亥姆霍兹方程

亥姆霍兹方程（英語：Helmholtz equation）是一個描述电磁波的椭圆偏微分方程，以德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹的名字命名。其基本形式如下：

平面内的两个辐射源，用数学函数 ƒ 给出，蓝色区域函数值为零。

所产生的场 A 的实部，A 为非齐次解亥姆霍兹方程 ${\displaystyle (\nabla ^{2}+k^{2})A=-f}$ 的解。

${\displaystyle (\nabla ^{2}+k^{2})A=0}$

其中 ∇² 是拉普拉斯算子，k 是波數，A 是振幅。

动机和用途

亥姆霍兹方程通常出现在涉及同时存在空间和时间依赖的偏微分方程的物理问题的研究中。例如，考虑波动方程：

${\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial {t}^{2}}}\right)u(\mathbf {r} ,t)=0.}$ 

在假定 u(r, t) 是可分离变量情况下分离变量得：

${\displaystyle u(\mathbf {r} ,t)=A(\mathbf {r} )T(t).}$ 

将此形式代入波动方程，化简得到下列方程：

${\displaystyle {\nabla ^{2}A \over A}={1 \over c^{2}T}{d^{2}T \over dt^{2}}.}$ 

注意左边的表达式只取决于 r，而右边的表达式只取决于 t。其结果是，当且仅当等式两边都等于恒定值时，该方程在一般情况下成立。从这一观察中，可以得到两个方程，一个是对 A(r) 的，另一个是对 T(t) 的：

${\displaystyle {\nabla ^{2}A \over A}=-k^{2}}$ 

而

${\displaystyle {1 \over c^{2}T}{d^{2}T \over dt^{2}}=-k^{2}}$ 

在不失一般性的情况下，选择 −k² 这个表达式作为这个常值。（使用任何常数 k 作为分离常数都同样有效；选择 −k² 只是为了求解方便。）

调整第一个方程，可以得到亥姆霍兹方程：

${\displaystyle \nabla ^{2}A+k^{2}A=(\nabla ^{2}+k^{2})A=0.}$ 

同样，在用

${\displaystyle \omega {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}kc}$ 

进行代换之后，第二个方程成为

${\displaystyle {\frac {d^{2}{T}}{d{t}^{2}}}+\omega ^{2}T=\left({d^{2} \over dt^{2}}+\omega ^{2}\right)T=0,}$ 

其中 k 是分离常数波數，ω 是角频率。注意到现在有了空间变量${\displaystyle {\boldsymbol {x}}}$ 的亥姆霍兹方程和一个二阶时间常微分方程。时间解是一个正弦和余弦函数的线性组合，而空间解的形式依赖于具体问题的边界条件。经常可以使用拉普拉斯变换或者傅立叶变换这样的积分变换将双曲的偏微分方程转化为亥姆霍兹方程的形式。

因为它和波动方程的关系，亥姆霍兹方程在物理学中电磁辐射、地震学和声学等相关研究领域里有着广泛应用。

參閱

• 基爾霍夫積分定理

參考文獻

• Riley, K.F., Hobson, M.P., and Bence, S.J. Mathematical methods for physics and engineering. Cambridge University Press. 2002: ch. 19. ISBN 0-521-89067-5. 

外部連結

• http://eqworld.ipmnet.ru/en/solutions/lpde/lpde303.pdf（页面存档备份，存于互联网档案馆）