol{-}} \int_{\partial D} f(\boldsymbol{\rho}_0) \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial n_0} dS_0\\ = & \ \int_0^{2\pi} d\varphi_0 \frac{\red{a^2 - \rho^2}}{2\pi}\frac{f(\varphi_0)}{a^2 + \rho^2 - 2 a \rho \cos(\green{\varphi - \varphi_0})} \end{align*}

    积分变量说明

    其中 ψ=φ−φ0\psi = \green{\varphi - \varphi_0},dS0=adφ0dS_0 = \red{a} d\varphi_0,aa 跟 GG 导数分母抵消

格林函数
特殊区域上的格林函数

格林函数法总结

格林函数
特殊区域上的格林函数

总结

  • 区域 DD 内 泊松方程或者拉普拉斯方程的第一边值问题

    ∇r2u(r)=f(r),r∈D,u(r)∣∂D=φ(r)\nabla^2_\mathbf{r} u(\mathbf{r}) = \green{f(\mathbf{r})}, \quad \mathbf{r} \in D, \qquad u(\mathbf{r})|_{\partial D} = \red{\varphi(\mathbf{r})}

  • 不管 uu 的方程和边界是第一类齐次还是非齐次:工具都是第一类齐次边值的格林函数

    ∇r2G(r,r0)=−δ(r−r0),r,r0∈D,G(r,r0)∣∂D=0\nabla^2_\mathbf{r} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0), \quad \mathbf{r}, \mathbf{r}_0 \in D, \qquad G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)|_{\partial D} = 0

格林函数
特殊区域上的格林函数

总结

  • 泊松方程 + 第一边值问题最终解

    u(r)=∫Ddr0G(r,r0)f(r0)−∮∂DdS0φ(r0)∂G(r,r0)∂n0u(\mathbf{r}) = \int_D d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \green{f(\mathbf{r}_0)} - \oint_{\partial D} dS_0 \red{\varphi(\mathbf{r}_0)} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0}

    两个积分分别负责一种非齐次性

格林函数
特殊区域上的格林函数

物理图像

  • 物理图像:静电学系统
  • 非齐次方程:区域内有 体电荷密度 ρ(r)=f(r)\rho(\mathbf{r}) = f(\mathbf{r})
  • 非齐次边界条件:区域边界上有 表面电势 φ(r)\varphi(\mathbf{r})
格林函数
特殊区域上的格林函数

物理图像

  • 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 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)

    u1(r)=∫dr0f(r0)G(r,r0)u_1(\mathbf{r}) = \int d\mathbf{r}_0 f(\mathbf{r}_0) G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)

格林函数
特殊区域上的格林函数

物理图像

  • 子系统 2:边界上设有表面电势 φ(r)\varphi(\mathbf{r})

  • 依然可以用第一类齐次边界条件的格林函数 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 来求解

    u2(r)=−∮∂DdS0φ(r0)∂G(r,r0)∂n0u_2(\mathbf{r}) = - \oint_{\partial D} dS_0 \varphi(\mathbf{r}_0) \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0}

    物理图像复杂:涉及电偶极矩薄层 (dipole layer),位置由 r0∈∂D\mathbf{r}_0 \in \partial D 标记

格林函数
特殊区域上的格林函数

推论

  • 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。

格林函数
特殊区域上的格林函数

推论

  • 推论:拉普拉斯方程 + 第一类齐次边界条件的解存在且 平凡

    ∇2u=0,u∣∂D=0⇒u=0\nabla^2 u = 0, \quad u|_{\partial D} = 0 \qquad \Rightarrow \qquad u = 0

    因为 f=0f = 0,φ=0\varphi = 0,

    u(r)=∫Ddr0G(r,r0)f(r0)−∮∂DdS0φ(r0)∂G(r,r0)∂n0=0u(\mathbf{r}) = \int_D d\mathbf{r}_0 G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \green{f(\mathbf{r}_0)} - \oint_{\partial D} dS_0 \red{\varphi(\mathbf{r}_0)} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0} = 0

