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格林函式--亥姆霍茲微分方程


非齊次亥姆霍茲微分方程

 del ^2psi(r)+k^2psi(r)=rho(r),
(1)

其中亥姆霍茲算符定義為 L^~=del ^2+k^2。格林函式則定義為

 (del ^2+k^2)G(r_1,r_2)=delta^3(r_1-r_2).
(2)

定義基函式 phi_n 為齊次亥姆霍茲微分方程的解

 del ^2phi_n(r)+k_n^2phi_n(r)=0.
(3)

格林函式可以根據 phi_ns 展開,

 G(r_1,r_2)=sum_(n=0)^inftya_n(r_2)phi_n(r_1),
(4)

以及狄拉克δ函式

 delta^3(r_1-r_2)=sum_(n=0)^inftyphi_n(r_1)phi_n(r_2).
(5)

將 (◇) 和 (◇) 代入 (◇) 得到

 del ^2[sum_(n=0)^inftya_n(r_2)phi_n(r_1)]+k^2sum_(n=0)^inftya_n(r_2)phi_n(r_1)=sum_(n=0)^inftyphi_n(r_1)phi_n(r_2).
(6)

使用 (◇) 得到

 -sum_(n=0)^inftya_n(r_2)k_n^2phi_n(r_1)+k^2sum_(n=0)^inftya_n(r_2)phi_n(r_1)=sum_(n=0)^inftyphi_n(r_1)phi_n(r_2)
(7)
 sum_(n=0)^inftya_n(r_2)phi_n(r_1)(k^2-k_n^2)=sum_(n=0)^inftyphi_n(r_1)phi_n(r_2).
(8)

此方程必須對每個 n 都成立,因此

 a_n(r_2)phi_n(r_1)(k^2-k_n^2)=phi_n(r_1)phi_n(r_2)
(9)
 a_n(r_2)=(phi_n(r_2))/(k^2-k_n^2),
(10)

並且 (◇) 可以寫成

 G(r_1,r_2)=sum_(n=0)^infty(phi_n(r_1)phi_n(r_2))/(k^2-k_n^2).
(11)

因此,(◇) 的通解是

psi(r_1)=intG(r_1,r_2)rho(r_2)d^3r_2
(12)
=sum_(n=0)^(infty)int(phi_n(r_1)phi_n(r_2)rho(r_2))/(k^2-k_n^2)d^3r_2.
(13)

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參考文獻

Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 529-530, 1985.

請引用為

Weisstein, Eric W. "Green's Function--Helmholtz Differential Equation." 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/GreensFunctionHelmholtzDifferentialEquation.html

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