数学物理方程复变函数

数学物理方法习题解答一、复变函数部分习题解答第一章习题解答1、证明Re z 在z 平面上处处不可导。

证明：令Re z u iv =+。

Re z x =，,0u x v ∴==。

1ux∂=∂，0v y ∂=∂，u v x y ∂∂≠∂∂。

于是u 与v 在z 平面上处处不满足C －R 条件， 所以Re z 在z 平面上处处不可导。

2、试证()2f z z=仅在原点有导数。

证明：令()f z u iv =+。

()22222,0f z z x y u x y v ==+ ∴ =+=。

2,2u u x y x y ∂∂= =∂∂。

v vx y∂∂ ==0 ∂∂。

所以除原点以外，,u v 不满足C －R 条件。

而,,u u v vx y x y∂∂∂∂ , ∂∂∂∂在原点连续，且满足C －R 条件，所以()f z 在原点可微。

()0000x x y y u v v u f i i x x y y ====⎛⎫∂∂∂∂⎛⎫'=+=-= ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭。

或：()()()2*000lim lim lim 0z z x y z f z x i y z∆→∆→∆=∆=∆'==∆=∆-∆=∆。

22***0*00limlim lim()0z z z z z z zzz z z z z z z z z=∆→∆→∆→+∆+∆+∆∆==+−−→∆∆∆。

【当0,i z z re θ≠∆=，*2i z e z θ-∆=∆与趋向有关，则上式中**1z zz z∆∆==∆∆】3、设333322()z 0()z=00x y i x y f z x y ⎧+++≠⎪=+⎨⎪⎩，证明()z f 在原点满足C －R 条件，但不可微。

证明：令()()(),,f z u x y iv x y =+，则()33222222,=00x y x y u x y x y x y ⎧-+≠⎪=+⎨+⎪⎩， 33222222(,)=00x y x y v x y x y x y ⎧++≠⎪=+⎨+⎪⎩。

数学中的复变函数及其应用复变函数理论是现代数学中的一个重要分支，它研究的对象是复数域中的函数，具有广泛应用。

在物理学、工程学、计算机科学等领域中，复变函数被广泛应用，特别是在电磁学、流体力学、信号处理等领域中，有着相当重要的地位。

一、复变函数基础复变函数是以复数为自变量，复数为函数值的函数，即f(z)=u(x,y)+iv(x,y)，其中，u(x,y)和v(x,y)是实函数，并且满足柯西-黎曼方程组：$$\begin{cases}\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \\\\\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}\end{cases}$$柯西-黎曼方程组的解析函数又称为全纯函数，是复变函数理论中的核心概念。

全纯函数在整个复平面上都有解析，这是测量、研究复数在平面中的绝佳工具。

二、复数域中的积分复变函数在复数域中的积分有很多重要性质，如柯西公式和柯西积分定理等。

①柯西公式：设f(z)在曲线C所包围的区域D上解析，则对于D中的任何点P，有$$f(P) = \frac{1}{2\pi i}\oint_C \frac{f(z)}{z-P} dz$$其中，z是曲线C上的变量。

柯西公式是复变函数中的重要公式，它可以推广到多重积分和各种数学和物理问题中。

②柯西积分定理：设f(z)在区域D内解析，则D内任意两条连接两点A和B的曲线积分相等：$$\int_{\gamma_1} f(z) dz = \int_{\gamma_2} f(z) dz$$其中，$\gamma_1$和$\gamma_2$分别是由A到B的两条可求长曲线。

柯西积分定理是复变函数理论中的重要概念，它不仅可以应用于计算积分，还可以用于研究物理问题的解析解等方面。

三、复变函数应用复变函数在电磁学、流体力学、信号处理、统计学等领域都有应用。

数学物理方法复变函数
复变函数是指定义在复平面上的函数。

复数既有实部又有虚部，因此复变函数能够描述空间中的各种复杂形状，如曲线、曲面和复平面上的多重曲线。

数学物理中，复变函数是一个十分重要的数学工具，它广泛地应用于物理学、工程学和数学学科中，尤其是在解决微积分、傅里叶分析、微分方程和复杂积分等方面的问题时非常有用。

