3.5 解析函数与调和函数的关系|数学物理方法

数学物理方法 · 3.5 解析函数与调和函数的关系
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第三章 / 3.5

解析函数与调和函数的关系

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18 调和函数:两个二阶偏导相加为零

实函数 在区域内有连续二阶偏导,且

就叫调和函数。 调和, 不调和,因为后者的拉普拉斯为4。

若 解析,则 都调和。证明从 C-R 出发:、,由混合偏导相等消去。解析函数有任意阶连续导数,保证这些步骤合法。 称为 的共轭调和函数;注意这与复数共轭 是两个概念。

反过来有条件 在单连通域内,调和 能找到全局单值的共轭调和函数;局部总可以。多连通域则可能只能局部找到,例如 在去心平面调和,但对应的角度不可能全域单值连续。

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19 已知实部补虚部:积分后补一个函数

假设给出 。先确认 。C-R 给

对第一式按 积分:。积分常数必须写成 ,因为当前只对 积分。再对 求导,与第二式比较,得 ,故

若再给 ,则 。已知实部后只剩一个纯虚常数;若已知虚部,则只剩一个实常数。

标准步骤 验调和 → 写两条 C-R → 积一条并保留另一个变量的任意函数 → 用另一条确定它 → 用初值定常数 → 必要时整理成 的表达式。不能只做其中一条 C-R 就宣布完成。

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20 教材已知虚部的例题,两个方法对应起来

给 ,要求 。由 C-R:,所以 ;再用 ,得 ,故 。

整理成复数式:

由初值 ,所以 。这是教材例2。

教材还沿折线积分

从原点先水平走到 ,再竖直走到 ,第一段为0,第二段给 。与刚才结果一致。第一轮优先练“积分后补函数”,路径积分法保留,是为了说明共轭函数存在与单连通的联系。

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21 等值线为什么正交,原点为什么可能例外

解析 且 时,等值线 与 在交点正交。因为法向量分别是 ,由 C-R

非零导数条件确保这些梯度非零,等值线在该点有通常的切线。

图 3-4 z²的实部与虚部等值线在非临界点正交
ReIm0绿色:x²-y² = 常数橙色:2xy = 常数原点 f′(0)=0临界点另行分析梯度点积为0;非零导数确保两族等值线有正常切线。

这是解析函数z²的两族正交等值线;原点不套用一般正交结论。

对 ,两族线是 与 ,一般交点正交。在原点 ,零等值线各自分叉,不能把那里当成两条光滑曲线直接套正交结论。

这段几何不是额外负担:下一节的等势线和电力线就是这两族等值线。你要掌握正交的条件、会画简单例子,不必徒手画出每一条复杂双曲线的精确形状。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第三章整理;正文印刷页48—73,章末习题74—77。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第三章含12道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月15日。