初期条件が0の波動方程式の解。
整理
次のような波動方程式が与えられたとする。 この時、$\Delta_{\mathbf{x}}$は変数$\mathbf{x}$に対するラプラシアンである。
$$ \begin{align} \partial_{t}^{2} p(\mathbf{x}, t) &= \Delta_{\mathbf{x}} p(\mathbf{x}, t) &\text{on } \mathbb{R} \times [0, \infty) \\ p(\mathbf{x}, 0) &= f(\mathbf{x}) &\text{on } \mathbb{R} \\ \partial_{t} p(\mathbf{x}, 0) &= 0 &\text{on } \mathbb{R} \end{align} $$
上辺微分方程式の解は次の通りである。
$$ \begin{equation} p(\mathbf{x}, t) = \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) \cos (t \left| \boldsymbol{\xi} \right|) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} \end{equation} $$
このとき$\hat{f}$は$f$の「フーリエ変換」（../1086）である。 今回は初期条件が以下のように与えられた波動方程式を考えてみよう。
$$ \begin{align*} \partial_{t}^{2} p(\mathbf{x}, t) &= \Delta_{\mathbf{x}} p(\mathbf{x}, t) &\text{on } \mathbb{R} \times [0, \infty) \\ p(\mathbf{x}, 0) &= 0 &\text{on } \mathbb{R} \\ \partial_{t} p(\mathbf{x}, 0) &= g(\mathbf{x}) &\text{on } \mathbb{R} \end{align*} $$
上辺微分方程式の解は次の通りである。
$$ p(\mathbf{x}, t) = \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{g} (\boldsymbol{\xi}) \dfrac{\sin (t \left| \boldsymbol{\xi} \right|)}{\left| \boldsymbol{\xi} \right|} e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} $$
説明
「フーリエ変換」(../1086)と「逆変換」(../1112)の定義を以下のようにしておこう。
$$ \hat{f}(\boldsymbol{\xi}) = \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} f(\mathbf{x}) e^{\mathrm{i} \boldsymbol{\xi} \cdot \mathbf{x}} \mathrm{d} \mathbf{x}, \qquad f(\mathbf{x}) = \dfrac{1}{(2\pi)^{n}}\int\limits_{\mathbb{R}^{n}} f(\mathbf{x}) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} $$
後者の証明法は前者と大同小異なので省略する。
証明
$(4)$が$(1)$、$(2)$、$(3)$を満足させるか確認するだけだ。 まず、時間に対する2階導関数を計算してみると、
$$ \partial_{t}^{2} p(\mathbf{x}, t) = -\left| \boldsymbol{\xi} \right|^{2} \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) \cos (t \left| \boldsymbol{\xi} \right|) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} $$
ラプラシアンを計算してみると次のようになる。
$$ \begin{align*} \Delta_{\mathbf{x}} p(\mathbf{x}, t) &= \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) \cos (t \left| \boldsymbol{\xi} \right|) (\Delta_{\mathbf{x}} e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}}) \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} \\ &= (- \left| \boldsymbol{\xi} \right|^{2}) \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) \cos (t \left| \boldsymbol{\xi} \right|) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} \\ \end{align*} $$
したがって$(1)$が成立する。 $p(\mathbf{x}, 0)$を計算してみると次のようになるので$(2)$が成立する。
$$ \begin{align*} p(\mathbf{x}, 0) &= \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) \cos ( 0 \left| \boldsymbol{\xi} \right|) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} \\ &= \dfrac{1}{(2\pi)^{n}} \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} \\ &= f(\mathbf{x}) \end{align*} $$
$(3)$が成立することも容易に確認できる。
$$ \begin{align*} \partial_{t}p(\mathbf{x}, 0) &= - \left| \boldsymbol{\xi} \right| \int\limits_{\mathbb{R}^{n}} \hat{f} (\boldsymbol{\xi}) \sin ( 0 \left| \boldsymbol{\xi} \right|) e^{\mathrm{i} \mathbf{x} \cdot \boldsymbol{\xi}} \mathrm{d} \boldsymbol{\xi} \\ &= 0 \end{align*} $$
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