8.9. 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.