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3.4.1 相关概念与关系课程教案、知识点、字幕

欢迎来到复变函数课堂

本讲我们将介绍

解析函数与调和函数之间的关系

首先假定在区域D内

解析的函数FZ

那么根据F如果解析

它就具有Z些导数

这叫解析函数的无穷次可为性

我们可以知道在区域D内

F的实部与虚部

有具有两阶连续的偏导数

因为它的二阶导还是可导的

可导必连续

所以U和V就具有二阶偏导数

那么我们来看一下

假如F是解析的话

由解析函数的一个必要条件

也就是CR条件

可以导数UX=VY

同时这个UV=-VX

再根据二阶连续偏导

我们可以看出来

假如对U再关于X

求一节偏导

就应该等于VY

再关于X求一阶偏导

同理对于这个UY

再关于Y求一阶偏导

也就等于负的VX

再关于Y求一阶偏导

根据解析函数的无穷次可为性

我们可以知道

就是U关于X的二阶偏导

以及U关于Y的二阶偏导

肯定是连续的

当然它的所有的偏导数

都是连续的

再由数学分析中的混合偏导

相等的一个充分条件

也就是偏导存在且连续

我们就可以导出

这个从右边看

因为这个是V

先关于Y求偏导

再关于X求偏导

这个是V关于X

再关于Y求偏导

那么这样的话

这两个混合偏导是相等的

那根据混合偏导相等

我们就可以导出

U关于X的二阶偏导

加上U关于Y的二阶偏导

就正好等于零

同理我们也可以得到

V关于X的二阶偏导

加V关于Y的二阶偏导也是零

那么这就探索出一个解析的函数

它的实部和虚部

满足两个条件

一个是各阶偏导存在且连续

第二个就满足形如

这样的一个方程

所以我们把具有这种性质的函数

给它命名为调和函数

也就是针对一个二元实函数

如果在区域地内满足两个条件

第一具有二阶连续偏导

第二它在D内满足这样一个方程

我们就称该二元实函数

为D内的调和函数

那么调和函数

不但在副变函数中

是重要的一类函数

而且在物理学中

像流体力学中还有电磁场理论

等实际问题中也是经常出现

本教材专门抽了一章来去介绍

调和函数

那透过刚才我们的分析可以看出

如果一个二元实函数

U或者V它是解析函数的

实部或者虚部的话

那么这个实函数一定是调和函数

为了以后讲起来方便

我们把这样一个方程

称之为拉普拉斯方程

那么简记为Δφ=O

这个叫拉普拉斯方程

好我们知道解析函数的

实部和虚部是调和的

不但如此它们还满足CR条件

我们把这样的两个二元实函数

起一个名字

也就是说如果U和V是调和的

并且在区域定理

UV满足CR条件

我们称V是U的共轭调和函数

所以这个共轭调和

实际上有两层意思

第一是调和

第二共轭调和

指的就是满足CR条件

那么由刚才的分析我们就发现

任何解析函数的实部和虚部

是调和函数

并且虚部一定是实部的

共轭调和函数

那么我们来看一下

能不能说U和V

互为共轭调和

大家知道共轭调和中的共轭

主要体现在CR方程

而CR方程这里边是

UX=VY

和UY=-VX

所以你会发现U和V

这两个变量地位并不对等

所以如果从理论上说

U和V的次序是不能颠倒的

我们称虚部是实部的共轭调和

那么大家可以想一想

那实部有了共轭调和

那虚部的共和调和是谁

下面我们来看一下

解析函数与调与函数之间的关系

刚才的分析告诉我们

函数在区域D内解析

那么函数的实部和虚部

都是调和函数

且虚部是实部的共轭调和

我们讲反过来也是一样

就是如果虚部是实部的共轭调和

那么该函数一定是解析的

大家看一下

这个假如W=FZ

写成了U+IV

由于解析性我们可以导出

这个CR条件

这是刚才已经推导过的

也就是说由CR条件可以看到

对于U关于纯量求二级偏导

求和以后正好是满足

拉普拉斯方程的

所以我们就导出了

U是调和的

同理V是调和的

那么反过来关键是反过来

就是说如果虚部是实部的共轭调和

你怎么推出解析呢

利用之前学过的解析函数的

重要条件

首先共轭调和

满足了CR方程

其次由于调和函数

满足二阶偏导存在且连续

这样的话U和V的一阶偏导

存在且连续

于是一阶偏导存在且连续

加C2条件

就推出了函数U+IV

在区域地内是解析的

这样我们就给出了

这个定理的证明

那这个定理也告诉我们

函数在区域定理解析

可以用调和函数

或者叫共轭调和函数

来去给出等价刻划

那下面我们看一个例子

