Идентичность зеленых - Википедия - Greens identities

В математика, Личность Грина представляют собой набор из трех тождеств в векторное исчисление связывая объем с границей области действия дифференциальных операторов. Они названы в честь математика. Джордж Грин, кто открыл Теорема Грина.

Первая личность Грина

Это тождество происходит от теорема расходимости применительно к векторному полю $F = ψ \nabla φ$ и используя личность, которая $\nabla \cdot(φ Икс) = \nabla φ \cdot Икс + φ \nabla\cdot Икс$ : Позволять $φ$ и $ψ$ - скалярные функции, определенные в некоторой области $U \subset р d$ , и предположим, что $φ$ дважды непрерывно дифференцируемый, и $ψ$ когда-то непрерывно дифференцируемо. потом^[1]

{ Displaystyle int _ {U} left ( psi , Delta varphi + nabla psi cdot nabla varphi right) , dV = oint _ { partial U} psi left ( nabla varphi cdot mathbf {n} right) , dS = oint _ { partial U} psi , nabla varphi cdot d mathbf {S}}

куда $∆ \equiv \nabla 2$ это Оператор Лапласа, $\partial U$ граница области $U$ , $п$ нормаль элемента поверхности, направленная наружу $dS$ и $d$ $S$ - ориентированный элемент поверхности.

Эта теорема является частным случаем теорема расходимости, и по существу является эквивалентом высшей размерности интеграция по частям с $ψ$ и градиент $φ$ замена $ты$ и $v$ .

Обратите внимание, что первое тождество Грина, приведенное выше, является частным случаем более общего тождества, полученного из теорема расходимости путем замены $F = ψ Γ$ ,

{ Displaystyle int _ {U} left ( psi , nabla cdot mathbf { Gamma} + mathbf { Gamma} cdot nabla psi right) , dV = oint _ { partial U} psi left ( mathbf { Gamma} cdot mathbf {n} right) , dS = oint _ { partial U} psi mathbf { Gamma} cdot d mathbf {S} ~.}

Вторая личность Грина

Если $φ$ и $ψ$ оба дважды непрерывно дифференцируемы на $U \subset р 3$ , и $ε$ когда-то непрерывно дифференцируемо, можно выбрать $F = ψε \nabla φ - φε \nabla ψ$ чтобы получить

{ Displaystyle int _ {U} left [ psi , nabla cdot left ( varepsilon , nabla varphi right) - varphi , nabla cdot left ( varepsilon , nabla psi right) right] , dV = oint _ { partial U} varepsilon left ( psi { partial varphi over partial mathbf {n}} - varphi { partial psi over partial mathbf {n}} right) , dS ~.}

Для особого случая $ε = 1$ во всем $U \subset р 3$ , тогда,

{ Displaystyle int _ {U} left ( psi , nabla ^ {2} varphi - varphi , nabla ^ {2} psi right) , dV = oint _ { partial U} left ( psi { partial varphi over partial mathbf {n}} - varphi { partial psi over partial mathbf {n}} right) , dS.}

В приведенном выше уравнении $\partial φ /\partial п$ это производная по направлению из $φ$ в направлении внешней нормали $п$ к элементу поверхности $dS$ ,

{ displaystyle { partial varphi over partial mathbf {n}} = nabla varphi cdot mathbf {n} = nabla _ { mathbf {n}} varphi.}

В частности, это показывает, что лапласиан самосопряженный в $L$ ² внутреннее произведение для функций, исчезающих на границе.

Третья личность Грина

Третья идентичность Грина происходит от второй идентичности путем выбора $φ = грамм$ , где Функция Грина $грамм$ считается фундаментальное решение из Оператор Лапласа, ∆. Это означает, что:

{ displaystyle Delta G ( mathbf {x}, { boldsymbol { eta}}) = delta ( mathbf {x} - { boldsymbol { eta}}) ~.}

Например, в $р 3$ , решение имеет вид

{ displaystyle G ( mathbf {x}, { boldsymbol { eta}}) = { frac {-1} {4 pi | mathbf {x} - { boldsymbol { eta}} | }} ~.}

Третья личность Грина утверждает, что если $ψ$ - функция, дважды непрерывно дифференцируемая на $U$ , тогда

