
книги из ГПНТБ / Петрашень, Г. И. Продолжение волновых полей в задачах сейсморазведки
.pdf§з .
РАЦИОНАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ОБРАЩЕННОЕ ПРОДОЛЖЕНИЕ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННОГО В ТОЧКАХ ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ»
1. В п. 8 § 1 было дано определение |
понятия «обращенное |
|||||||||||
продолжение w (х, у, |
z, |
х) поля и°(х,у, |
t)», |
зарегистрированного |
||||||||
в точках |
плоскости |
z = 0 |
(дневной |
поверхности) среды |
z < О, |
|||||||
структура |
которой считается |
известной. |
При |
этом |
предпола |
|||||||
галось, что процессы распространения волн описываются |
вол |
|||||||||||
новым уравнением |
и |
что |
|
и0 (х, |
у, |
t) |
представляет |
собой |
||||
«сейсмограмму», |
. т. |
|
е. |
результат |
регистрации |
в течение |
||||||
времени 0 < i < |
Г в точках |
поверхности |
z = 0 |
поля, |
возбужден |
|||||||
ного в среде z < |
0 некоторым кратковременным источником |
коле |
баний, расположенным в точке Р и включаемым в момент £=0.
Согласно |
определению, |
под |
обращенным |
продолжением |
||||||
w (х, г/, |
z, |
х) * |
понималось |
решение уравнения |
|
|||||
в области z < |
0, |
х > |
0, подчиненное нулевым начальным данным |
|||||||
|
|
|
|
|
W |
^ |
= |
ST |
г=о=0' |
<3-2> |
граничному |
условию |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
ш | г = 0 |
= |
« ° ( * . |
У, z . T — z ) , |
(3. 3) |
|
а также |
условиям |
контакта |
вида (1. 20) на всех |
границах раз |
||||||
дела 2,., |
если |
такие |
границы |
существуют. |
|
|||||
В п. п. 9 и 10 § 1 было произведено качественное сопоставление |
||||||||||
продолженного |
поля w (х, |
у, |
z, |
х) с истинным (обращенным ) по |
||||||
лем и (х, |
у, |
z, |
|
Т—х), рассматриваемым в обращенном времени |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
i = |
T |
— t, |
(3 . 4) |
и были выявлены некоторые недостатки выбранного нами опреде ления. Однако в § 1 нельзя было обратиться к исправлению таких недостатков, так как было еще неясно, для каких целей и в каком виде может быть использовано обращенное продолжение гранич-
* В отличие от § 1, здесь и в дальнейшем мы будем обозначать обращенное продолжение поля ц° [х, у , t) символом w (х, у , z, т) без тильды сверху. Это не может привести к путанице, так как нам больше не придется сопоставлять обращенное продолжение поля и0 с истинным обращенным полем в среде, кото рое обозначалось в § 1 через ш.
40
ных значений и0 (х, у, t) поля в практике сейсморазведки. Те перь же, после изложенного в § 2, в этом вопросе достигнута необходимая ясность и потому можно попытаться устранить упомянутые недостатки.
В качестве исходного положения для последующих обсужде
ний примем известный факт, что |
решение w (х0, у0, z0 , |
^ 0 ) = |
=w (М0, т0 ) сформулированной |
выше математической |
задачи |
может быть выражено через соответствующую функцию Грина
g{M, |
М0, т0 — -с) по формуле |
|
|
|
|
dg(M, М0, T 0 |
- T ) |
dN, |
(3. 5} |
|
dz |
|
||
|
|
|
|
|
где |
dN—dxdy — элемент площади плоскости |
z = 0 , под |
M0 = |
=(ж0 , |
J/o> z0 ) подразумевается точка «наблюдения» поля, рассмат |
|
риваемого в момент времени т=-г0 , a |
N—(x,y)—переменная |
|
точка |
плоскости z = 0 , на которой замерялось |
продолжаемое поле |
u°(N, t). Заметим, что аналогичная формула может быть напи сана и в случае (коротко обсуждаемом в п. 8), когда дневная поверхность среды не является плоской, а задается уравнением вида z = / (х, у).