    此事在第 7 章亦有记载。

格林函数
特殊区域上的格林函数

推论

  • 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 几乎平凡

    ∇2u=0,u∣∂D=u0⇒u=u0\nabla^2 u = 0, \quad u|_{\partial D} = u_0 \qquad \Rightarrow \qquad u = u_0

    可以直接验证。电势整体平移不影响电场分布。

格林函数
特殊区域上的格林函数

推论

  • 推论:第一类齐次边界的格林函数的法向导数边界积分恒为 −1-1

    ∮∂D∂G(r,r0)∂ndS=−1\oint_{\partial D} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n} dS = -1

  • 哪里见过类似的积分?
  • uu 的解中,取 φ(r0)=1\varphi(\mathbf{r}_0) = 1 恒定

    u(r)=−∮∂DdS01∂G(r,r0)∂n0=1u(\mathbf{r}) = - \oint_{\partial D} dS_0 \red{1} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0} = 1

格林函数
特殊区域上的格林函数

推论

说明

  • 由拉普拉斯方程 (f(r=0)f(\mathbf{r} = 0)) + 第一类边界条件问题的唯一性

    φ(r∈∂D)=1⇒u(r∈D)=1\varphi(\mathbf{r}\in \partial D) = 1 \quad \Rightarrow \quad u(\mathbf{r} \in D) = 1

    ⇒u(r)=−∫∂Ddr0(1×)∂G(r,r0)∂n0dS0=1\Rightarrow u(\mathbf{r}) = - \int_{\partial D} d\mathbf{r}_0 (1 \times) \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0} dS_0 = 1

格林函数
特殊区域上的格林函数

推论

说明

  • 根据对称性 G(r,r0)=G(r0,r)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})

    ∫∂D∂G(r,r0)∂n0dS0=∫∂D∂G(r0,r)∂n0dS0=−1\int_{\partial D} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0}dS_0 = \int_{\partial D} \frac{\partial G(\mathbf{r}_0, \mathbf{r})}{\partial n_0}dS_0 = -1

  • 改一下名字 r↔r0\mathbf{r} \leftrightarrow \mathbf{r}_0

    ∫∂D∂G(r,r0)∂ndS=−1\int_{\partial D} \frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n}dS = -1

  • 在物理上怎么理解? 单位点电荷诱导的感应电荷总量为 −1-1
格林函数
特殊区域上的格林函数

法向导数

  • 计算最终解 uu 的时候需要计算法向导数

    ∂G(r,r0)∂n0=∇r0G(r,r0)⋅n\frac{\partial G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0)}{\partial n_0} = \nabla_{\mathbf{r}_0}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \cdot \mathbf{n}

    其中 n\mathbf{n} 是边界 ∂D\partial D 在 r0\mathbf{r}_0 处的 法向向外单位矢量
  • 在不同坐标系下,运用不同的 ∇r0\nabla_{\mathbf{r}_0} 表达式
格林函数
特殊区域上的格林函数

梯度算符

  • 直角坐标系下梯度算符

    ∇=ex∂∂x+ey∂∂y+ez∂∂z\nabla = \mathbf{e}_x \frac{\partial}{\partial x} + \mathbf{e}_y \frac{\partial}{\partial y} + \mathbf{e}_z \frac{\partial}{\partial z}

  • 柱坐标系下的梯度算符 (扔掉 zz 方向就得到二维极坐标系)

    ∇=eρ∂∂ρ+eφ1ρ∂∂φ+ez∂∂z\nabla = \mathbf{e}_\rho\frac{\partial }{\partial \rho} + \mathbf{e}_\varphi\frac{1}{\rho}\frac{\partial }{\partial \varphi} + \mathbf{e}_z\frac{\partial }{\partial z}