{ displaystyle int _ {U} left [G ( mathbf {y}, { boldsymbol { eta}}) , Delta psi ( mathbf {y}) right] , dV _ { mathbf {y}} - psi ({ boldsymbol { eta}}) = oint _ { partial U} left [G ( mathbf {y}, { boldsymbol { eta}}) { partial psi over partial mathbf {n}} ( mathbf {y}) - psi ( mathbf {y}) { partial G ( mathbf {y}, { boldsymbol { eta}}) over partial mathbf {n}} right] , dS _ { mathbf {y}}.}

Упрощение возникает, если $ψ$ сам по себе гармоническая функция, т.е. решение Уравнение лапласа. потом $\nabla 2 ψ = 0$ и идентичность упрощается до

{ displaystyle psi ({ boldsymbol { eta}}) = oint _ { partial U} left [ psi ( mathbf {y}) { frac { partial G ( mathbf {y}, { boldsymbol { eta}})} { partial mathbf {n}}} - G ( mathbf {y}, { boldsymbol { eta}}) { frac { partial psi} { partial mathbf {n}}} ( mathbf {y}) right] , dS _ { mathbf {y}}.}.}

Второй член в интеграле выше можно исключить, если $грамм$ выбран, чтобы быть Функция Грина который исчезает на границе $U$ (Граничное условие Дирихле ),

{ displaystyle psi ({ boldsymbol { eta}}) = oint _ { partial U} psi ( mathbf {y}) { frac { partial G ( mathbf {y}, { boldsymbol { eta}})} { partial mathbf {n}}} , dS _ { mathbf {y}} ~.}

Эта форма используется для построения решений краевых задач Дирихле. Чтобы найти решения для Граничное условие Неймана вместо этого используется функция Грина с исчезающим нормальным градиентом на границе.

Можно дополнительно проверить, что указанная выше идентичность также применяется, когда $ψ$ это решение Уравнение Гельмгольца или же волновое уравнение и $грамм$ - соответствующая функция Грина. В таком контексте это тождество является математическим выражением Принцип Гюйгенса, и приводит к Формула дифракции Кирхгофа и другие приближения.

На многообразиях

На римановом многообразии справедливы тождества Грина. В этой настройке первые два

{ Displaystyle { begin {align} int _ {M} u , Delta v , dV + int _ {M} langle nabla u, nabla v rangle , dV & = int _ { частичный M} uNv , d { widetilde {V}} int _ {M} left (u , Delta vv , Delta u right) , dV & = int _ { partial M } (uNv-vNu) , d { widetilde {V}} end {align}}}

куда $ты$ и $v$ - гладкие вещественнозначные функции на $M$ , $dV$ форма объема совместима с метрикой, ${ displaystyle d { widetilde {V}}}$ - индуцированная форма объема на границе $M$ , $N$ - направленное наружу единичное векторное поле, нормальное к границе, и $Δ ты = div (град ты)$ - лапласиан.

Векторная идентичность Грина

Второе тождество Грина устанавливает связь между производными второго и (расходимостью) первого порядка двух скалярных функций. В дифференциальной форме

{ displaystyle p_ {m} , Delta q_ {m} -q_ {m} , Delta p_ {m} = nabla cdot left (p_ {m} nabla q_ {m} -q_ {m}) } , nabla p_ {m} right),}

куда $п м$ и $q м$ - два произвольных дважды непрерывно дифференцируемых скалярных поля. Это тождество имеет большое значение в физике, потому что таким образом можно установить уравнения неразрывности для скалярных полей, таких как масса или энергия.^[2]

В векторной теории дифракции вводятся две версии второго тождества Грина.

Один вариант предполагает расхождение перекрестного произведения ^[3]^[4]^[5] и устанавливает отношения в терминах ротора-ротора поля

{ Displaystyle mathbf {P} cdot left ( nabla times nabla times mathbf {Q} right) - mathbf {Q} cdot left ( nabla times nabla times mathbf {P} right) = nabla cdot left ( mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right) - mathbf {P} times left ( nabla раз mathbf {Q} right) right).}

Это уравнение можно записать в терминах лапласианов:

{ displaystyle mathbf {P} cdot Delta mathbf {Q} - mathbf {Q} cdot Delta mathbf {P} + mathbf {Q} cdot left [ nabla left ( nabla cdot mathbf {P} right) right] - mathbf {P} cdot left [ nabla left ( nabla cdot mathbf {Q} right) right] = nabla cdot left ( mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right) - mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right) right) .}

Однако условия

{ Displaystyle mathbf {Q} cdot left [ nabla left ( nabla cdot mathbf {P} right) right] - mathbf {P} cdot left [ nabla left ( набла cdot mathbf {Q} right) right],}

не может быть легко записано в терминах расхождения.