В соответствии с вводным замечанием к § 1, мы остановимся сначала на пояснении понятия «функция Грина», выведем фор мулу (3. 5), а затем изучим структуру функции Грина, что и позво лит нам решить вопрос о желательных изменениях в определе нии операции обращенного продолжения. Все рассуждения будут проводиться на физическом уровне строгости, а при изу чении структуры функции Грина будем исходить из ее представ ления в нулевом приближении лучевого метода. При таком при ближении все кинематические свойства поля w будут учтены полностью, а динамические свойства — с точностью, вполне доста точной для практики. В результате мы придем к простому и есте ственному окончательному определению операции обращенного продолжения граничных значений и0 (а;, у, Т—т) волнового поля вдоль выбранной системы лучей.
Для того чтобы получаемые ниже результаты можно было использовать и для прямого продолжения граничных значений поля, удобно записывать граничное условие (3. 3) в виде
|
|
|
|
w \?=o = wo (х> V> т |
) - |
|
|
|
|
(3 - 3'} |
|
При |
этом |
если |
результат регистрации |
поля |
на |
плоскости |
z = 0 |
||||
в истинном времени t сводился |
к функции и0 |
(я, |
у, t), |
то прямое |
|||||||
продолжение поля в среду z > |
0 должно |
определяться |
решением |
||||||||
(для |
области z > |
0) |
уравнения |
(3. 1), в котором |
v (М) |
= y 0 = c o n s t |
|||||
и t=t, при нулевых |
начальных данных |
(3. 2) и граничном |
усло |
||||||||
вии |
(3. 3'), |
где |
|
У, ъ) |
= и0 (х, у, |
t). |
|
|
|
(3. 6) |
|
|
|
|
|
|
|
|
41
Обращенное |
же |
продолжение, |
рассматриваемое |
в |
обращен |
||||||||||||
ном времени |
х |
из |
(3. 4), |
получается |
как |
решение |
для области |
||||||||||
z <С 0 уравнения (3. 1), при |
нулевых |
начальных данных |
(3. 2), |
||||||||||||||
условиях |
контакта |
( 1 . 20) на всех внутренних границах |
Е, |
среды |
|||||||||||||
z <; 0 и |
при |
граничном |
условии |
(3. 3'), |
в |
котором |
положено |
||||||||||
|
|
|
|
w0(x, |
у, т) = |
!»<>(*, у, |
Т-х). |
|
|
|
|
|
(3.7) |
||||
2. Будем понимать под функцией Грина нашей задачи (при |
|||||||||||||||||
граничных условиях |
Дирихле) |
функцию |
g (М, |
М0, |
х— х0 ), тож |
||||||||||||
дественно |
равную нулю при |
х <^ х0 и |
определяемую |
при |
х > х0 |
||||||||||||
(в области z > |
|
0 для прямого и в области z < |
|
0 для |
обращенного |
||||||||||||
продолжения) |
как |
решение неоднородного |
волнового уравнения |
||||||||||||||
|
|
д * ~ |
ЩИ) |
S" = - в |
W - |
Л/о)5 |
(* - |
'о). |
|
|
(3-8) |
||||||
где § (М—М0) |
|
— трехмерная, |
а |
§ (х— х0 ) — одномерная |
функция |
||||||||||||
Дирака, |
подчиненное |
нулевым |
начальным |
данным |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
I |
|
д |
е |
= |
0 |
(если |
Л/ ф Л/0 ), |
|
|
(3. 9) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
условиям |
контакта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
if=jY+ |
дП: |
|
|
|
|
:(з. ю) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вида ( 1 . 20) на всех границах раздела Е., если рассматривается
область z |
0 (в области z > 0 границ раздела нет!), и удовлетво |
||||||
ряющее |
однородному |
граничному |
условию |
Дирихле |
|
||
|
|
* |
U = |
0. |
|
|
(3.11) |
При этом, естественно, |
точки |
М=(х, |
у, z) и |
i l / 0 = (a:0, |
у0, z0 ) вы |
||
бираются |
в том полупространстве |
z > |