  • 球坐标系下的梯度算符

    ∇=er∂∂r+eθ1r∂∂θ+eφ1rsin⁡θ∂∂φ\nabla = \mathbf{e}_r\frac{\partial}{\partial r} + \mathbf{e}_\theta \frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial \theta} + \mathbf{e}_\varphi \frac{1}{r\sin\theta}\frac{\partial}{\partial \varphi}

格林函数
特殊区域上的格林函数

法向导数

  • 例如,在二维极坐标系 (ρ0,φ0)(\rho_0, \varphi_0) 下

    ∇ρ0G(ρ,ρ0)=eρ0∂G(ρ,ρ0)∂ρ0+eφ01ρ0∂G(ρ,ρ0)∂φ0\nabla_{\boldsymbol{\rho}_0} G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) = \mathbf{e}_{\rho_0}\frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial \rho_0} + \mathbf{e}_{\varphi_0}\frac{1}{\rho_0} \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial \varphi_0}

    ⇒∂G(ρ,ρ0)∂n0=∇ρ0G(ρ,ρ0)⋅n0=∂G(ρ,ρ0)∂ρ0eρ0⋅eρ0=∂G(ρ,ρ0)∂r0\Rightarrow \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial n_0} = \nabla_{\boldsymbol{\rho}_0} G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0) \cdot \mathbf{n}_0 = \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial \rho_0} \mathbf{e}_{\rho_0} \cdot \mathbf{e}_{\rho_0} = \frac{\partial G(\boldsymbol{\rho}, \boldsymbol{\rho}_0)}{\partial r_0}

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特殊区域上的格林函数

镜像法

  • 难度的流动

    泊松方程 + 第一类边界条件问题 →\to 第一类齐次边界条件 的格林函数求解

  • 镜像法

格林函数
特殊区域上的格林函数

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 以外

  • 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

格林函数
特殊区域上的格林函数

无界欧式空间中的基本解与傅里叶变换

格林函数
特殊区域上的格林函数

无界欧式空间中的基本解

  • 考虑 nn 维无界欧式空间中的泊松方程

    ∇2u(r)=−f(r),r=(x1,⋯ ,xn)∈Rn\nabla^2 u(\mathbf{r}) = - f(\mathbf{r}), \quad \mathbf{r} = (x_1, \cdots, x_n) \in \mathbb{R}^n

  • 其基本解满足格林函数方程

    ∇r2G(r,r0)=−δ(r−r0)\nabla^2_\mathbf{r} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

    可以暂时不添加边界条件,等需要做决定再添加

格林函数
特殊区域上的格林函数

傅里叶变换

  • 未知函数 G(r,r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) 关于 r\mathbf{r} 的傅里叶 (逆) 变换/傅里叶展开

    G(r,r0)= ∫dk1⋯dkn2πnG~r0(k1,k2,⋯ ,kn)ei(k1x1+k2x2+⋯+knxn)= ∫dnk(2π)n/2G~r0(k)eik⋅r\begin{align*} G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = & \ \int \frac{d k_1 \cdots d k_n}{\sqrt{2\pi}^n} \widetilde{G}_{\mathbf{r}_0}( k_1, k_2, \cdots, k_n) e^{i ( k_1 {x}_1 + k_2 {x}_2 + \cdots + k_n {x}_n)} \\ = & \ \int \frac{d^n \mathbf{k}}{(2\pi)^{n/2}} \widetilde{G}_{\mathbf{r}_0}(\mathbf{k}) e^{i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}} \end{align*}

    这里 r0\mathbf{r}_0 看成一个固定的参数。用第 8 章的语言:

    G(r,r0)↔G~r0(k)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \leftrightarrow \widetilde{G}_{\mathbf{r}_0}(\mathbf{k})

