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定义Definition

Laplace 算子的基本解

Fundamental solution of the Laplacian · Newtonian kernel

在全空间表示单位点源响应的奇异核;通过小球通量确定常数,并在分布意义下满足负 Laplacian 等于 Dirac 质量。

形式陈述 ​

一个函数在原点以外处处无源,怎么还能在原点携带一个单位源?关键是把方程放到分布意义下,并检查包围奇点的通量。

在 Rd、d≥2 中,记 ωd−1=|Sd−1|。对算子 −Δ,取基本解

Φ(x)={|x|2−d(d−2)ωd−1,d≥3,−12πlog⁡|x|,d=2.

它局部可积,在 x≠0 时光滑且 ΔΦ=0,而在整个空间满足

−ΔΦ=δ0.

具体含义是:对每个 φ∈Cc∞(Rd),

∫Φ(x)(−Δφ(x))dx=φ(0).

三维最熟悉的公式为 Φ(x)=1/(4π|x|)。本页始终采用 −Δ 的符号;若方程写成 Δu=f,基本解要取相反数。这个核没有施加某个有界区域的边界条件。

直觉

离开源点,通量从一层球面传到下一层,没有新增或损失。半径为 r 的球面面积按 rd−1 增长,因此场的径向强度必须按 r1−d 衰减,才能让总通量固定为一。

对这种场沿半径积分,就得到 r2−d;二维积分的是 1/r,因此出现对数。维数改变的不只是一个常数,而是远场和奇点的函数形状。

例子与边界

三维单位源的常数不能靠记忆猜 ​

设候选势为 Φ(r)=C/r。在半径 r 的球面上,外向单位法线就是径向方向,∂νΦ=−C/r2。因此

−∫∂B(0,r)∂νΦdS=Cr24πr2=4πC.

要让通量等于一,必须取 C=1/(4π)。只写 1/r 会多出 4π 的点源质量。

把单位点源铺成一个实心球 ​

在三维中,考虑 −Δu=1B(0,1),并要求 u→0 于无穷远。径向方程是

−(r2u′(r))′=r21r<1.

原点处不出现额外点源,迫使内部积分常数为零;内外解及一阶导数在 r=1 连续,得到

u(r)={12−r26,0≤r≤1,13r,r≥1.

源的总质量为 4π/3,远处势恰是 (4π/3)Φ(r)=1/(3r)。边界处没有额外 Dirac 面质量,因为法向一阶导数连续;二阶导数的跳跃只反映源密度从一变到零。

奇点之外的方程不能决定奇点本身 ​

Φ 在原点之外满足 −ΔΦ=0,并不允许把这个等式直接推广为整个空间的零分布。二阶导数在奇点附近不绝对可积,绕开奇点时留下的球面项不会消失。另一方面,原点的任意点值不影响局部可积函数所定义的分布,真正携带源的是邻域中的奇异形状。

二维的 −log⁡r/(2π) 在无穷远不趋零。给它加常数不改变方程;若要求指定远场归一化,必须与维数和总源质量一起检查。

推论与应用

先由径向方程寻找候选核 ​

对径向函数 v(r),

Δv=v″+d−1rv′=r1−d(rd−1v′)′.

在 r>0 上令它为零,得到 v′=Cr1−d。积分并按单位通量规范化,就产生上述两个维数范围的公式。它们在原点附近都局部可积:高维体积积分只含 ∫0εrdr,二维则含 ∫0εr|log⁡r|dr。

分布恒等式来自被挖掉的小球 ​

对紧支撑测试函数 φ,在其支撑外选一个大球,再挖去半径 ε 的原点小球。穿孔区域内 ΔΦ=0。两次应用散度定理,得到内球面贡献

∫|x|>εΦ(−Δφ)dx=∫|x|=ε(φ∂nΦ−Φ∂nφ)dS.

这里 n 是穿孔区域的外法向,在内球面上指向原点,所以 ∂nΦ=−Φ′(ε) 为正。第一项是球面上的 φ 平均,趋向 φ(0);第二项在 d≥3 时为 O(ε),在二维为 O(ε|log⁡ε|),均趋零。这正好证明 −ΔΦ=δ0。

若 f∈Cc∞,叠加点源给 Newton 势 u=Φ∗f,并在分布意义下满足 −Δu=f;卷积可把导数转移到光滑紧支撑的 f 上,因而此时解也光滑。要把它用于有界域的Poisson 边值问题,还需要减去合适的调和校正;这一步形成Dirichlet Green 函数。

参考资料
  • John K. Hunter,Notes on Partial Differential Equations, Chapter 2,§§2.6–2.7:基本解、通量规范化、Newton 势与穿孔区域证明。本文使用球面面积 ωd−1,而讲义使用单位球体积 αd,两者满足 ωd−1=dαd。
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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