当前课程知识点:复变函数 > 第3章 复变函数的积分 > 3.4解析函数与调和函数的关系 > 3.4.1 相关概念与关系
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
-1.1 复数
--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
--电子教案
--延伸阅读
--延伸阅读
--1.2 作业测试
-1.3 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
--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
-2.1 解析函数的概念与柯西-黎曼方程
--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
--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
--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
-3.1复积分的概念及其简单性质
--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
--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
--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
--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
-4.1复级数的基本性质
--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
--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
--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
--第四章测试
-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
--5.2.3 极点
--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 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 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
-6.1 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 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 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
--第六章测试
-7.1 解析变换的特性
-7.2 分式线性变换
-7.5 智慧课堂参赛课程
--7.5 课前讨论
--7.5 学习指导
--7.5 留数的定义及求法作业
-7.5.1 附件3 课题教学设计