格林函数
特殊区域上的格林函数

傅里叶变换

  • δ\delta-函数的傅里叶 (逆) 变换/傅里叶展开

    δ(r)=∫dk1⋯dkn2πn12πnei(k1x1+k2x2+⋯+knxn)=∫dnk(2π)n/212πneik⋅r\delta(\mathbf{r}) = \int \frac{d k_1 \cdots d k_n}{\sqrt{2\pi}^n} \frac{1}{\sqrt{2\pi}^n} e^{i ( k_1 {x}_1 + k_2 {x}_2 + \cdots + k_n {x}_n)} = \int \frac{d^n \mathbf{k}}{(2\pi)^{n/2}} \frac{1}{\sqrt{2\pi}^n} e^{i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}}

    • 用笛卡尔坐标书写 δ(r)=δ(x1)δ(x2)⋯δ(xn)\delta(\mathbf{r}) = \delta(x_1)\delta(x_2) \cdots \delta(x_n)

    • 用第 8 章的符号

      δ(r)↔Δ(k)=1(2π)n/2\delta(\mathbf{r}) \leftrightarrow \Delta(\mathbf k) = \frac{1}{(2\pi)^{n/2}}

格林函数
特殊区域上的格林函数

傅里叶变换

  • 坐标平移

    δ(r−r0)=∫dnk(2π)n/212πneik⋅(r−r0)\delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) = \int \frac{d^n \mathbf{k}}{(2\pi)^{n/2}} \frac{1}{\sqrt{2\pi}^n} e^{i \mathbf{k} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)}

    δ(r−r0)↔Δ(k)e−ik⋅r0\delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) \leftrightarrow \Delta(\mathbf{k})e^{ - i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}_0}

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特殊区域上的格林函数

傅里叶变换

  • 傅里叶变换将微分运算转化为代数运算

    ∇r2G(r,r0)=∫dk1⋯dkn2πnG~r0(k)(−k2)eik⋅r\nabla^2_\mathbf{r}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int \frac{d k_1 \cdots d k_n}{\sqrt{2\pi}^n} \widetilde{G}_{\mathbf{r}_0}(\mathbf{k}) (- \mathbf k^2) e^{i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}}

    因为

    ∂xie−ikixi=−ikie−ikixi⇒∂xi2e−ikixi=−ki2e−ikixi\partial_{x_i} e^{- i k_i x_i} = - i k_i e^{- i k_i x_i} \quad \Rightarrow \quad \partial_{x_i}^2 e^{- i k_i x_i} = - k_i^2 e^{- i k_i x_i}

    从而

    ∇r2e−ik⋅r=−∑i=1nki2e−ik⋅r=−k2e−ik⋅r\nabla^2_\mathbf{r} e^{- i \mathbf{k}\cdot \mathbf{r}} = - \sum_{i=1}^{n} k_i^2 e^{- i \mathbf{k}\cdot \mathbf{r}} = - \mathbf{k}^2 e^{- i \mathbf{k}\cdot \mathbf{r}}

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特殊区域上的格林函数

傅里叶变换

  • 傅里叶变换将微分方程转换为代数方程

    ∇r2G(r,r0)=−δ(r−r0)\nabla^2_\mathbf{r}G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

    ⇒−k2G~r0(k)=−Δ(k)e−ik⋅r0=−1(2π)n/2e−ik⋅r0\Rightarrow \quad - \mathbf{k}^2 \widetilde{G}_{\mathbf{r}_0}(\mathbf{k}) = - \Delta(\mathbf{k}) e^{- i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}_0} = - \frac{1}{(2\pi)^{n/2}} e^{- i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}_0}

  • 即

    G~r0(k)=1k21(2π)n/2e−ik⋅r0\widetilde{G}_{\mathbf{r}_0}(\mathbf{k}) = \frac{1}{\mathbf{k}^2 } \frac{1}{(2\pi)^{n/2}} e^{ - i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}_0}

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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 傅里叶逆变换

