home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / math / 17509 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-30  |  5.2 KB

  1. Xref: sparky sci.math:17509 sci.physics:21885
  2. Path: sparky!uunet!think.com!news!columbus
  3. From: columbus@strident.think.com (Michael Weiss)
  4. Newsgroups: sci.math,sci.physics
  5. Subject: Re: More on Huygens' principle
  6. Date: 30 Dec 92 11:58:47
  7. Organization: Thinking Machines Corporation, Cambridge MA, USA
  8. Lines: 95
  9. Distribution: world
  10. Message-ID: <COLUMBUS.92Dec30115847@strident.think.com>
  11. References: <COLUMBUS.92Dec23114933@strident.think.com>
  12.     <25DEC199222030714@zeus.tamu.edu>
  13. NNTP-Posting-Host: strident.think.com
  14. In-reply-to: dwr2560@zeus.tamu.edu's message of 25 Dec 1992 22:03 CST
  15.  
  16. I wrote:
  17.  
  18.    If one assumes that Huygens' principle holds in 3 spatial dimensions, one
  19.    can deduce that it should fail in 2.  Hadamard called this argument the
  20.    "method of descent".  Briefly: consider a pulse disturbance at t=0 along
  21.    the entire z-axis.  It creates spreading waves that obviously will have no
  22.    dependence on z, and hence satisfy the 2-dimensional wave equation.  Now we
  23.    apply Huygens' principle in 3 dimensions--- that is, we add up spherical
  24.    waves spreading from each (0,0,z) (i.e., integrate over z).  An observer
  25.    positioned at (x,y,0) will of course "hear" the pulse at t = sqrt(x^2+y^2),
  26.    due to the spherical wave spreading out from (0,0,0) but will also hear
  27.    something at t = sqrt(x^2 + y^2 + z^2), thanks to the spherical wave from
  28.    (0,0,z). QED (I was hoping there was a similarly intuitive argument for why
  29.    Huygens' should work for 3 dimensions, but I guess not.)
  30.  
  31. Dave Ring replies:
  32.  
  33.    I feel like something is missing. Wouldn't a similar line of reasoning
  34.    show that HP in 5 dimensions implies no HP in 3?
  35.  
  36. Good question!  PDE's aren't really my thing, and I don't have an answer
  37. that satisfies me.  I do have a few thoughts (see below), but
  38. perhaps someone who really understands this stuff will clear up the mystery.
  39.  
  40. First: the general solution to the wave equation in one dimension with in
  41. initial conditions u(x,0) = v(x), u_t(x,0) = w(x) is
  42.  
  43.                                     /x+t
  44.     u(x,t) = v(x+t)/2 + v(x-t)/2 +  |      w(s) ds
  45.                                     /x-t
  46.  
  47. This makes sense intuitively, once you realize that an "explosion" at x=t=0
  48. (i.e., v(x) identically zero and w(x) a delta function) will propagate like
  49. so:
  50.                        ------------
  51.                    <== |          | ==>
  52.           -------------           -----------------
  53.  
  54. as Herbert Kranzer's post pointed out (just decompose the delta pulse into
  55. two "step function" waves, travelling in opposite directions).  The v's
  56. give travelling waves in opposite directions that propagate "without
  57. echoes", and the integral represents the effect of the delta pulses.
  58.  
  59. Here is a loose statement of Huygens' principle in three dimensions:
  60.  
  61.     An observer at time t will feel the effect of what was happening at
  62.     time 0 integrated over a sphere of radius t, centered at the observer.
  63.  
  64. More precisely:
  65.  
  66.     The solution to the 3-dimensional wave equation with initial conditions
  67.     u(x,y,z,t) = v(x,y,z), u_t(x,y,z,t) = w(x,y,z) is
  68.  
  69.  
  70.             /  w(x,y,z)               d   /  v(x,y,z)
  71.    u(x,y,z,t) = (1/4pi) |  -------- dS + (1/4pi) ---  |  -------- dS
  72.             /     t                   dt  /      t
  73.             S                             S
  74.  
  75.  
  76. where S is the sphere of radius t, centered at (x,y,z) (and d stands for a
  77. partial derivative).  The w term makes sense intuitively if we think of w
  78. as being composed of delta pulses, and assume that the effect dies off as
  79. 1/distance.  This in turn makes sense if we assume that the energy per unit
  80. volume of the wave is proportional to u^2--- which is certainly true for
  81. the usual examples.  The v term can be derived from the w term, making use
  82. of the fact that if u solves the wave equation, then so does u_t.
  83.  
  84. Hadamard's "method of descent" shows how Huygens' principle fails if we
  85. descend from 3 dimensions to 2 (by assuming that w and hence u has no
  86. dependence on z).  Dave Ring asked about descending from 5 dimensions to 3.
  87. To warm up for it, I thought about descending from 3 to 1.  So assume w has
  88. no dependence on x or y.
  89.  
  90. Consider a delta pulse at t=0 along the entire z=0 plane.  To make things a
  91. little more intuitive, let's replace this with a pulse along the slab 0 < z
  92. < epsilon, with epsilon infinitesimal.  (In other words, w is constant
  93. inside the slab, and zero outside the slab.)  Place an observer at distance
  94. r from the xy-plane.  So the observer feels the effects of what was
  95. happening at t=0 on a sphere of radius t around it.
  96.  
  97. Now, for t > r, this sphere intersects the slab in a zone of height
  98. epsilon--- for t=r it's a spherical cap.  But the area of such a zone is
  99. simply 2pi*t*epsilon--- a nice geometrical fact discovered, I believe, by
  100. Archimedes, and featured in one of Martin Gardner's columns.  And so the
  101. area we're integrating over is proportional to t, and so the integral is
  102. constant.  So we get the one-dimensional case back.
  103.  
  104. For descending from 5 to 3 dimensions, you need the analog to the above
  105. formula for u.  John Baez gave one formula in his post, and I looked up
  106. some others.  I think I could carry through the calculations and verify
  107. that HP persists as you descend from 5 to 3 dimensions, but I have no
  108. intuitive feel for what's going on behind the symbol pushing.  So I
  109. quit here (hopefully passing the ball to someone else).
  110.  
  111.