0 или z < 0, для |
которого |
|||
функция |
Грина строится. |
|
|
|
|
|
|
Заметим, что правая часть формулы (3. 8) соответствует еди |
|||||||
ничному |
импульсному |
источнику, приложенному в точке М0 |
|||||
и действующему лишь |
в момент |
х = х0 . Смысл функций Дирака |
несколько разъясняется в п. 4. Пока же мы лишь отметим, что
основное свойство |
этих функций определяется |
соотношениями: |
||||
8 (М—М0)=0, |
если |
М=$=М0; 8 ( х — х 0 ) = 0 , если |
х=^х0 , |
и |
|
|
|
в |
Ф (Л/) 3 (Л/ — Л/0 ) dM = |
Ф (Л/0 ), |
|
|
|
|
|
|
|
(3. |
12) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
j f (т) 8 ( т _ т 0 ) й т = |
* • ( * ) |
|
|
|
|
|
-а—а |
|
|
|
|
для произвольных непрерывных функций Ф (М) |
и F (х) . В (3. 12) |
|||||
М=(х, у, z), M0=(xQ, |
г/0, z0 ), dM—dxdydz, |
причем В — |
произволь- |
42
ная часть |
пространства, |
содержащая |
внутри себя |
точку |
М0, |
||||
а а > |
0 — произвольное |
число. |
С |
физической |
точки |
зрения |
|||
g (М, |
М0, |
т—т0 ), рассматриваемая |
как функция |
от М |
и |
т, |
есть |
поле, возбужденное в нашей среде сосредоточенным единичным
импульсным |
источником |
|
|
|
/ = Ь ( Л / _ Л / 0 ) 8 ( г - т 0 ) |
(3.13) |
|
при условии, что при т <^ т 0 |
в среде царил покой и что на границе |
||
z = 0 среды |
выдерживается |
режим (3. 11) (однородное |
условие |
Дирихле). Это поле описывает волны, расходящиеся от источ ника (3. 13) и претерпевающие соответствующие отражения—пре ломления на встречающихся границах раздела нашей среды. В математике доказывается, что функция Грина, определяемая
задачей (3. 8)—(3. 11), существует |
и |
симметрична |
относительно |
||||||||||
точек |
М и М0, |
т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
g (Л/, Л/0 , х - |
-о) = |
g (Л/0 , Л/, |
т - |
т0 ). |
(3.14') |
|||||
При этом вследствие конечности скорости |
v (М) |
распространения |
|||||||||||
волн в среде при любом фиксированном |
i |
> |
t 0 |
существует такое |
|||||||||
R > |
0,* что |
для точек |
М=(х, |
у, |
z) |
, |
в |
которых |
|
||||
|
| М |
- |
Л/0 | = |
Цх - |
*„)* + |
(у - |
у0)2 |
+ { |
Z - |
г0)2 |
> Л, |
||
оказывается |
|
^ (Л/, |
Л/0 , , - т 0 ) |
= |
0. |
|
|
|
(3. 14") |
||||
|
|
|
|
|
|
В п. 5 приводятся выражения функции Грина для однородного полупространства, а в п. 6 обсуждается конструкция главной части функции Грина в случае произвольной неоднородной изо тропной среды и на основании этого дается такое ее выражение, которое соответствует интересующему нас рациональному опреде лению операции обращенного продолжения.
3. Чтобы выразить решение задачи (3. 1)—(3. 3) и (1. 20) через фз^нкцию Грина, удобно воспользоваться формулой Грина для оператора Лапласа
S1S i " A y •v6.ii] dB= |
ди |
да |
dS, |
(3.15) |
dn |
an |
S
справедливой для произвольной области В, ограниченной ку сочно-гладкой поверхностью S с внешней нормалью п, если внутри В функции и и г; дважды дифференцируемы и имеют, например, первые частные производные, непрерывные вплоть до S. Если и и v удовлетворяют указанным требованиям везде при
z <[ 0 или г > Ом, кроме того, например, |
и=0 при \М—MQ\ > |
R, |
* В качестве R можно взять, например, |
выражение Л = (т— т0 ) |
X |
X m a x v ( Л / ) = ( т — т 0 ) у ш в х . |
|
|
43
где R — некоторое фиксированное «большое» число, то из (3. 15) следует формула
J J J [цДу — уДи] dfi = + \\i dv ди dxdy, (3. J 6)