假如F=U+IV

是个解析的函数

让我们证明对F先求共轭

然后再乘以I之后

再去共轭

这个函数依然解析

并且说明如果U+IV解析

那么我们知道V是U的共轭调和

那么现在我们可以看到

-U是V的共轭调和函数

下面我们来证第一题

对于F=U+IV

很容易看到它的共轭

是U-IV

乘以I之后的共轭是V-IU

那么为了方便起见

我们把它记成S+IT

所以这里的S=V

T=-U

首先我们要看一下

这个解析只要用

虚部是实部的共轭调和

就可以了

所以需要验证调和函数加CR条件

那么先看S关于X的偏导数

它当然就等于V关于S的偏导

同时这个-UY

就等于这里的T关于Y偏导

这是由这个等式看出来的

那么再根据CR条件

我们知道

这里的VX是等于-UI

所以就导出了

S关于X的偏导

是等于T关于Y的偏导

这正好是实部关于X偏导

等于虚部关于Y偏导

这CR条件的第一条

第二个方面我们看一下

S关于Y的偏导

就是V关于Y的偏导

那么U关于X的偏导

这里等于-T关于X的偏导

由这个等式推出左右两边的式子

再根据原函数解析的CR条件

这个VY是等于US的

所以就导出了S关于Y的偏导

是等于-T关于X的偏导

也就是这个等式

这样的话我们就得到了

CR条件是成立的

那么再根据F解析

所以U和V本身是调和函数

所以就证出了第一个命题

下面我们来看第二个

也就是说由于这个函数是解析的

所以它的虚部就应该是实部的

共轭调和函数

也就是负U是V的共轭调和函数

这是第一个命题

下面我们来看另外一个问题

就是我们知道解析虚部

是实部的共轭调和

这两个是等价的

如果你随便拿两个调和函数

一个做实部一个做虚部

函数未必解析

比方说共轭函数

也就是F=Z的共轭

这就是个反例

那么如果我们知道了一个函数U

或者V是个调和函数

那么由于要使得U+IV

解析的话

还有一个CR方程

我们来看一下

假如在单连通区域D内

U是调和的

那么我们知道它当然

在D内具有二阶连续偏导

且满足拉普拉斯方程

也就是说我们可以把CR条件

把这个拉普拉斯方程

先这样看

这是U关于X的二阶偏导

那加上U关于Y的二阶偏导

是等于零的

所以我们可以这样写

把它移项之后写成UY

再关于Y等于负的UX

由数学分析的知识可以知道

这个表达式也就是这个

负的UYDX+UXDY

是某一个函数的全微分

其实这个在长微分方程里面

也学习过

这是全微分的表达式

我们不妨设这样一个式子

是函数V的全微分

那么这样的话V就可以

写成定点X0Y0

到动点XY的这样一个曲线积分

其中X0Y0和XY都要落在D内

并且这个积分和路径

是没有关系的

那如果我知道了U

我又求出来V

大家看一下

U和V之间

是否满足CR条件

如果在这里对于V

关于X或者关于Y求偏导

我们就可以发现

V对X求偏导

其实它就等于负的UI

因为这个相当于VXDX

这个相当于是VYDY

所以V关于Y

它正好是等于UX的

这个正好满足CR方程

那也就是说按照这种方式

求出来的V

在配上刚才的U

那么写成U+IV的形式

这个函数就是解析函数

所以我们就得到了

下面这个定理

假如U是单连通区域D内的

调和函数

那么一定存在一个函数V

就是用这种曲线积分的形式

写出来的V

使得U+IV

是D内的解析函数

那么这个具体的表达式

也可以直接由下面的式子推出

也就是说

如果V是一个二元实函数

那么它的全微分

就是VXDX+VYDY

我们利用C2方程

就可以直接用UX=VY

正好带入后式

而UY=-VX

带到前面这个式子

然后再两端从定点XOYO

到动点XY做积分就可以了

下面我们同样的

如果事先知道的是V

作为调和函数

我们也可以求一个函数U

使得U+IV依然是解析的

这个做法跟刚才的方法是一样

这个最终还是用曲线积分的方法

那也就是说

如果我知道一个调和函数U

我就可以利用刚才那个

曲线积分的方法

来求出V

使得U+IV在区域定理解析

同样的知道V

也可以求出U

那我的问题是

刚才给出了这种

曲线积分的方法

大家可以想一想

既然那个式子可以写成

V的全微分

你能不能用其他的方法

来去求 知U求V

好这一节我们介绍了

调和函数

共轭调和函数的概念

给出了解析函数

和调和函数的关系

那就是等价于

虚部是实部的共轭调和函数

好这一讲就到这里

再见

复变函数课程列表:

第1章 复数与复变函数

-1.1 复数

--1.1.1 复数域与复平面

--1.1.2 复数的模长与辐角

--1.1.3 复数的表示方法

--1.1.1 复数域与复平面

--1.1.2 复数的模长与辐角

--1.1.3 复数的表示方法

--电子教案

--延伸阅读

--延伸阅读

--延伸阅读

--1.1 作业测试

-1.2 复平面上的点集

--1.2 复平面上的点集

--1.2 复平面上的点集

--电子教案

--延伸阅读

--延伸阅读

--1.2 作业测试

-1.3 复变函数

--1.3.1 复数与复变函数

--1.3.1 复数与复变函数

--电子教案

--延伸阅读

--1.3 作业测试

-1.4 复球面与无穷远点

--1.4.1 复球面与无穷远点

--1.4.1 复球面与无穷远点

--电子教案

--延伸阅读

--延伸阅读

--1.4 作业测试

-1.5 本章导学

--导学视频

--导学课件

-1.6 小结与测试

--本章测试

第2章 解析函数

-2.1 解析函数的概念与柯西-黎曼方程

--2.1.1 解析函数

--2.1.2 解析函数的判别 第一讲

--2.1.3 解析函数的判别 第二讲

--2.1.2 解析函数的判别 第一讲

--2.1.3解析函数的判别 第二讲

--电子教案

--延伸阅读

--延伸阅读

--2.1 作业测试

-2.2 初等解析函数

--2.2.1 指数函数

--2.2.2 三角函数与双曲函数

--2.2.1 指数函数

--2.2.2 三角与双曲函数

--电子教案

--延伸阅读

--延伸阅读

--延伸阅读

--2.2 作业测试

-2.3 初等多值函数

--2.3.1 根式函数一

--2.3.2 根式函数二

--2.3.1 根式函数一

--2.3.2 根式函数二

--电子教案

--延伸阅读

--延伸阅读

--延伸阅读

--2.3 作业测试

-2.4 本章导学

--导学视频

--导学课件

-2.5 小结与测试

--本章测试

第3章 复变函数的积分

-3.1复积分的概念及其简单性质

--3.1.1 复积分的概念

--3.1.2 复积分的计算

--3.1.3 复积分的性质

--§3.1.1 复积分的概念

--§3.1.2 复积分的计算

--§3.1.3 复积分的性质

--电子教案

--3.1 预习测试

--3.1 作业

--延伸阅读

-3.2柯西积分定理

--3.2.1 柯西积分定理

--3.2.2 不定积分

--3.2.3 柯西积分定理推广1

--3.2.4 柯西积分定理推广2

--3.2.1 柯西积分定理1

--3.2.2 不定积分

--3.2.3 柯西积分定理——柯西积分定理的推广1

--3.2.4 柯西积分定理——柯西积分定理的推广2

--电子教案

--作业测试

--3.2 作业1

-3.3柯西积分公式及其推论

--3.3.1 柯西积分公式及其推论

--3.3.2 柯西积分公式及其推论

--3.3.3 解析函数无穷次可微性

--3.3.4 柯西不等式与刘维尔定理

--3.3.1柯西积分公式

--3.3.2柯西积分公式推论1

--3.3.3解析函数无穷次可微性

--3.3.4柯西不等式与刘维尔定理

--电子教案

--3.3 预习测试

--3.3 作业1

-3.4解析函数与调和函数的关系

--3.4.1 相关概念与关系

--3.4.2 解析函数与调和函数的关系

--3.4.1 相关概念与关系

--3.4.2 解析函数与调和函数的关系

--电子教案

--3.4 预习测试

--3.4 作业

-3.5本章导学

--第三章导学视频

--导学课件

-3.6小结与测试

--复习小结

--本章测试

第4章 解析函数的幂级数表示法

-4.1复级数的基本性质

--4.1.1复数项级数

