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        解析函數(shù)的物理意義及其應用

        2015-04-11 10:30:12
        赤峰學院學報·自然科學版 2015年22期
        關鍵詞:向量場勢函數(shù)高等教育出版社

        瑛 瑛

        (呼倫貝爾學院 數(shù)學統(tǒng)計學院,內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

        解析函數(shù)是復變函數(shù)論研究的主要對象,因此,復變函數(shù)論又稱為解析函數(shù)論.解析函數(shù)不僅具有多種性質(zhì),也有著廣泛的應用.但很多教材中,尤其物理、電信等專業(yè)的《復變函數(shù)與積分變換》教材中很少涉及到解析函數(shù)的物理意義及應用.本文簡明地介紹了解析函數(shù)的物理意義,并例舉了典型的應用例子,從而使解析函數(shù)的概念從抽象到具體,更容易讓學生理解.

        1 復變函數(shù)的物理意義

        物理學上有很多不同的穩(wěn)定平面場,所謂場就是每點對應有物理量的一個區(qū)域,可用一個復變函數(shù)表示.

        例1 平面向量場的復變函數(shù)表示.

        分析:如果一個向量場E為平面場,則E上所有的向量都平行與某一個平面S.這樣,向量場E就可以用平面S上的向量場來表示.在平面S上采用向量的復數(shù)記法,那么向量場E就唯一地確定一個復變函數(shù)

        這里,Ex,Ey分別表示向量場E在x軸和y軸上的兩個分量.反之,已知某一個復變函數(shù)w=u(x,y)+iv(x,y),由此也可以作出一個對應的平面向量場

        2 解析函數(shù)的物理意義

        一個無源無旋的平面向量場可用一個解析函數(shù)表示,則這個解析函數(shù)是該平面向量場的復勢函數(shù).

        例2 平面靜電場用解析函數(shù)表示.

        分析:選取一個有代表性的平面作為z平面,設D是電場中的一個單連通區(qū)域,如果D內(nèi)每一點電場強度f(z)=u(x,y)+iv(x,y),由場論知識,有

        由式(1)可知,-vdx+udy是某一個二元函數(shù)ψ(x,y)的全微分,即有

        ψ(x,y)稱為電場的力函數(shù),其等值線ψ(x,y)=c稱為電力線.

        由(2)可知,存在函數(shù) φ(x,y),使得

        φ(x,y)稱為電場的勢函數(shù),其等值線φ(x,y)=c稱為等勢線.

        由(2)和(3)得到偏微分方程組

        以上方程是C-R方程,因此得到一個解析函數(shù)

        該函數(shù)稱為靜電場的復勢函數(shù).顯然,f的復勢不是唯一確定的,可以相差一個常數(shù).

        類似地,對任一既無源又無旋的平面向量場總可以構(gòu)造一個解析函數(shù),即復勢與之對應.流體力學中無旋流動的研究中也經(jīng)常用到解析函數(shù),利用復勢來刻畫流動比用復速度方便,因為由復勢求復速度只用到求導數(shù),反之則要用積分.另一方面,由復勢容易求流線和勢線,這樣可以了解流動的情況.

        例3 已知平面流速場的復勢f(z)為(z+i)2,求流動的速度以及流線和等勢線方程.

        故該流體流動的水平及垂直分速分別為2x,2(y+1).

        綜上所述,解析函數(shù)具有明確的物理意義和廣泛的應用背景.在復變函數(shù)論的課堂教學中,把解析函數(shù)及其他的一些概念和定理等的物理意義及應用作以介紹,對提高學生的學習興趣及培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實際的能力有很大的幫助.

        〔1〕鐘玉泉.復變函數(shù)論[M].高等教育出版社,2004.

        〔2〕華中科技大學數(shù)學系,復變函數(shù)與積分變換(第三版)[M].高等教育出版社,2008.

        〔3〕余家榮.復變函數(shù)[M].高等教育出版社,2005.

        〔4〕張金鋒,等.解析函數(shù)在平面靜電場中的應用性研究[J].吉林師范大學學報 2013(2):84-86.

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