которой мы и будем пользоваться. Заметим, что здесь dB=dxdydz
— элемент объема области В0, совпадающей пли с полупростран ством z > О, когда в правой части берется знак «—», или с полу пространством z <^ 0, что соответствует знаку « + » . Можно дока зать (на чем мы здесь не останавливаемся), что формула (3. 16)
применима и в том случае, если под и и v подразумевается |
реше |
|||||||
ние g и w сформулированных в п. п. 1 и 2 задач. |
|
|
||||||
Воспользуемся формулой |
(3. 16), полагая |
в ней |
|
|
||||
и (Л/, х) = g (М, М0, |
х0 - |
v (Л/, |
х) = |
ц. (Л/, х). |
|
(3. 17) |
||
Заметим, |
что в качестве и мы взяли функцию Грина с изменен |
|||||||
ным знаком у последнего аргумента, т. е. заменпли — т 0 |
па 0 |
т 0 — т , |
||||||
что эквивалентно рассмотрению |
поля точечного источника (3. 13) |
|||||||
в обращенном времени |
т 0 — т . |
Поле и (М, |
t) из (3. 17) |
описывает |
||||
такие же волны, как и |
волны, |
содержащиеся |
в поле |
g (М, |
М0, |
|||
-с—10 ), но |
распространяющиеся |
в противоположных |
направле |
ниях, т. е. оно содержит лишь сходящиеся волны, поглощаемые источником (3.17) к моменту т = т 0 . Использование функции Грина в виде (3. 17) является не только удобным математическим
приемом получения |
формул вида |
(3. 5), но и допускает глубокое |
||||||
физическое |
|
толкование. |
|
|
|
|
||
Функция |
v (М, |
т) из |
(3. 17), |
удовлетворяющая условиям |
за |
|||
дачи (3. 1), (3. 2), (3. 3') |
и (1 . 20), отлична от нуля при х > |
0. |
||||||
Что же касается функции и (М, |
т) из (3. 17), то она отлична от нуля |
|||||||
лишь при |
т < ; т 0 |
* и удовлетворяет в рассматриваемой области |
Б0 |
|||||
(т. е. z > |
0 |
или |
z < 0) |
уравнению |
|
|||
|
|
|
|
1 |
<Э2И |
|
|
|
|
|
A u |
~ V* (М) |
~5хТ= |
~ S ( М ~~ / 1 7 °' S ^° ~ Т ' ' |
|
||
граничному |
условию |
|
|
|
|
и условиям контакта вида (3. 10) на всех границах раздела 2,.,
если в области В0 |
таковые имеются. Заметим, что удовлетворение |
||||
функциями и и |
у из |
(3. 17) условий контакта необходимо для |
|||
того, чтобы формулу |
(3. 16) можно было бы применять к |
области |
|||
z < ; 0, в которой содержатся отражающие границы Б г |
|
||||
* В соответствии с задачей (3. 8)—(3. 11) неравенство g (М, М0, |
х— х 0 )^0 |
||||
имеет место, только если х > |
т0 , т. е. если для ее третьего аргумента выполнено |
||||
условие х—х0 > |
0. Поэтому |
и функция и нз (3. 17) отлична от нуля, только |
|||
если для третьего |
аргумента у g из (3. 17) будет х0 — х > 0, откуда и следует |
44
Учитывая перечисленные свойства функций из (3. 17), а также свойство 8-функции, выраженное первой формулой из (3. 12), подставим в (3. 16) значения i n i ; из (3. 17) и выполним интегри рование по области В0. В результате получим
|
|
|
|
dB |
= |
|
|
|
А, |
|
|
|
|
|
|
СО |
M0, т 0 _ т ) |
|
|
|
|
|
dg(M, |
dxdy, |
|
(3. IS) |
|
|
|
|
dz |
|
||
|
|
|
г=0 |
|
|
|
где w0 |
(x, |
у, x) — функция из правой части (3. 3'). |
|
|
||
Чтобы найти окончательное выражение для w (М0, |
х 0 |
) , сле |
||||
дует |
проинтегрировать формулу |
(3. 18) по |
х в |
промежутке |
||
О <^ t |
<^ х х , где i1 — любое число, удовлетворяющее |
неравенству |
||||
х х > |
х 0 . |
При этом в силу свойства |
8 ( х 0 — х ) , |
выраженного |
второй |
формулой (3. 12), для первого слагаемого левой части будем иметь
w (М0 8 (to — " ) d-z = w (М0, т 0 ) .
