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Fundamental Solution (Green’s Function)

1828
  • George Green

A fundamental solution of a linear partial differential operator [latex]L[/latex] is a solution to the equation [latex]Lu = delta(x)[/latex], where [latex]delta(x)[/latex] is the Dirac delta function. It represents the response of the system to a point source or impulse. Once known, the solution to the inhomogeneous equation [latex]Lu = f(x)[/latex] can be found by convolution: [latex]u(x) = (G * f)(x)[/latex], where [latex]G[/latex] is the fundamental solution.

The concept of a fundamental solution, often closely related to a Green’s function, is a powerful tool for solving inhomogeneous linear PDEs. The Dirac delta function [latex]delta(x)[/latex] is a generalized function representing an idealized point source of infinite density and unit total mass, concentrated at [latex]x=0[/latex]. The fundamental solution [latex]G(x)[/latex] is therefore the effect or field generated by this single point source.

The power of this Verfahren comes from the superposition principle, which applies to linear equations. Any general source term [latex]f(x)[/latex] can be thought of as a sum (or integral) of infinitely many weighted point sources. The total solution [latex]u(x)[/latex] is then the superposition of the responses to each of these point sources. This superposition is mathematically expressed by the convolution integral [latex]u(x) = int G(x-y)f(y) dy[/latex]. This transforms the problem of solving a PDE into the problem of finding the fundamental solution and then performing an integration.

For example, the fundamental solution for the Laplace operator in three dimensions ([latex]L = nabla^2[/latex]) is [latex]G(vec{r}) = -frac{1}{4pi|vec{r}|}[/latex], which is the form of the electrostatic or gravitational potential from a point charge or mass. The fundamental solution for the heat equation is the ‘heat kernel’, a Gaussian function that spreads out over time. Green’s functions are closely related but are tailored to specific domains and boundary conditions, often constructed from the fundamental solution.

UNESCO Nomenclature: 1208
– Mathematical physics

Typ

Abstract System

Disruption

Foundational

Verwendung

Widespread Use

Precursors

  • superposition principle for linear equations
  • potential theory of laplace and poisson
  • fourier analysis and convolution theorem
  • dirac’s formulation of the delta function

Anwendungen

  • electromagnetism for calculating fields from charge distributions
  • quantum field theory for calculating propagators
  • structural engineering for determining the response of a structure to a point load
  • acoustics for modeling sound from a point source
  • image processing for deblurring (deconvolution)

Patente:

DAS

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