Funcția lui Green

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În analiza funcțională , funcția Green asociată cu o funcție liniară a operatorului diferențial este intrarea operatorului care produce răspuns la impulsul elementar (delta Dirac).

În practică, aceasta înseamnă că dacă este un operator diferențial liniar, apoi funcția lui Green este soluția ecuației , unde este este funcția delta Dirac.

Numele provine de la matematicianul și fizicianul britanic George Green (14 iulie 1793 - 31 mai 1841 ). Domeniile de aplicare a acestei funcții sunt acum printre cele mai variate. Fundamental, de exemplu, este utilizarea sa în teoria cuantică a interacțiunilor, în special în teoria cuantică a câmpurilor care interacționează și în teoria sistemelor cu mai multe corpuri , unde este uneori menționată sub numele de propagator .

Definiție

Să fie dat un operator liniar diferențial arbitrar care acționează pe un spațiu caracteristic adecvat, în variabila generică . O „ ecuație diferențială , care este în general derivatele parțiale , este scrisă în felul următor:

Funcția verde a operatorului Este definit ca distribuție ( soluție fundamentală ) astfel încât:

Datorită proprietăților deltei Dirac :

De cand , ai (purtând acționând numai asupra din integrală):

din care obținem:

unde este este o soluție a ecuației omogene asociate . Funcția arbitrară este fixat în mod unic de condițiile limită ale problemei.

În mod echivalent, folosind notația Dirac pentru spații vectoriale, o ecuație diferențială generică este scrisă după cum urmează:

De sine admite un invers atunci ecuația poate fi rezolvată formal astfel:

Înmulțirea lăsată cu și exploatarea identității spettralizzazione :

primesti:

Funcția verde a unui operator diferențial este, prin urmare, nucleul integral al inversului, dacă există, al operatorului însuși:

Funcția lui Green și transformata Fourier

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Transformata Fourier .

Una dintre cele mai puternice metode de a găsi funcțiile lui Green în cazuri specifice este utilizarea transformatei Fourier, care are proprietatea fundamentală de a converti operațiile de derivare în produse simple și, prin urmare, ecuațiile diferențiale în ecuații algebrice. Spus dimensiunea spațiului variabil , avem că transformarea Fourier în variabilă este dat de:

în timp ce reprezentarea Fourier a Și:

Prin includerea acestei reprezentări în definiție:

poți obține o formă pentru .

Laplacianul

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: operator Laplace .

Veți dori să obțineți funcția Green a operatorului Laplacian în trei dimensiuni. Avem:

unde este folosit deoarece funcția lui Green depinde doar de diferența variabilelor, având în vedere simetria evidentă a ecuației. Folosind transformata Fourier a ambilor membri obținem:

Așadar:

Rezoluția integralei este:

unde se vrea și s-a presupus că atât de-a lungul direcției În -spaţiu. Ultima integrală este rezolvată cu o integrare la graniță care face variabila complexă și închiderea conturului în jumătatea superioară a planului:

Pentru calcularea reziduului polului în se folosește partea principală . Categoric:

Perturbări

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: metodele de perturbare .

Formalismul funcției lui Green este deosebit de potrivit pentru soluționarea (cel puțin formală) a problemelor de natură perturbativă. De exemplu, să presupunem că avem următorul operator diferențial:

cu număr real generic și presupunem, de asemenea, că problema referitoare la operator doar este rezolvată sau, în orice caz, cunoscută . Indicați cu Operatorul lui Green (cunoscut prin ipoteză) pentru (sau ). Deci ecuația care definește operatorul verde complet este:

Ceea ce implică:

adică amintindu-mi asta :

Ultima ecuație este crucială în cazul în care parametrul este suficient de mic pentru a gestiona „potențialul” ca perturbare a operatorului liber . De fapt, precedentul poate fi rezolvat formal folosind o serie de dezvoltări pentru :

De sine este mai mică decât unitatea, puterile sale vor scădea (mai mult este mai mică cu atât scăderea va fi mai rapidă), prin urmare, fiecare supliment suplimentar va contribui la operatorul verde complet cu o greutate tot mai mică. În funcție de necesități, dezvoltarea poate fi trunchiată la o ordine adecvată și poate obține o aproximare excelentă pentru . Totul poate fi rescris în cel mai comun limbaj integral:

care admite o soluție formală ca o serie de Neumann :

Evident, odată o serie de dezvoltare a pentru este imediat să-l obțineți și pentru soluție ecuației diferențiale:

unde este este termenul obișnuit neomogen. Având în vedere că avem:

Obțineți următoarea ecuație integrală pentru soluție:

cu:

adică soluția ecuației „libere”. Precedentul admite evident o soluție sub forma unei dezvoltări perturbative în :

Prin urmare, cu acest formalism este posibil să se obțină soluții aproximative pentru ecuația diferențială. Aproximarea este cu atât mai bună cu cât crește ordinea de dezvoltare la care intenționăm să oprim calculul nostru, acesta este exponentul .

Bibliografie

  • (EN) SS Bayin (2006), Metode matematice în știință și inginerie, Wiley, capitolele 18 și 19.
  • (EN) Eyges, Leonard, The Classical Electromagnetic Field, Dover Publications, New York, 1972. ISBN 0-486-63947-9 . (Capitolul 5 conține o explicație foarte ușoară a utilizării funcției Green pentru a rezolva probleme cu valori limită în electrostatice.)
  • (EN) AD Polyanin și VF Zaitsev, Handbook of Exact Solutions for Ordinary Differential Equations (ediția a II-a), Chapman & Hall / CRC Press, Boca Raton, 2003. ISBN 1-58488-297-2
  • ( EN ) AD Polyanin, Manual of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists , Chapman & Hall / CRC Press, Boca Raton, 2002. ISBN 1-58488-299-9
  • (EN) GB Folland, Fourier Analysis and its Applications, Wadsworth and Brooks / Cole Mathematics Series.
  • (EN) KD Cole, JV Beck, A. Haji-Sheikh și B. Litkouhi, Conducerea căldurii folosind funcțiile lui Green, Taylor și Francis, 2011, pp. 101 - 148. ISBN 978-1-4398-1354-6
  • (EN) Sadri Hassani, „Fizica matematică”, Springer-Verlag New York, 1999.
  • (EN) Albert Messiah, "Mecanica cuantică", Vol II, Wiley, 1966. Valabil pentru analiza detaliată a teoriei perturbării.

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității NDL (EN, JA) 00.562.581
Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu matematica