|
В результате же интегрирования второго слагаемого левой |
||||||||||||
части (3. 18) |
получается |
нуль, так как |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
(Г-ш |
d°-g |
dw |
|
dg' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г Г d2w |
d-g |
Г dw |
?g_ |
= 0. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
d-z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На |
нижнем пределе x = 0 правая |
часть обращается в нуль из-за |
|||||||||||
(3. 2), а на верхнем пределе |
т = т1 |
она равна нулю потому, что при |
|||||||||||
T i |
^> |
оказывается g (М, |
М0, |
х 0 — ^ = 0. Заметим кстати, что |
|||||||||
перестановка порядка интегрирования по области В0 |
и времени х |
||||||||||||
законна |
в силу |
свойства |
функции g, |
выраженного |
равенством |
||||||||
(3. |
14"). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Учитывая |
изложенное, |
после |
интегрирования |
(3. 18) |
по х |
|||||||
окончательно |
будем иметь |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dz |
г=0 |
dxdy, |
(3. 19) |
||
где знак « + » |
относится |
к случаю |
сред z ]> 0, знак «—» |
к случаю |
|||||||||
z < |
0, а |
под |
w0 |
(х, у, |
х) подразумеваются |
граничные |
значения |
||||||
поля w из (3. 3). |
Если учеть (3. 7), обозначения N и |
dN в |
(3. 5) |
и выбрать в (3. 19) знак «—», то получится в точности формула (3.5).
45
4. Прежде чем переходить к обсуждению вопросов, связанных с формулой (3. 19) и структурой функции Грина, полезно сделать
замечание по поводу другого возможного типа продолжения |
значе |
||||||||
ний поля, зарегистрированного на поверхности 2 = 0 . |
Мы считали |
||||||||
до |
сих |
пор, что |
на |
границе |
z = 0 |
регистрируется |
значение |
||
и0 |
(х, у, |
t) самого поля |
и (х, у, |
z, t), возбужденного |
в среде z < 0 |
||||
какими-то источниками колебаний, |
включаемыми |
при |
t=0. |
||||||
Однако могло бы оказаться, что на |
поверхности z = 0 |
регистри |
|||||||
руется |
не поле и, |
а его нормальная |
производная |
|
|
|
|||
|
|
|
|
: 0 = |
й0 (.г, |
у , t ) , |
|
|
(3.20) |
и возникает вопрос: что следует понимать под продолжением зна чений такого поля?
Операции прямого и обращенного продолжений поля и0 (х, у, t) можно определить совершенно так же, как и в § 1, и совершенно так же можно было бы сопоставить результаты подобных продол жений с истинным полем в среде. При этом оказалось бы, что при прямом продолжении истинное поле в среде восстанавливается полностью, а обращенное продолжение обладает такими же не достатками, как и в случае, рассмотренном в п. п. 8—10 § 1.
|
Обозначая продолжение граничных значений (3. 20) символом |
w |
{х, у, z, т) и пользуясь записью граничного условия (3. 20) |
в |
виде |
|
dw I |
в соответствии с изложенным, можно определить операции про должения граничных значений (3. 20) поля следующим образом.
Под |
прямым продолжением поля |
(3. 20) в |
полупространство |
||||||||||
z > 0 понимается |
решение уравнения |
(3. 1), в котором |
положено |
||||||||||
w=w, |
i=t |
и |
v (M) = v0, |
удовлетворяющее |
нулевым |
начальным |
|||||||
данным |
вида |
(3. 2) и |
граничному условию |
(3. 21), где |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
ш 0 (х, |
у , -г) = |
щ(х, |
у , t ) , |
|
|
(3.22) |
||
а н0 есть функция из (3. 20). |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Под |
|
обращенным |
продолжением поля (3. 20) в полупро |
||||||||||
странство |
z <^ 0 понимается |
решение |
уравнения (3; 1), в котором |
||||||||||
w=w, |
a t |
— |
обращенное |