复变函数的解析理论在数学物理中有广泛的应用。

一种重要的应用是将一个实函数扩展到一个复函数，使得它的值域更加广泛。

这样的拓扑结构提供了许多新的计算方法和更深刻的数学理解。

同时在物理学中，复变函数非常有用，可以用来描述电路和电子学、声学和光学学科等领域中的一些复杂现象，如震荡、波动和衍射等。

在解决常微分方程和偏微分方程时，复变函数也经常被用来对问题进行求解和化简。

比如在广义函数理论中，复变函数可以揭示微积分和线性代数之间的联系。

它可以使得高维线性空间的求解变得更加简单，并且极大地方便了复杂流体和结构等问题的求解。

总之，复变函数是物理学和工程学领域中不可或缺的数学工具，对于解决各种复杂问题和理解极其复杂的物理现象有着重要的意义。

数学的复变函数复变函数是数学中的一个重要分支，它研究的是复数域上的函数。

与实变函数不同，复变函数具有复数域上更加丰富的性质和特点。

在本文中，我将介绍复变函数的定义、性质和应用。

一、复变函数的定义和表示复变函数是定义在复数域上的函数，即输入和输出均为复数。

一般来说，复变函数可以表示为$f(z)$，其中$z$是复数，$f$是变换规则。

复数$z$可以表示为$z=x+iy$的形式，其中$x$和$y$分别是实数部分和虚数部分。

复变函数的表示形式有多种，最常见的是使用级数展开的形式。

例如，魏尔斯特拉斯级数是一种常见的复变函数表示方法。

它可以表示为$f(z)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n(z-z_0)^n$，其中$a_n$是复数系数，$z_0$是复数常数。

二、复变函数的性质复变函数具有许多有趣且独特的性质，以下是其中的几个重要性质：1. 解析性：复变函数的一个重要性质是解析性（或称全纯性）。

一个函数在其定义域上是解析的，意味着它在该区域内可以进行无限次的复数微分。

解析函数满足柯西-黎曼方程，即其实部和虚部满足柯西-黎曼条件。

2. 否定性：与实变函数不同，复变函数的性质有时可以由其在定义域内的性质否定。

例如，某些函数可能在无限远处有奇点，或者在某些点上是不连续的。

3. 互补性：复数域上的函数可以分解成实部和虚部的和或差。

这种分解方式可用于简化复变函数的问题，并帮助我们理解函数性质。

三、复变函数的应用复变函数在数学和工程领域中有广泛的应用。

以下是其中一些主要应用领域：1. 数学物理学：复变函数在数学物理学中扮演着重要的角色。

例如，它们用于解决波动方程、电动力学和量子力学中的问题。

复变函数的工具和技术为解这些方程提供了很大的帮助。

2. 等势流理论：在流体力学领域，复变函数的概念广泛应用于等势流理论。

这个理论用于描述在理想流体中以连续形式流动的流线。

3. 统计和概率：复变函数也在统计学和概率论中有应用。

第一章 复变函数1.1 复数与复数运算【1】下列式子在复数平面上各具有怎样的意义？ 5，arg ,Re ,z a z b αβ<<<<（,,a αβ和b 为实常数）解：射线ϕα=与ϕβ=，直线x a =与x b =所围成的梯形。

7，111z z -≤+解：11111z z z z -≤⇒-≤++，令z x iy =+，则11z z -≤+即()()2222110x y x y x -+≤++⇒≥。

即复数平面的右半平面0x ≥。

【2】将下列复数用代数式，三角式和指数式几种形式表示出来。

3，1+解：代数式即：1z =+；2ρ=，且z 的辐角主值arg 3z π=，因此三角式：2cos2sin33z i ππ=+；指数式：232i k i z e eππϕρ⎛⎫+ ⎪⎝⎭==，k ∈ 。

