Функции Грина полезны в электростатике — для решения уравнения Пуассона; в теории конденсированных сред — они позволяют решить уравнение диффузии (и совпадающее с ним уравнение теплопроводности); в квантовой механике — функция Грина гамильтониана является одной из ключевых функций и связана с плотностью состояний. Функции Грина, используемые в этих областях, очень похожи, поскольку уравнения диффузии и уравнение Шрёдингера в некотором смысле подобны. Все области математической и теоретической физики, где крайне полезны функции Грина, пожалуй, трудно даже перечислить. Они помогают находить стационарные и нестационарные решения, в том числе при разнообразных граничных условиях.
где — это дельта-функция Дирака. Это свойство функции Грина может использоваться для решения дифференциального уравнения вида
,
Функция Грина — это обратный оператор к , поэтому её нередко символически обозначают как .
Если ядро оператора нетривиально, то функция Грина не единственна. Однако на практике использование принципа симметрии, граничных условий или других дополнительных условий позволяет определить конкретную функцию Грина. Вообще говоря, функция Грина — не обычная, а обобщённая функция, то есть она может выпадать из класса обычных функций, например, иметь особенности вида дельта-функции или её производных.
Функция Грина — это также полезный инструмент для решения волнового уравнения, уравнения диффузии и квантовомеханических уравнений, где функция Грина оператора Гамильтона играет важнейшую роль и связана с плотностью состояний. В физике функция Грина обычно определяется с противоположным знаком:
Иногда, когда неоднородное уравнение содержит в правой части постоянный коэффициент, то есть имеет вид , функция Грина также определяется с учётом этого коэффициента, то есть в этом случае она по определению является решением уравнения[1]
.
В этом случае решение исходного неоднородного уравнения с произвольной функцией в правой части записывается как
.
↑Ясно, что описанное в этом разделе отличие в определении функции Грина от данного в статье выше касается не сути дела, а всего лишь предпочитаемой формы записи
Функция Грина оператора Штурма — Лиувилля (одномерный случай)
Примем и подставим в закон Гаусса. Вычислим и применим цепное правило для оператора :
.
Подставляя результат в теорему Гаусса, мы получаем теорему Грина:
.
Предполагая, что наш линейный дифференциальный оператор Лапласиан, , и то, что у нас имеется для него функция Грина . Определение функции Грина в этом случае запишется в виде:
.
Положим в теореме Грина. Тогда получим:
.
Используя выражение, мы можем решить уравнение Лапласа () и уравнение Пуассона () с граничными условиями Неймана или Дирихле. Другими словами, мы можем найти решение всюду внутри заданной области, если (1) значение задано на границе этой области (граничные условия Дирихле), или (2) нормальная производная задана на границе этой области (граничные условия Неймана).
Пусть нас интересует решение внутри области. В этом случае интеграл упрощается до в силу основного свойства дельта-функции, и мы имеем:
.
Эта формула выражает известное свойство гармонических функций, состоящее в том, что если известно значение нормальной производной на границе области, то известны и все значения функции в любой внутренней точке этой области.
При решении краевой задачи Дирихле функция Грина выбирается в виде . Эта функция обращается в нуль, когда или находится на границе раздела; и наоборот, решая краевую задачу Неймана, следует выбирать функцию Грина так, чтобы на поверхности обращалась в нуль её нормальная производная. Таким образом в интеграле по поверхности остаётся только одно из двух слагаемых.
При отсутствии граничных условий функция Грина для лапласиана имеет вид:
.
Считая граничную поверхность бесконечно большой и подставляя в это выражение функцию Грина, мы придём к аналогичному выражению для электрического потенциала через электрическую плотность заряда.
.
Пример
(Этот пример служит иллюстрацией к параграфу Функция Грина оператора Штурма — Лиувилля (одномерный случай), причём описанные здесь соображения иллюстрируют пункты теоремы из соответствующего параграфа, ссылки на пункты которой присутствуют в тексте ниже).
Дана задача
;
.
Найти функцию Грина.
Первый шаг: Функция Грина в данном случае по определению должна быть решением уравнения
(3)
где двумя штрихами обозначена вторая производная по .
Для , где -функция равна нулю, это уравнение сводится к однородному (пункт 2 упомянутой теоремы):
,
то есть для всех точек, кроме , функция Грина будет решением такого однородного уравнения.
Общее решение такого уравнения
,
где и — константы (не зависят от ).
Таким образом, должно иметь именно такой вид всюду, кроме точки , причём слева и справа от неё коэффициенты и могут (и будут) иметь разное значение.
Наложим на функцию Грина граничные условия, совпадающие с граничными условиями исходной задачи (пункт 3 упомянутой во вводном замечании теоремы). Функция Грина с наложенными так граничными условиями удобна тем, что конструируемые суммированием или интегрированием таких функций Грина решения автоматически будут удовлетворять этим граничным условиям.
