ヘルムホルツ方程式
📂偏微分方程式ヘルムホルツ方程式
定義
以下の偏微分方程式をヘルムホルツ方程式Helmholtz equationという。
∇2u(x)+k2u(x)=Δu(x)+k2u(x)=(Δ+k2)u(x)=0,x∈Rn
ここで、∇2=Δはラプラシアンである。
説明
−Δu=λuのような形で表現することもできる。このため、ラプラス作用素の固有値方程式とも呼ばれることがある。
波動方程式から導出できるため、reduced wave equationとも呼ばれる。
波動方程式には時間と空間に関する微分が含まれているが、ヘルムホルツ方程式は時間に関する項が消え、時間に無関係な空間変数のみに依存する偏微分方程式である。
導出
波動方程式は以下の通りである。
Δu(x,t)−c21∂t2∂2u(x,t)=0
この時、cは波の速度を意味する。
方法1
波動方程式の解、つまり波動関数は以下の通りである。
u(x,t)=u(x)u(t)=eikxe−iωt=ei(kx−ωt)
この時、x,tはそれぞれ空間と時間、k,ωは波数と角周波数を意味する。波の速度がcの時、以下の関係が成り立つ。
k=cω
したがって、utt(x,t)を求めると以下の通りである。
utt(x,t)=∂t2∂2ei(kx−ωt)=(−iω)2ei(kx−ωt)=−ω2ei(kx−ωt)
これを波動方程式に代入すれば、ヘルムホルツ方程式を得る。
⟹⟹⟹⟹Δu−c21∂t2∂2u=Δei(kx−ωt)+c2ω2ei(kx−ωt)=(Δeikx+k2eikx)e−iωt=Δeikx+k2eikx=Δu(x)+k2u(x)= 0 0 0 0 0
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方法2
波動方程式をtに対してフーリエ変換すると、以下を得る。
⟹Δu(x,t)−c21utt(x,t)=Δu(x,ω)−c21utt(x,ω)= 0 0
ここで、二番目の項にフーリエ変換の性質u′′(ω)=−ω2u(ω)を用いると、以下を得る。
⟹⟹Δu(x,ω)+c2ω2u(x,ω)=Δu(x,ω)+k2u(x,ω)=Δu(x,t)+k2u(x,t)= 0 0 0
u(x,t)が変数分離されると仮定すると、
⟹⟹Δu(x,t)+k2u(x,t)=Δu(x)u(t)+k2u(x)u(t)=Δu(x)+k2u(x)= 0 0 0
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方法3
u(x,t)=u(x)v(t)と同様に変数分離されると仮定して、次のように式を整理しよう。
⟹⟹∂x2∂2u(x,t)=dx2d2uv=u1dx2d2u= c21∂t2∂2u(x,t) c21dt2d2vu c21v1dt2d2v
すると、左辺はtに無関係で、右辺はxに無関係であるため、両辺はxとtに対して定数であることが分かる。その定数を−k2としよう。すると、以下を得る。
⟹⟹u1dx2d2u=dx2d2u=dx2d2u+k2u= −k2 −k2u 0
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