Продолжим рассмотрение волнового уравнения, но перейдем уже к 3-мерному случаю, когда аргумент зависит не от времени и одной координаты, а от времени t и трех компонент координаты x, y, z.
Пусть функция f дважды дифференцируема и зависит от аргумента
w=cxx+cyy+czz+ctt
f=f(w)=f(w(x,y,z,t))
Как и раньше, найдем первые и вторые частные производные.
f″xx=f′wwc2xf″yy=f′wwc2yf″zz=f′wwc2zf″tt=f′wwc2t
Здесь можно получить как 3 отдельных волновых уравнения
f″xx=c2xc2tf″tt
f″yy=c2yc2tf″tt
f″zz=c2zc2tf″tt
Так и одно, сложив вместе производные ко пространственным координатам:
f″xx+f″yy+f″zz=f″ww(c2x+c2y+c2z)
Откуда получаем:
f″xx+f″yy+f″zz=c2x+c2y+c2zc2tf″tt
Здесь величина образованная из cx, cy и cz ведет себя как вектор, или как если бы вместо w использовалось скалярное произведение 4-мерного вектора пространства-времени и некоего 4-мерного вектора, образованного из компонент ci.
Векторная часть такого вектора образована cx, cy и cz, задающими направление движения волны и своей величиной по сравнению с ct задающая величину скорости такого движения.
Собственно, эту величину и называют волновым вектором. Если в какой-то точке пространства есть такой вектор, то он задает направление движения волнового фронта и сам фронт перпендикулярен этому вектору. То есть фронту в малой окрестности принадлежат точки, для которых скалярное произведение волнового вектора на вектор точки равен скалярному произведению волнового вектора на вектор рассматриваемой точки. То есть все точки которые отстоят от рассматриваемой с вектором, скалярное произведение которого на волновой вектор равно нулю.
Также, как и для 1-мерного случая, можно утверждать, что если фронт волны проходит от пространственно-временной координаты x, y, z, t к другой координате x′, y′, z′, t′, то для них выполняется соотношение:
cxx′+cyy′+czz′+ctt′=cxx+cyy+czz+ctt
Для того чтобы отделять волновые функции от периодических нужно дополнительно подразумевать топологическую непрерывность такого условия для волновых.
Оглавление: Волновое уравнение
Комментариев нет:
Отправить комментарий