    G(r,r0)=∫dnk(2π)n1k2eik⋅(r−r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int \frac{d^n \mathbf{k}}{(2\pi)^{n}} \frac{1}{\mathbf{k}^2} e^{i \mathbf{k} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)}

  • 怎么求这个积分?
  • 傅里叶变换是难度的搬运工:求解微分方程的难度变成了求积分的难度
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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 先从简单的入手:n=1n = 1

    G(x,x0)=∫−∞+∞dk2π1k2eik(x−x0)G(x, x_0) = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{2\pi} \frac{1}{k^2} e^{i k (x - x_0)}

  • 能否用之前介绍的留数定理方法计算? 不能,因为在实轴上有二阶极点

  • 这个积分的主值确实是 发散 的

    称为红外发散,因为来自低能区 k→0k \to 0 的贡献

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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 物理学家的思路:对发散的程度进行「描述」、正规化
  • 引入新参数 m>0m > 0

    Gm(x,x0)=∫−∞+∞dk2π1k2+m2eik(x−x0)G_m(x, x_0) = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{2\pi} \frac{1}{k^2 + m^2} e^{i k (x - x_0)}

  • 需要分 x−x0x - x_0 的正负讨论
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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 当 x−x0>0x - x_0 > 0 时,闭合上半圆,使用留数定理公式
  • k=±imk = \pm im 是单极点

    ∫−∞+∞dk2π1k2+m2eik(x−x0)=2πi2πRes⁡k=im(eik(x−x0)k2+m2)=12me−m(x−x0)\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{2\pi} \frac{1}{k^2 + m^2} e^{i k (x - x_0)} = \frac{2\pi i}{2\pi} \operatorname{Res}_{k = im} \left({\frac{e^{i k (x - x_0)}}{k^2 + m^2}}\right) = \frac{1}{2m} e^{- m (x - x_0 )}

  • 当 x−x0<0x - x_0 < 0 时,变量替换

    ∫dk2π1k2+m2eik(x−x0)=∫dk2π1(−k)2+m2e+i(−k)(x−x0)=12me−m(x0−x)\int \frac{dk}{2\pi} \frac{1}{k^2 + m^2}e^{i k (x - x_0)} = \int \frac{dk}{2\pi} \frac{1}{(-k)^2 + m^2} e^{+ i (-k) (x - x_0)} = \frac{1}{2m} e^{- m (x_0 - x )}

格林函数
特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 总结

    Gm(x,x0)=12me−m∣x−x0∣G_m(x, x_0) = \frac{1}{2m}e^{-m |x - x_0 |}

  • 研究极限 m→0+m \to 0^+:发散
  • 刻画发散行为

    Gm(x,x0)=12m−m2m∣x−x0∣+O(m)G_m(x, x_0) = \frac{1}{2m} - \frac{m}{2m}|x - x_0| + O(m)

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特殊区域上的格林函数

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  • 去掉发散项,得到有限 (regular) 部分

    G(x,x0)=Regular⁡m→0Gm(x,x0)=−12∣x−x0∣G(x, x_0) = \operatorname{Regular}_{m \to 0} G_m(x, x_0) = - \frac{1}{2} |x - x_0|

  • 正是之前得到的其中一个解
  • 其它解哪里去了?

    格林函数方程是二阶线性常微分方程:有两个积分常数

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特殊区域上的格林函数

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  • 问题出在

    k2G~x0(k)=12πe−ikx0⇏G~x0(k)=12πk2e−ikx0k^2 \widetilde{G}_{x_0}(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{ - ikx_0} \qquad \red{\not \Rightarrow \qquad \widetilde{G}_{x_0}(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi} k^2}e^{ - ikx_0}}

  • 中小学生:???

