- •Введение
- •1. Элементы теории функций
- •1.1. Комплексные числа и действия над ними
- •1.1.2. Сложение и вычитание комплексных чисел
- •1.1.3. Умножение и деление комплексных чисел
- •1.2. Комплексная плоскость.
- •1.3. Комплексные функции
- •1.3.1. Комплексные функции
- •1.3.2 Комплексные функции
- •1.4. Ряды с комплексными членами
- •1.5. Элементарные функции комплексного
- •1.5.1. Показательная, тригонометрические и гиперболические функции комплексного переменного. Формулы Эйлера
- •1.5.2. Логарифмическая функция
- •1.6. Производная от функции комплексного переменного.
- •1.7. Аналитические и гармонические функции. Связь между ними
1.7. Аналитические и гармонические функции. Связь между ними
Функция = u(x,y)+iv(x,y) называется аналитической в точке z = x+iy, если она имеет производную в точке z и в некоторой окрестности этой точки. Функция называется аналитической в области D, если она аналитична в каждой точке этой области, иначе говоря, если во всех точках области D выполняются условия Коши – Римана
.
Функция u(x,y) называется гармонической в области D, если она имеет в области D непрерывные производные до второго порядка включительно и если
=
0. (1.45)
Выражение называется оператором Лап-
ласа
и обозначается через
,
так что уравнение (1.45)
можно записать в виде = 0.
Следующие две теоремы устанавливают связь между аналитическими и гармоническими функциями.
Теорема 1. Если функция = u(x,y)+iv(x,y) аналитична в области D, то функции u(x,y) и v(x,y) гармоничны в области D.
Доказательство. Так как функция аналитична в области D, то во всех точках этой области выполняются условия Коши - Римана (1.38)
.
Предполагая, что функции u(x,y) и v(x,y) имеют в области D непрерывные частные производные до второго порядка включительно, продифференцируем первое из равенств (1.38) по переменной x, а второе - по y и сложим полученные равенства. Получим
=
.
Точно так же доказывается гармоничность функции v(x,y).
Теорема 2. Если функция u(x,y) гармонична в односвязной области D, то существует аналитическая функция такая, что Re = u(x,y).
Для доказательства этой теоремы достаточно найти функцию v(x,y) такую, чтобы для функции
= u(x,y)+iv(x,y) в области D выполнялись условия Коши-Римана (1.38)
,
.
Эти равенства можно рассматривать как систему дифференциальных уравнений для определения функции v(x,y). Проинтегрируем первое из равенств (1.38) по переменной x в пределах от x0 до x. Получим
,
отсюда следует, что
.
Полученное равенство продифференцируем по переменной y. Получим
.
(1.46)
Так как функция u(x,y) гармонична в области D, то
.
Если в равенстве (1.46) сделать еще замену , то это равенство запишется в виде
.
Отсюда следует, что
,
.
Таким образом,
.
(1.47)
Точно так же доказывается, что
.
(1.48)
С помощью формул (1.47) и (1.48) функция v(x,y), а следовательно, и функция , определяется с точностью до постоянного слагаемого.
Теорема доказана.
Функции u(x,y) и v(x,y), для которых в области D выполняются условия Коши-Римана (1.38), называются взаимно сопряженными. Зная одну из них, вторая определяется с точностью до постоянного слагаемого.
Пример. Дана гармоническая функция u(x,y) = x2-y2-x. Найти сопряженную ей функцию v(x,y) и аналитическую функцию = u(x,y)=iv(x,y) при дополнительном условии f(0) = 0.
Для решения этой задачи воспользуемся формулой (1.48), полагая в этой формуле x0=0, y0=0. Так как
,
,
то
.
Следовательно,
= (x2-y2-x) + i(2xy–y+C) = (x+iy)2 - (x+iy) + iC = z2-z+iC.
Из условия f(0) = 0 следует, что C = 0.
Таким образом, v(x,y) = 2xy-y, f(z) = z2–z.