Другой подход вводит бивекторы, эта формулировка требует диадической функции Грина.^[6]^[7] Представленный здесь вывод позволяет избежать этих проблем.^[8]

Учтите, что скалярные поля во втором тождестве Грина являются декартовыми компонентами векторных полей, т.е.

{ displaystyle mathbf {P} = sum _ {m} p_ {m} { hat { mathbf {e}}} _ {m}, qquad mathbf {Q} = sum _ {m} q_ {m} { hat { mathbf {e}}} _ {m}.}

Суммируя уравнение для каждого компонента, получаем

{ displaystyle sum _ {m} left [p_ {m} Delta q_ {m} -q_ {m} Delta p_ {m} right] = sum _ {m} nabla cdot left ( p_ {m} nabla q_ {m} -q_ {m} nabla p_ {m} right).}

LHS согласно определению скалярного произведения может быть записано в векторной форме как

{ displaystyle sum _ {m} left [p_ {m} , Delta q_ {m} -q_ {m} , Delta p_ {m} right] = mathbf {P} cdot Delta mathbf {Q} - mathbf {Q} cdot Delta mathbf {P}.}

RHS немного сложнее выразить в терминах векторных операторов. Из-за дистрибутивности оператора дивергенции по сложению сумма дивергенции равна дивергенции суммы, т. Е.

{ displaystyle sum _ {m} nabla cdot left (p_ {m} nabla q_ {m} -q_ {m} nabla p_ {m} right) = nabla cdot left ( sum _ {m} p_ {m} nabla q_ {m} - sum _ {m} q_ {m} nabla p_ {m} right).}

Напомним векторную идентичность для градиента скалярного произведения,

{ displaystyle nabla left ( mathbf {P} cdot mathbf {Q} right) = left ( mathbf {P} cdot nabla right) mathbf {Q} + left ( mathbf {Q} cdot nabla right) mathbf {P} + mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right) + mathbf {Q} times left ( набла раз mathbf {P} right),}

которое, записанное в компонентах вектора, имеет вид

{ displaystyle nabla left ( mathbf {P} cdot mathbf {Q} right) = nabla sum _ {m} p_ {m} q_ {m} = sum _ {m} p_ {m } nabla q_ {m} + sum _ {m} q_ {m} nabla p_ {m}.}

Этот результат аналогичен тому, что мы хотим показать в векторных терминах «за исключением» знака минус. Поскольку дифференциальные операторы в каждом члене действуют либо над одним вектором (скажем, ${ displaystyle p_ {m}}$ S) или другой ( ${ displaystyle q_ {m}}$ S) вклад в каждый семестр должен быть

{ displaystyle sum _ {m} p_ {m} nabla q_ {m} = left ( mathbf {P} cdot nabla right) mathbf {Q} + mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right),}

{ displaystyle sum _ {m} q_ {m} nabla p_ {m} = left ( mathbf {Q} cdot nabla right) mathbf {P} + mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right).}

Правильность этих результатов может быть строго доказана с помощью оценка компонентов вектора. Таким образом, RHS можно записать в векторной форме как

{ displaystyle sum _ {m} p_ {m} nabla q_ {m} - sum _ {m} q_ {m} nabla p_ {m} = left ( mathbf {P} cdot nabla right) mathbf {Q} + mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right) - left ( mathbf {Q} cdot nabla right) mathbf {P } - mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right).}

Объединяя эти два результата, получаем результат, аналогичный теореме Грина для скалярных полей:

Теорема для векторных полей.