время |
из (3. 4), |
удовлетворяющее ну |
|||||||
левым |
начальным |
данным |
(3. 2) |
и |
условиям |
контакта |
(1 . 20) |
||||||
(в которых положено |
w=w) |
и подчиненное |
граничному условию |
||||||||||
(3. 21), |
где |
|
|
|
|
т) = й 0 ( х , |
|
|
|
|
(3.23) |
||
|
|
|
|
|
|
у , |
у , T — |
t ) . |
|
|
|||
Решения указанных задач также легко выражаются через |
|||||||||||||
соответствующую (уже другую) функцию Грина g (М, |
М0, |
т— т0 ) |
|||||||||||
и определяются формулами |
|
|
|
|
|
|
46
io(M0, т„) = + j dx \ j iS0 (ж, у , t ) | (Л/, Л/„, т0 _ t ) |_r=() dxdy, |
(3. 24) |
О—со
где M=(x, |
y, z), У1'/0=(а:0, y0, |
z0 ), причем знак «-{-» относится |
||||||||
к случаю |
сред |
z < |
0, а |
знак |
«—» |
соответствует среде |
z ]> 0. |
|||
Что же касается функции Грина f |
(71/, i l / 0 , т—т0 ), то она опре |
|||||||||
деляется в области z ^> 0 |
или z < 0 как решение уравнения (3. 8), |
|||||||||
где, равно |
как в (3. 9) и (3. 10), положено g=g |
{М, |
М0, |
т—т0 ), |
||||||
подчиненное начальным |
условиям |
(3.9), условиям |
сопряжения |
|||||||
(3. 10) на |
всех |
отражающих |
границах |
(если |
таковые |
имеются) |
||||
и удовлетворяющее |
при |
z = 0 |
новому |
граничному |
условию |
(однородному условию Неймана). Такая функция существует* оказывается симметричной в смысле (3. 14) и обладает свойством, выраженным равенством (3.14'). Формула же (3. 24) получается из (3. 16), если вместо (3. 17) положить
u (М, т) = § (М, Л/0 , %о-х), |
v [М, т) = w (Л/, -г) |
|
и повторить почти буквально выкладки из п. 3. |
|
|
Полезно отметить, что конструкция формулы |
(3. 24) оказа |
|
лась более простой по сравнению |
с (3. 19), так как |
в (3. 24) вхо |
дит сама функция Грина £, а не ее производная |
по z. Степень же |
|
сложности функций g(M, М0, т—т0 ) и g (М, |
М0, |
•z—т0) как |
в смысле их вида, так и способов их нахождения из |
сформули |
рованных выше задач оказывается одинаковой. Поэтому практи
ческая |
реализация процесса |
продолжения |
полей на основе |
фор |
мулы |
(3. 24) оказаывается |
более простой, |
чем в случае |
фор |
мулы |
(3. 19). |
|
|
|
5. Обсуждение вопросов, связанных со структурой функции Грина, целесообразно начать с простейшего случая однородного полупространства (z >• 0 или z < 0). Предварительно же полезно указать на простое правило, позволяющее обычным образом опе рировать с обобщенными функциями Дирака. Для определен ности будем рассматривать функцию Ь (t—10), которая нам будет нужна в последующем.
Как известно, функция 8 (t—10), часто встречающаяся в при ложениях, определяется условиями, сформулированными в связи
с (3. 12). Там следовало бы лишь |
добавить |
равенство |
8 (t—t0) = |
||
= S(i 0 — t) . |
Такие условия плохо |
|
вяжутся |
с классическим пред |
|
ставлением |
о функции, интеграле |
и т. п. Однако можно |
остаться |
в рамках привычных классических представлений, если понимать, под 8 (t—if0) результат предельного перехода при е - > 0 от глад-
47
ких, сколь |
угодно |
раз |
дифференцируемых |
функций |
Ьв |
(t—t0), |
|||
подчиненных |
требованиям |
|
|
|
|
|
|
||
|
\(t — г0 ) = 56 (*о — t) > 0 |
при |
\t — |
|
t0\<z, |
|
|
||
|
8 6 ( i — t 0 |
) = 0 |
|
при |
| i - i „ | > е, J |
( 3 |
' 2 6 ) |
||
|
5 |
be(t~t0)dt= |
j |
bt{t—t0)dt |
= |
l. |
(3.26") |
||
|
— СО |
|
t0—8 |
|
|
|
|
|
|
При этом предельный переход следует производить лишь в окон чательных выражениях, содержащих интегралы, под знаки кото рых входят функции 8s (t—10).
С таких позиций сразу же оправдываются соотношения (3. 12).