--4.1.1 复数项级数

--电子教案

--作业测试

--4.1作业

--延伸阅读

-4.2幂级数

--4.2幂函数

--教学课件

--电子教案

--作业测试

--4.2 作业

--延伸阅读

-4.3解析函数的泰勒展式

--4.3.1泰勒定理

--4.3.1泰勒定理

--电子教案

--4.3 预习测试

--4.3 作业

--延伸阅读

-4.4解析函数零点的孤立性及唯一性定理

--4.4.1 解析函数零点的概念与判定

--4.4.2 解析函数零点的孤立性及唯一性h

--4.4.3 最大模原理与解析函数的独特性

--4.4.1 解析函数零点的概念与判定

--4.4.2 解析函数零点的孤立性及唯一性h

--4.4.3 最大模原理与解析函数的独特性

--电子教案

--4.4 预习测试

--4.4 作业

--延伸阅读

-4.5本章导学

--第四章导学视频

--第四章导学课件

-4.6小结与测试

--复变函数第四章复习小结

--第四章测试

第5章 解析函数的洛朗展式与孤立奇点

-5.1 解析函数的洛朗展式

--5.1.1 解析函数的洛朗展式

--5.1.1解析函数的洛朗展式

--5.1 解析函数的洛朗展式

--5.1 电子教材

--5.1 预习测试

--5.1 作业

--5.1 延伸阅读

-5.2 解析函数的孤立奇点

--5.2.1 孤立奇点的分类

--5.2.2 可去奇点

--5.2.3 极点

--5.2.4 本质奇点

--5.2 ppt

--5.2 电子教案

--5.2.1 预习测试

--5.2.2 作业1

--5.2.3 作业2

--5.2.4 作业3

--5.2 延伸拓展

-5.3 解析函数在无穷远点的性质

--5.3.1 解析函数在无穷远点的性质

--5.3.1 解析函数在无穷远点的性质

--5.3 电子教案

--5.3.1预习测试

--5.3.2 作业

--5.3 延伸阅读

-5.4 整函数与亚纯函数的概念

--5.4 整函数与亚纯函数

--5.4 整函数与亚纯函数

--5.4 电子教案

--5.4.1 预习测试

--5.4 延伸阅读

-5.5 本章导学

--第五章 导学视频

--第五章 导学课件

-5.6 小结与测试

--第五章 学习指导

--第五章测试

第6章 留数理论及其应用

-6.1 留数

--6.1.1 留数定义

--6.1.2 留数定理

--6.1.3 无穷远点处的留数

--6.1 PPT

--6.1 电子教案

--6.1.1 预习测试

--6.1.2 作业1

--6.1.3 作业2

--6.1 延伸阅读

-6.2 用留数定理计算实积分

--6.2 留数定理计算实积分

--6.2 用留数定理计算实积分

--6.2 电子教案

--6.2.1 作业1

--6.2.2 作业2

--6.2 延伸阅读

-6.3 幅角定理及其应用

--6.3.1 辐角原理及其应用

--6.3.2 辐角原理及其应用

--6.3 PPT

--6.3 电子教案

--6.3 作业

--6.3 延伸阅读

-6.4 本章导学

--第六章导学视频

-6.5 小结与测试

--复变函数第六章复习小结

--第六章测试

第7章 *共形映射

-7.1 解析变换的特性

--7.1 解析变换的特性

-7.2 分式线性变换

--7.2 分式线性变换

-7.5 智慧课堂参赛课程

--7.5 PPT与电子教案

--7.5 课前讨论

--7.5 学习指导

--7.5 课上抢答与随堂测试

--7.5 留数的定义及求法作业

-7.5.1 附件3 课题教学设计

--附件3 课题教学设计

3.4.1 相关概念与关系笔记与讨论

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