Из левого граничного условия: — налагаемого на функцию Грина мы видим, что для коэффициент общего решения должен быть нулём, то есть для
.
Точно так же из правого граничного условия: — получаем равенство нулю коэффициента , то есть для
.
В итоге, учитывая, что коэффициенты и вообще говоря могут зависеть от , можем записать:
Второй шаг:
Нужно определить и .
Проинтегрировав дважды левую и правую часть уравнения (3) с дельта-функцией в правой части, мы увидим, что функция Грина должна быть непрерывна (пункт 1 упомянутой теоремы), а отсюда условие сшивки решения и :
.
Проинтегрировав же левую и правую часть того же уравнения от до получим условие на скачок первой производной (пункт 4 теоремы), и используя его, получим:
.
Используя правило Крамера или просто угадывая решение системы из двух этих уравнений, получим, что
.
Эти выражения удовлетворяют условию пункта 5 теоремы.
Пусть дано множество и оператор равен . Тогда функция Хевисайда является функцией Грина для при .
Пусть многообразие задаётся первой четвертью плоскости и — оператор Лапласа. Также предположим, что при наложены краевые условия Дирихле, при — краевые условия Неймана. Тогда функция Грина примет вид
↑Ли Цзун-дао Математические методы в физике. - М.: Мир, 1965. - c. 200
↑ Некоторые примеры взяты из книги Schulz, Hermann: Physik mit Bleistift. Frankfurt am Main: Deutsch, 2001. ISBN 3-8171-1661-6 (German)
Литература
Eyges, Leonard, The Classical Electromagnetic Field, Dover Publications, New York, 1972. ISBN 0-486-63947-9. (5-я глава содержит очень понятное изложение использования функций Грина для решения краевых задач в электростатике.)
A. D. Polyanin and V. F. Zaitsev, Handbook of Exact Solutions for Ordinary Differential Equations (2nd edition), Chapman & Hall/CRC Press, Boca Raton, 2003. ISBN 1-58488-297-2
A. D. Polyanin, Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists, Chapman & Hall/CRC Press, Boca Raton, 2002. ISBN 1-58488-299-9
Уравне́ние Шрёдингера — линейное дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого состояния, задаваемого волновой функцией, в гамильтоновых квантовых системах.
Теоре́ма Нётер или первая теорема Нётер утверждает, что каждой дифференцируемой симметрии действия для физической системы с консервативными силами соответствует закон сохранения. Теорема была доказана математиком Эмми Нётер в 1915 году и опубликована в 1918 году. Действие для физической системы представляет собой интеграл по времени функции Лагранжа, из которого можно определить поведение системы согласно принципу наименьшего действия. Эта теорема применима только к непрерывным и гладким симметриям над физическим пространством.
Уравне́ния Ма́ксвелла — система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца, задающим меру воздействия электромагнитного поля на заряженные частицы, эти уравнения образуют полную систему уравнений классической электродинамики, называемую иногда уравнениями Максвелла — Лоренца. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли ключевую роль в развитии представлений теоретической физики и оказали сильное, зачастую решающее влияние не только на все области физики, непосредственно связанные с электромагнетизмом, но и на многие возникшие впоследствии фундаментальные теории, предмет которых не сводился к электромагнетизму.
В квантовой механике задача о части́це в одноме́рном периоди́ческом потенциа́ле — идеализированная задача, которая может быть решена аналитически, без упрощений. При решении предполагается, что функция потенциала задана на всем бесконечном пространстве и периодична, то есть обладает трансляционной симметрией, что, вообще говоря, не выполняется для реальных кристаллов, где всегда существует как минимум один дефект — поверхность кристалла.
Краевая задача — задача о нахождении решения заданного дифференциального уравнения, удовлетворяющего краевым (граничным) условиям в концах интервала или на границе области. Краевые задачи для гиперболических и параболических уравнений часто называют начально-краевыми или смешанными, потому что в них задаются не только граничные, но и начальные условия.
Тригонометрические тождества — математические выражения для тригонометрических функций, которые выполняются при всех значениях аргумента. В данной статье приведены только тождества с основными тригонометрическими функциями, но есть тождества и для редко используемых тригонометрических функций.
Лагранжиа́н, фу́нкция Лагра́нжа динамической системы, является функцией обобщённых координат и описывает развитие системы. Например, уравнения движения в этом подходе получаются из принципа наименьшего действия, записываемого как
Метод множителей Лагранжа, применяемый для решения задач математического программирования — метод нахождения условного экстремума функции , где , относительно ограничений , где меняется от единицы до .
