Skip to content

定理Theorem

Kirchhoff波公式

Kirchhoff formula for the wave equation · Poisson wave formula · 波方程球面平均法 · 三维Huygens原理

以球面平均构造三维常速波方程解,再由面积Jacobian降到二维圆盘公式,区分有限传播、波前后的尾迹及位移数据的法向导数。

同一份局部扰动在一维留下位移平台,在二维留下逐渐衰减的尾迹,在三维却能于波前经过后完全消失。这不是传播速度不同:三者都可以有速度一。差别在于观察点从过去的球面,还是从整个球体接收贡献。

形式陈述 ​

三维球面公式 ​

固定c>0。在 R3 上考虑波方程

(1)utt−c2Δu=0,u(0,x)=f(x),ut(0,x)=g(x).

取 f∈C3(R3)、g∈C2(R3),不要求全空间有界。对连续h定义归一化球面平均

(2)Mrh(x)=14π∫S2h(x+rω)dSω.

积分可写成θ∈[0,π]、φ∈[0,2π]上的迭代Riemann积分,权重为sinθ;ω=(sin⁡θcos⁡φ,sin⁡θsin⁡φ,cos⁡θ)。因单位球面积为4π,Mr1=1。在任意有限时间窗口内,唯一C2解为

(3)u(t,x)=∂t[tMctf(x)]+tMctg(x).

它也可写成

(4)u(t,x)=14π∫S2[f(x+ctω)+ct∇f(x+ctω)⋅ω+tg(x+ctω)]dSω.

初位移项包含法向导数。只知道f在某一个球面上的值,并不足以计算式(4)。

二维降维公式 ​

对 f∈C3(R2)、g∈C2(R2),令

(5)S2(t)h(x)=12πc∫|y−x|<cth(y)c2t2−|y−x|2dy=t2π∫|z|<1h(x+ctz)1−|z|2dz.

边缘奇性可积,且单位圆盘权重的积分为2π。二维唯一经典解为

(6)u(t,x)=∂t[S2(t)f(x)]+S2(t)g(x).

式(5)右端在固定圆盘积分,适合验证求导和t=0的初值;不能对左端的奇异边界机械套用普通端点求导。

直觉

半径为什么能替代一个空间变量 ​

固定观察中心x。对任意C2函数h,球面平均的半径导数与散度定理给

∂rMrh(x)=14πr2∫B(x,r)Δh(y)dy.

乘r²后再对半径求导,得

(7)∂rrMrh+2r∂rMrh=MrΔh=ΔxMrh.

这不是说h调和;这里只复用平均积分的求导机制。右侧一般不为零。

若u已经是波方程解,A(r,t)=Mru(t,⋅)(x) 满足

Att=c2(Arr+2Ar/r).

令W=rA,恰有 Wtt=c2Wrr,且W(0,t)=0。将W关于r奇延拓,利用一维d’Alembert公式,再令r趋零,得到

u(t,x)=∂r[rMrf(x)]|r=ct+1cctMctg(x),

即式(3)。乘r这一步精确抵消了三维的2A_r/r;不能把同一操作直接用于二维。

还要反过来验证构造 ​

从“假设存在解”导出式(3),尚未证明存在。现直接取 S3(t)h=tMcth。由式(7),

∂ttS3(t)h=2c∂rMrh|r=ct+c2t∂rrMrh|r=ct=c2ΔxS3(t)h.

因此 ∂tS3(t)f+S3(t)g 满足方程。给定f的三阶和g的二阶连续导数,所有需要的导数都能在紧球面上逐项计算,所得u为C2。

又因 M0h=h、球面上ω的平均为零,S3(0)h=0、∂tS3(0)h=h,且 ∂ttS3(0)f=0。于是u(0)=f、u_t(0)=g。局部锥能量唯一性保证没有另一份经典解;即使f、g在远处增长,也可逐个有限锥使用它。

从球面落到圆盘的面积因子 ​

把二维f、g延拓成与第三坐标无关的三维函数。式(3)产生的解也与第三坐标无关,因而满足二维波方程。半径r的球面上下两半可参数化为

y3=±r2−|y′−x|2,dS=rr2−|y′−x|2dy′.