7，1i 1i-+解：21i (1i)2i i 1i(1i)(1i)2---===-++-，因此，其代数式：i z =-，三角式：33cos sin22z i ππ=+；指数式：322i k i z e eππϕρ⎛⎫+ ⎪⎝⎭==，k ∈ 。

【3】计算下列数值。

（a ，b 和ϕ为实常数）2，解：将被开方的i 用指数式表示：22ei k i ππ⎛⎫+ ⎪⎝⎭=，k ∈ 。

那么2322eexp 63i k k i ππππ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫==+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，k ∈ 。

7，cos cos 2cos 3cos n ϕϕϕϕ++++ 解：因为，cos R e (1)ik k e k n ϕϕ=≤≤，因此()[]2323cos cos 2cos 3cos R e R e R e R e (1)R e R e 1cos cos(1)sin sin(1)R e 1cos sin 222sin sin cos 222R e 2sin sin 2i i i in i in i i i in i n e eeee e eeeee n i n i n n n i ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ++++=++++⎡⎤-=++++=⎢⎥-⎣⎦⎧⎫-++-+⎪⎪=⎨⎬--⎪⎪⎩⎭++⎛⎫- ⎪⎝⎭= 222(1)2sin 2R e sin cos 2221(1)sin sin sin sin cos 22222R e sin sin2sin222n i i n i n e i e n n n n e ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ++⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎛⎫⎢⎥- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎛⎫++- ⎪⎝⎭===1.2 复变函数【2】计算下列数值。

第一章 复述和复变函数 1.5连续若函数)(x f 在0z 的领域内（包括0z 本身）已经单值确定，并且)()(0lim 0zf z f z z =→，则称f(z)在0z 点连续。

1.6导数若函数在一点的导数存在，则称函数在该点可导。

f(z)=u(x,y)+iv(x,y)的导数存在的条件 (i)x u ∂∂、y u ∂∂、x v ∂∂、yv ∂∂在点不仅存在而且连续。

(ii)C-R 条件在该点成立。

C-R 条件为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂-=∂∂∂∂=∂∂y y x u xy x v y y x v x y x u ),(),(),(),( 1.7解析若函数不仅在一点是可导的，而且在该点的领域内点点是可导的，则称该点是解析的。

解析的必要条件：函数f(z)=u+iv 在点z 的领域内(i)x u ∂∂、y u ∂∂、x v ∂∂、yv ∂∂存在。

(ii)C-R 条件在该点成立。

解析的充分条件：函数f(z)=u+iv 在领域内(i)x u ∂∂、y u ∂∂、x v ∂∂、yv∂∂不仅存在而且连续。

(ii)C-R 条件在该点成立。

1.8解析函数和调和函数的关系 拉普拉斯方程的解都是调和函数：22x u ∂∂+22y u∂∂=0 ①由此可见解析函数的实部和虚部都是调和函数。

但是任意的两个调和函数作为虚实两部形成的函数不一定是解析函数，因为它们不一定满足C —R 条件。

②当知道f(z)=u(x,y)+iv(x,y)中的u(x,y)时，如何求v(x,y)?通过C —R 条件列微分方程 第二章 复变函数的积分 2.2解析函数的积分柯西定理：若函数f(z)在单连区域D 内是解析的，则对于所有在这个区域内而且在两个公共端点A 与B 的那些曲线来讲，积分⎰BAdz z f )(的值均相等。

柯西定理推论：若函数f(z)在单连区域D 内解析，则它沿D 内任一围线的积分都等于零。

⎰=Cdz z f 0)(二连区域的柯西定理：若f(z)在二连区域D 解析，边界连续，则f(z)沿外境界线(逆时针方向)的积分等于f(z)沿内境界线(逆时针方向)的积分。