Си́мволы Кристо́ффеля — коэффициенты координатного выражения аффинной связности, в частности, связности Леви-Чивиты. Названы в честь Эльвина Бруно Кристоффеля. Используются в дифференциальной геометрии, общей теории относительности и близких к ней теориях гравитации. Появляются в координатном выражении тензора кривизны. При этом сами символы тензорами не являются.
Теорема Грина устанавливает связь между криволинейным интегралом по замкнутому контуру и двойным интегралом по односвязной области , ограниченной этим контуром. Фактически, эта теорема является частным случаем более общей теоремы Стокса. Теорема названа в честь английского математика Джорджа Грина.
Альтернативными теориями гравитации принято называть теории гравитации, существующие как альтернативы общей теории относительности (ОТО) или существенно изменяющие её. К альтернативным теориям гравитации часто относят вообще любые теории, не совпадающие с общей теорией относительности хотя бы в деталях или как-то обобщающие её. Тем не менее, нередко теории гравитации, особенно квантовые, совпадающие с общей теорией относительности в низкоэнергетическом пределе, «альтернативными» не называют.
Волновое уравнение в физике — линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, задающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах и электромагнетизме (электродинамике). Находит применение и в других областях теоретической физики, например при описании гравитационных волн. Является одним из основных уравнений математической физики.
Сферические функции представляют собой угловую часть семейства ортогональных решений уравнения Лапласа, записанную в сферических координатах. Они широко используются для изучения физических явлений в пространственных областях, ограниченных сферическими поверхностями и при решении физических задач, обладающих сферической симметрией. Сферические функции имеют большое значение в теории дифференциальных уравнений в частных производных и теоретической физике, в частности в задачах расчёта электронных орбиталей в атоме, гравитационного поля геоида, магнитного поля планет и интенсивности реликтового излучения.
Интегра́л Пуассо́на — общее название математических формул, выражающих решение краевой задачи или начальной задачи для уравнений с частными производными некоторых типов.
Альтернати́ва Фредго́льма — совокупность теорем Фредгольма о разрешимости интегрального уравнения Фредгольма второго рода.
Тео́рия автомати́ческого управле́ния (ТАУ) — научная дисциплина, которая изучает процессы автоматического управления объектами разной физической природы. При этом при помощи математических средств выявляются свойства систем автоматического управления и разрабатываются рекомендации по их проектированию.
Гравитацио́нный потенциа́л — скалярная функция координат и времени, достаточная для полного описания гравитационного поля в классической механике. Имеет размерность квадрата скорости, обычно обозначается буквой . Гравитационный потенциал в данной точке пространства, задаваемой радиус-вектором , численно равен работе, которую выполняют гравитационные силы при перемещении пробного тела единичной массы по произвольной траектории из данной точки в точку, где потенциал принят равным нулю. Гравитационный потенциал равен отношению потенциальной энергии небольшого тела, помещённого в эту точку, к массе тела . Как и потенциальная энергия, гравитационный потенциал всегда определяется с точностью до постоянного слагаемого, обычно (но не обязательно) подбираемого таким образом, чтобы потенциал на бесконечности оказался нулевым. Например, гравитационный потенциал на поверхности Земли, отсчитываемый от бесконечно удалённой точки (если пренебречь гравитацией Солнца, Галактики и других тел), отрицателен и равен −62,7·106 м2/с2 (половине квадрата второй космической скорости).
Температурные функции Грина являются некоторой модификацией функций Грина для квантовомеханических систем с температурой отличной от нуля. Они удобны для вычисления термодинамических свойств системы, а также содержат информацию о спектре квазичастиц и о слабонеравновесных кинетических явлениях.
Мультипольное излучение — излучение, обусловленное изменением во времени мультипольных моментов системы. Используется для описания электромагнитного или гравитационного излучения от изменяющегося во времени (нестационарного) распределения удалённых источников. Мультипольное разложение применяется к физическим явлениям, которые происходят на разных масштабах — от гравитационных волн из-за столкновения галактик до гамма-излучения в результате радиоактивного распада. Мультипольное излучение анализируется способами, схожими с применяемыми для мультипольного разложения полей от стационарных источников. Однако есть важные отличия, поскольку поля мультипольного излучения ведут себя несколько иначе полей от стационарных источников. Эта статья в первую очередь касается электромагнитного мультипольного излучения, хотя гравитационные волны рассматриваются аналогично.
Спектральная мера - это отображение, определённое на -алгебре подмножеств заданного множества, значения которого являются ортогональными проекторами в гильбертовом пространстве.
Эта страница основана на статье Википедии. Текст доступен на условиях лицензии CC BY-SA 4.0; могут применяться дополнительные условия. Изображения, видео и звуки доступны по их собственным лицензиям.