Например, из (3. 26) для любой непрерывной / (t) |
следует |
|||||||
|
со |
|
|
if„+a |
|
|
|
|
|
( |
/ ( 0 в. ( * - *о ) |
<й = |
J / ( О М * - ' о ) |
= |
+ |
6'). |
|
|
— С О |
|
t0—Б |
|
|
|
|
|
где — 1 <[ 0 |
1 в силу теоремы о среднем. Переходя |
здесь |
к пре |
|||||
делу |
при е -»• 0, из-за |
непрерывности / (t) будем |
иметь |
|
||||
|
со |
|
|
со |
|
|
|
|
|
( |
f(t)Z(t~t0)dt |
= |
lim \ f(t)b'e(t-t0)dt |
= |
j(t0). |
(3.27') |
|
|
—со |
|
—со |
|
|
|
|
|
Легко уясняется и смысл производных |
от 5-функций. Напри |
|||||||
мер, |
для первой производной, по определению, имеем |
|
||||||
|
|
со |
|
со |
|
|
|
|
|
|
\ f(t)b'(t-t0)dt |
|
= l\m \ f[t)o'e(t |
— |
t0)dt* |
|
|
|
|
— со |
|
—СО |
|
|
|
|
Если существует непрерывная производная / ' ( t ) , то интегриро
вание по частям, с учетом |
(3. 26), дает |
|
|
|
|||
ij |
f(t)K(t~t0)dt= |
|
\ f(t)b'e(t-t0)dt |
|
= |
|
|
—со |
|
|
/„—s |
|
|
|
|
= |
- \ |
f'[t)\(t |
— |
to)dt = - f ' ( t 0 |
+ |
b). |
|
Итак, |
|
|
|
|
|
|
|
СО |
|
|
СО |
|
|
|
|
J f(t)b'(t-t0)dt |
= |
- j |
f(t)b'{t0-t)dt |
= |
-f'(t0) |
(3.27") |
* Здесь, как и обычно, штрих у В обозначает дифференцирование по всему
.аргументу, при этом 8 ' ( ' - * о ) = - ^ - 8 ( ' - * о ) = - 5 ^ 5 ( * - * о ) .
•48
и т. п. Заметим, |
что формулы (3. 27) |
остаются |
справедливыми |
||||
и тогда, когда интегрирование совершается по любому промежутку |
|||||||
(а, Ь), содержащему внутри себя точку t0 (т. е. а < |
t0 |
< |
Ь). |
|
|||
Перейдем теперь |
к нахождению функций Грина |
в |
однород |
||||
ных полупространствах, скорость распространения воли в кото |
|||||||
рых v=v0. При этом будем считать z0 > 0, будем пользоваться обо |
|||||||
значениями |
|
|
|
|
|
|
|
/ 1 / £ = ( . г 0 , !/0, гп ), 1Щ={х0, |
уа, —г0 ), |
|
| |
(3. |
28) |
||
|
|
|
|
|
|
||
г ± =\М |
— /¥± | = т/(х-з:0)*+{у-ио)*+(* |
+ |
го)* J |
|
|
||
и будем учитывать известный факт, что уравнение |
|
|
|
|
|||
|
|
1 д"-и. |
- Щ) • |
|
|
|
|
|
Д в |
~ l g Ц Т = - / (0 3 |
|
|
|
|
|
рассматриваемое |
в безграничной среде |
со скоростью |
распростра |
||||
нения воли v=v0, |
имеет решения вида |
|
|
|
|
|
b = w ( ' - - S " ) |
|
( з -2 9 ) |
||
при «произвольной функции / (t)». Заметим, что во всех точках М, |
||||
где ?'±=т^0, функция (3. 29) удовлетворяет однородному |
волновому |
|||
уравнению, а если / ( ? ) = 0 при t < |
0, то |
и из |
(3. 29) |
удовлетво |
ряет и нулевым начальным данным |
при |
t=0 |
везде, |
где г±=^=0. |
При построении функции Грина мы будем исходить из единствен ности решения поставленных для них в п. п. 2 и 4 граничных за дач, которая позволяет «угадывать» вид решения, а затем лишь проверять, что оно действительно удовлетворяет всем условиям задачи.
а) Граничное условие (3. 11), т. е. условие Дирихле. Рассмот рим сначала случай полупространства z ] > 0. В соответствии с обо значениями (3. 28) в уравнении (3. 8) следует положить М0=М^. При этом функция
g (М, М0, z — т0 ) = |
— |
-^Г |
30) |
удовлетворяет уравнению (3. 8) в области z > 0. (Первое слагае мое удовлетворяет неоднородному уравнению (3. 8) в силу свойств функций (3. 29); подстановка же в левую часть (3. 8) второго сла гаемого дает нуль, так как при z > . 0 всегда оказывается г_ > 0 ) . Очевидно, что функция (3. 30) удовлетворяет и нулевым начальным данным (3. 9), так как если М=£=М%, то оказывается г ± > 0 и, сле довательно, при i = х0 аргументы у 8-функций из (3. 30) везде от рицательны. Наконец, из-за равенства г + = 7 - _ во всех точках плос кости z = 0 ясно, что функция (3. 30) удовлетворяет и граничным условиям (3. 11). Итак, (3. 30) удовлетворяет всем условиям за-
4 Г. И. Петрашеиь, С. А. Нахамшш |
49 |