数学物理方法总结第一章 复变函数复数的代数式:z=x+iy复数的三角式和指数式:(cos sin )z ρϕϕ=+和i z e ϕρ=欧拉公式:{1sin ()21cos ()2iz iz iz izz e e iz e e --=-=+柯西-黎曼方程(或称为柯西-黎曼条件):{u u x yv v x y∂∂=∂∂∂∂=-∂∂ (其中f(z)=u+iv)函数f(z)=u+iv 在点0z 及其领域上处处可导,则称f(z)在0z 点解析.在区域B 上每一点都解析,则称f(z)是在区域B 上的解析函数.解析函数的性质:1.若函数f(z)=u+iv 在区域B 上解析,则12(,),(,)u x y C v x y C ==(12,C C 为常数)是B 上的两组正交曲线族.2.若函数在区域B 上解析,则u,v 均为B 上的调和函数,即22220u vx y ∂∂+=∂∂ 例题: 已知某解析函数f(z)的实部22(,)u x y x y =-,求虚部和这个解析函数.解答: 由于22ux∂∂=2;22v y ∂∂=-2;则22220u v x y ∂∂+=∂∂曲线积分法u x ∂∂=2x;u y ∂∂=-2y.根据C-R 条件有:v x∂∂=2y;v y ∂∂=2x.于是 22dv ydx xdy =+;(,0)(,)(0,0)(,0)(,)(,)(,0)(22)(22)(22)22x x y x x y x y x v ydx xdy C ydx xdy ydx xdy Cxdy C xy C=++=++++=+=+⎰⎰⎰⎰凑全微分显式法由上式可知dv=2ydx+2xdy贝易得dv=d(2xy)则显然v=2xy+C不定积分法上面已有—=2y;丝=2xdx dy则第一式对y积分,x视为参数，有v=J2xy+(p(x)=2xy+(p(x)......................dv...上式对x求导有一=2y+^\x),而由C-R条件可知(p\x)=0,dx从而(p(x)=C.故v=2xy+C.f(z)=x2-y2+i(2x y+C)=z2+iC第二章复变函数的积分单连通区域柯西定理如果函数f(z)在闭单连通区域B上解析，则沿B上任意一分段光滑闭合闭合曲线1(也可以是B的边界)，有血/⑵也=0.复连通区域柯西定理如果f(z)是闭复连通区域上的单值解析函数，则山任)也+£由/(z)也=0.式中1为区域外边界线，诸l为区域内边界线，积分均沿边界线的正方向进行.即血力＞)也=力血/(z)d z.柯西公式f(a)=t^-也""dz2m z-an次求导后的柯西公式f(〃)(z)=£山声舄化2mi中(。

第一章 复变函数 §1.1 复数与复数运算1、下列式子在复数平面上个具有怎样的意义？ （1）2≤z解：以原点为心，2为半径的圆内，包括圆周。

（2）b z a z −=−，（a 、b 为复常数）解：点z 到定点a 和b 的距离相等的各点集合，即a 和b 点连线的垂直平分线。

（3）z Re ＞1/2解：直线2/1=x 右半部分，不包括该直线。

（4）1Re ≤+z z解：即122≤++x y x ，则1≤x ， x y 212−≤，即抛物线x y 212−=及其内部。

（5）α＜z arg ＜β，a ＜z Re ＜b ，（α、β、a 、b 为实常数） 解： （6）4arg0π<+−<i z i z 解：2222)1(21++−−+=+−y x xi y x i z i z 因为4arg0π<+−<i z i z 所以1)1(1)1(200)1(1)1(2222222222222<++−+++−<>++−+>++−y x y x y x xy x y x y x x，即0x 21,0x 22>+−+<y x 综上所述，可知z 为左半平面x<0，但除去圆0x 2122=+−+y x 及其内部 （7）,11z 1-z ≤+解：()()[]2222222221411iy 111z 1-z y x y y x y x x iy x +++⎥⎦⎤⎢⎣⎡++−+=+++−=+ 所以()()[]2222222141y x y y x ++≤+−+化简可得0≥x （8）)/1Re(z =2解：2e x 1e )/1Re(2222=+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=y x xy x iy x R iy R z 即()16/14/122=+−y x(9)22Re a Z =解：2222Re a y x Z =−=(10)222122122122z z z z z z +=−++解：()()()()()()2222212122122122122122y x y x y y x x y y x x +++=−+−++++可见，该公式任意时刻均成立。