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特殊区域上的格林函数

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  • 因为

    k2δ(k)=0,k2δ′(k)=0k^2 \delta(k) = 0, \qquad k^2 \delta'(k) = 0

  • 因此,完整的 G~x0(k)=12πk2e−ikx0+Aδ(k)+Bδ′(k)\widetilde{G}_{x_0}(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi} k^2} e^{-ikx_0} + A \delta(k) + B \delta'(k)
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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • n=2n = 2

    G(r,r0)=∫d2k(2π)21k2eik⋅(r−r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int \frac{d^2 \mathbf{k}}{(2\pi)^{2}} \frac{1}{\mathbf{k}^2} e^{i \mathbf{k} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)}

  • 改用极坐标计算

    d2k=kdkdφ\purple{d^2\mathbf{k} = kdkd\varphi},k⋅(r−r0)=k∣r−r0∣cos⁡φ\mathbf{k} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0) = k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| \cos \varphi

    G(r,r0)=∫0+∞dk∫02πdφk(2π)21k2eik∣r−r0∣cos⁡φG(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int_0^{+\infty} \purple{dk} \int_0^{2\pi} \purple{d\varphi} \frac{\purple{k}}{(2\pi)^2} \frac{1}{k^2} e^{i k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| \cos \varphi}

    r−r0\green{\mathbf{r} - \mathbf{r}_0}

    k\red{\mathbf{k}}

    φ\purple{\varphi}

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格林函数

  • 利用 Bessel 函数的积分表示 (下一章节的内容)

    J0(x)=12π∫02πdφeixcos⁡φ\green{J_0}(x) = \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} d\varphi e^{i x \cos \varphi}

    得到

    G(r,r0)=∫0+∞dk12πJ0(k∣r−r0∣)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int_0^{+\infty} dk \frac{1}{2\pi} \green{J_0}(k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|)

    红外发散:J0(x→0)=1J_0(x \to 0) = 1,呈现对数型发散

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特殊区域上的格林函数

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  • 同样需要引入 m>0m > 0,利用 第二类修正贝塞尔函数 K0(x)K_0(x)
    积分表示

    Gm(r,r0)=∫0+∞dk12πkk2+m2J0(k∣r−r0∣)=−12πK0(m∣r−r0∣)G_m(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int_0^{+\infty} dk \frac{1}{2\pi} \frac{k}{k^2 + m^2} \green{J_0}(k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|) = - \frac{1}{2\pi} K_0(m |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|)

  • m→0+m \to 0^+ 极限行为

    K0(z→0)∼−ln⁡z2−γ+O(z2)K_0(z \to 0) \sim - \ln \frac{z}{2} - \gamma + O(z^2)

    其中 γ\gamma 是欧拉常数
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格林函数

  • 代入 z=m∣r−r0∣z = m |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|

    Gm(r,r0)∼+12πln⁡m∣r−r0∣2+O(1)∼12πln⁡∣r−r0∣+ln⁡m2π+O(1)G_m(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) \sim + \frac{1}{2\pi} \ln \frac{m|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}{2} + O(1) \sim \frac{1}{2\pi} \ln |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| + \frac{\ln m}{2\pi} + O(1)

    去掉发散的 ln⁡m\ln m 以及调整常数:得到之前的结果

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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • n=3n = 3

    G(r,r0)=∫d3k(2π)31k2eik⋅(r−r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int \frac{d^3\mathbf{k}}{(2\pi)^3} \frac{1}{\mathbf{k^2}} e^{i \mathbf{k} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)}

  • 改用球坐标计算 (d3x=r2sin⁡θdθdφ\purple{d^3 x = r^2 \sin \theta d\theta d\varphi})

    ∫0+∞dk∫0πsin⁡θdθ∫02πdφk2(2π)31k2eik∣r−r0∣cos⁡θ\int_0^{+\infty} {\purple{dk} \int_0^{\pi} \purple{\sin \theta d\theta} \int_0^{2\pi} \purple{d\varphi} \frac{\purple{k^2}}{(2\pi)^3} \frac{1}{k^2} e^{i k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| \cos \theta}}