{ displaystyle color {OliveGreen} mathbf {P} cdot Delta mathbf {Q} - mathbf {Q} cdot Delta mathbf {P} = nabla cdot left [ left ( mathbf {P} cdot nabla right) mathbf {Q} + mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right) - left ( mathbf {Q} cdot nabla right) mathbf {P} - mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right) right].}

В завиток перекрестного произведения можно записать как

{ displaystyle nabla times left ( mathbf {P} times mathbf {Q} right) = left ( mathbf {Q} cdot nabla right) mathbf {P} - left ( mathbf {P} cdot nabla right) mathbf {Q} + mathbf {P} left ( nabla cdot mathbf {Q} right) - mathbf {Q} left ( nabla cdot mathbf {P} right);}

Тогда векторную идентичность Грина можно переписать как

{ displaystyle mathbf {P} cdot Delta mathbf {Q} - mathbf {Q} cdot Delta mathbf {P} = nabla cdot left [ mathbf {P} left ( nabla cdot mathbf {Q} right) - mathbf {Q} left ( nabla cdot mathbf {P} right) - nabla times left ( mathbf {P} times mathbf {Q } right) + mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right) - mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right) верно].}

Поскольку дивергенция ротора равна нулю, третий член обращается в нуль, давая

Векторная идентичность Грина.

{ displaystyle color {OliveGreen} mathbf {P} cdot Delta mathbf {Q} - mathbf {Q} cdot Delta mathbf {P} = nabla cdot left [ mathbf {P} left ( nabla cdot mathbf {Q} right) - mathbf {Q} left ( nabla cdot mathbf {P} right) + mathbf {P} times left ( nabla times mathbf {Q} right) - mathbf {Q} times left ( nabla times mathbf {P} right) right].}

С помощью аналогичной процедуры лапласиан скалярного произведения может быть выражен через лапласианы множителей

{ displaystyle Delta left ( mathbf {P} cdot mathbf {Q} right) = mathbf {P} cdot Delta mathbf {Q} - mathbf {Q} cdot Delta mathbf {P} +2 nabla cdot left [ left ( mathbf {Q} cdot nabla right) mathbf {P} + mathbf {Q} times nabla times mathbf {P} верно].}

Как следствие, неудобные термины теперь можно записать в терминах дивергенции, сравнив их с векторным уравнением Грина:

{ Displaystyle mathbf {P} cdot left [ nabla left ( nabla cdot mathbf {Q} right) right] - mathbf {Q} cdot left [ nabla left ( набла cdot mathbf {P} right) right] = nabla cdot left [ mathbf {P} left ( nabla cdot mathbf {Q} right) - mathbf {Q} left ( nabla cdot mathbf {P} right) right].}

Этот результат можно проверить, разложив расходимость скаляра, умноженного на вектор на правой стороне.

Смотрите также

внешняя ссылка

«Зеленые формулы», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
[1] Личность Грина в Wolfram MathWorld

[strauss-1] Штраус, Вальтер. Уравнения с частными производными: введение. Вайли.

[2] Гуасти, М. Фернандес (17 марта 2004 г.). «Уравнение сохранения дополнительных полей, полученное из скалярного волнового уравнения». Журнал физики A: математические и общие. IOP Publishing. 37 (13): 4107–4121. Дои:10.1088/0305-4470/37/13/013. ISSN 0305-4470.

[3] С любовью, Август Э. Х. (1901). «I. Интегрирование уравнений распространения электрических волн». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. Королевское общество. 197 (287–299): 1–45. Дои:10.1098 / рста.1901.0013. ISSN 0264-3952.

[4] Страттон, Дж. А .; Чу, Л. Дж. (1939-07-01). «Дифракционная теория электромагнитных волн». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 56 (1): 99–107. Дои:10.1103 / Physrev.56.99. ISSN 0031-899X.

[5] Брюс, Нил С. (22.07.2010). "Двойное векторно-волновое рассеяние Кирхгофа от идеально проводящих поверхностей с бесконечными наклонами". Журнал оптики. IOP Publishing. 12 (8): 085701. Дои:10.1088/2040-8978/12/8/085701. ISSN 2040-8978.

[6] Франц, В. (1950-09-01). «К теории дифракции». Труды физического общества. Раздел А. IOP Publishing. 63 (9): 925–939. Дои:10.1088/0370-1298/63/9/301. ISSN 0370-1298.

[7] «Теория Кирхгофа: скалярная, векторная или диадическая?». Транзакции IEEE по антеннам и распространению. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 20 (1): 114–115. 1972. Дои:10.1109 / тап.1972.1140146. ISSN 0096-1973.

[8] Фернандес-Гуасти, М. (2012). «Вторая идентичность Грина для векторных полей». ISRN Математическая физика. Hindawi Limited. 2012: 1–7. Дои:10.5402/2012/973968. ISSN 2090-4681.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]