两半球贡献相同,因子二不能漏掉。将它代入 tMcth,得到式(5)的 1/(2πc) 和平方根分母。赤道的投影Jacobian虽发散,极坐标积分 ∫01r/1−r2dr=1 保证可积;固定圆盘表示又使经典求导合法。

例子与边界

同一速度脉冲,三个维数 ​

令c=1、f=0,在每个维数取 g(x)=(1−|x|2)+3。其中s_+=max(s,0);g为C2并紧支撑于单位球。观察原点。

一维由速度积分得

u1(t,0)=∫0min(t,1)(1−r2)3dr=16/35(t≥1).

三维由式(3)得

u3(t,0)=t(1−t2)+3,

故t≥1完全为零。二维则为

(8)u2(t,0)=∫0min(t,1)r(1−r2)3t2−r2dr.

对每个t>0它严格为正;对t>1,由 ∫01r(1−r2)3dr=1/8 得

(9)18t≤u2(t,0)≤18t2−1,limt→∞tu2(t,0)=18.

波前后的尾迹在三个维数确实不同,不是数值舍入制造的微小剩余。

三条曲线都由上面的解析公式绘制。t=1标出球面越过单位支撑的时刻;三维蓝线此后精确为零,二维灰线仍有正尾,一维黑色虚线则停在16/35。

非负初位移也可能变负 ​

三维取g=0、f(x)=(1−|x|2)+4,f为C3。原点处

u(t,0)=∂t[t(1−t2)4]=(1−t2)3(1−9t2),0≤t≤1.

例如t=1/2时值为−135/256,虽然初位移处处非负、初速度为零。导数项可以改变符号,不能把热核的正性保持或最大值结论套给波方程。

推论与应用

Huygens结论准确限制什么 ​

在三维自由空间、常系数齐次波方程中,式(4)只使用f及其法向导数、g在半径ct球面上的数据。特别地,若两份初数据在该球面的某个开邻域相同,观察值就相同;远离球面的球内改动不会留下贡献。这是这里采用的三维Huygens性质。

若f、g都支撑在B(0,a),当ct>|x|+a时球面及其一个邻域与支撑分离,因此u(t,x)=0。波前后存在一段精确安静区域。二维式(5)仍积到球内旧数据,所以一般没有这项结论。

“在球面上f相同”不能替代邻域相同或法向导数相同。例如c=t=1、x=0,f(y)=|y|²−1、g=0。f在单位球面为零,式(4)却给u(1,0)=2,因为法向导数为2。声明依赖数据时必须保留这个导数。

有源和有墙要重新检查支持集 ​

连续注入外源时,即使每份三维自由波都只沿自己的球面传播,对不同注入时刻求和也会扫过过去锥内部;不能把齐次问题的单个球面直接当作受迫问题的全部依赖域。

有边界时还会反射,自由空间公式通常不满足墙上的条件。一维固定端可用奇延拓;一般区域需要与边界相配的构造。能量法仍可在合法边界条件下认证唯一性,但它不自动提供本页的显式核或三维清零时间。

参考资料
  • Julie Levandosky,Wave Equation in Higher Dimensions,Stanford Math220A,§7.1、印刷pp.1–7,Lemmas2–3及式(7.2);§7.2、pp.7–8;§7.3、p.9:球面平均、Kirchhoff公式、二维降维及维数差别。本页补写反向构造核验,并将位移数据所需的法向导数显式列出。
  • Victor Ivrii,Partial Differential Equations,§9.1,小节“Spherical means”“2D-wave equation: method of descent”和“Remarks”:球面平均、二维公式与Huygens支持性质;不能将自由空间齐次结论无条件迁到有源或有墙问题。
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系