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  • φ\varphi 积分很简单:2π2\pi
  • θ\theta 积分

    ∫0πeik∣r−r0∣cos⁡θsin⁡θdθ=−∫0πeik∣r−r0∣cos⁡θd(cos⁡θ)=2sin⁡(k∣r−r0∣)k∣r−r0∣\int_0^{\pi} e^{i k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| \cos \theta}\sin \theta d\theta = - \int_0^\pi e^{i k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0| \cos \theta}d(\cos \theta) = \frac{2 \sin(k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|)}{k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}

  • 最终得到

    G(r,r0)=2×2π(2π)3∫0+∞dkk2k2sin⁡(k∣r−r0∣)k∣r−r0∣G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \frac{2 \times 2\pi}{(2\pi)^3} \int _0^{+\infty} dk \frac{k^2}{k^2} \frac{\sin(k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|)}{k|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}

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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 变量替换 (x=k∣r−r0∣x = k |\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|)

    G(r,r0)=12π21∣r−r0∣∫0+∞dxsin⁡xxG(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \frac{1}{2\pi^2} \frac{1}{|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|} \int_0^{+\infty} dx \frac{\sin x}{x}

  • 可不可以用留数定理计算?

  • 可以!实轴上是单极点

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特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 扩充积分区间

    ∫0+∞sin⁡xxdx=12∫−∞+∞sin⁡xxdx\int_0^{+\infty} \frac{\sin x}{x} dx = \frac{1}{2} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sin x}{x} dx

  • 化成标准形式

    =12i∫−∞+∞cos⁡x+isin⁡xxdx,or,=12Im⁡∫−∞+∞eixxdx= \frac{1}{2 i} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\cos x + i \sin x}{x} dx, \qquad \text{or}, \qquad = \frac{1}{2} \operatorname{Im} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i x}}{x} dx

格林函数
特殊区域上的格林函数

格林函数

  • 留数公式

    =2πi2Im⁡[12Res⁡z=0(eizz)]=12Im⁡[2πi2×1]=π2= \frac{2\pi i}{2} \operatorname{Im} \left[{\frac{1}{2}\operatorname{Res}_{z = 0} \left({\frac{e^{i z}}{z}}\right)}\right] = \frac{1}{2} \operatorname{Im} \left[{\frac{2\pi i}{2} \times 1}\right] = \frac{\pi}{2}

  • 格林公式

    G(r,r0)=12π21∣r−r0∣×π2=14π1∣r−r0∣G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \frac{1}{2\pi^2} \frac{1}{|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|} \times \frac{\pi}{2} = \frac{1}{4\pi} \frac{1}{|\mathbf{r} - \mathbf{r}_0|}

格林函数
特殊区域上的格林函数

亥姆霍兹方程的格林函数

  • 亥姆霍兹方程的基本解

    (∇2+m2)G(r,r0)=−δ(r−r0)(\nabla^2 + m^2) G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = - \delta(\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)

  • 傅里叶变换方法

    G(r,r0)=∫dnk(2π)n1k2−m2eik⋅(r−r0)G(\mathbf{r}, \mathbf{r}_0) = \int \frac{d^n \mathbf{k}}{(2\pi)^n} \frac{1}{\mathbf{k}^2 - m^2} e^{i \mathbf{k} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r}_0)}

  • 设 n=1n = 1:怎么计算?
格林函数
特殊区域上的格林函数

亥姆霍兹方程的格林函数

  • 积分函数在 k=±1k = \pm 1 处有单极点
  • 分类讨论: x>x0x > x_0 和 x<x0x < x_0
  • 最终结果

    ∫dk2π1k2−m2eik(x−x0)=−sin⁡m∣x−x0∣2m\int \frac{dk}{2\pi} \frac{1}{k^2 - m^2}e^{i k (x - x_0)} = - \frac{\sin m |x - x_0|}{2m}

格林函数

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