Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ ПО ТЕМЕ 7. 1. ТЕОРИЯ ФУНКЦИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ.pdf
Скачиваний:
78
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
606 Кб
Скачать
☆

y

0

x

Рис. 6.

Задача 8

Восстановить аналитическую функцию по ее вещественной части

u (x, y)= e y cos x + xy, w(0)=1 + 2i .

Справочный материал

Пусть функция w = f (z) определена на области D. Зафиксируем точку z = z0 D (соответственно функция примет значение f (z0 )). Пусть переменная z получит приращение z = x +i y , то есть z = z0 + z (при этом z должно быть

настолько мало, чтобы точка z оставалась внутри области D). Тогда значение функции тоже получит приращение

f (z0 )= f (z0 + z)− f (z0 ).

Производной функции w = f (z) в точке z0 называется

предел

f (z)− f (z0 )

 

 

 

 

 

lim

=

lim

w

=

f ′(z0 ),

 

z

z→z0

z − z0

z→0

 

 

при условии, что он существует.

Функция дифференцируема в точке z0 тогда и только тогда,

когда существует конечная производная f ′(z0 ).

17

Функция, дифференцируемая в каждой точке области,

называется дифференцируемой в этой области.

 

 

Пусть

функция f (z)= u(x, y)+ i v(x, y)

определена

в

некоторой

окрестности точки z0 = x0 + i y0 ,

где u(x, y)

и

v(x, y) дифференцируемы в этой точке. Тогда для того, чтобы функция w = f (z) была дифференцируема в точке z0 ,

необходимо и достаточно, чтобы в этой точке выполнялись равенства

∂u∂x∂u

∂y

= ∂∂vy

.

= − ∂∂vx

Эти равенства называются условиями Коши - Римана или

условиями Эйлера - Даламбера.

Однозначная функция w = f (z), дифференцируемая в какойлибо точке и некоторой ее окрестности, называется

аналитической в этой точке.

Если функция w = f (z) является аналитической в каждой

точке области D, то она называется аналитической в этой области.

Функция является аналитической в области тогда и только тогда, когда в каждой точке этой области выполняются условия

Коши-Римана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если w = f (z) аналитическая в некоторой области, то

её

вещественная и мнимая части u(x, y)

и v(x, y)

удовлетворяют

дифференциальному

уравнению

Лапласа

 

∂2T

+

∂2T

= 0 ,

то

 

∂x2

∂y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

есть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2u

+

∂2u

= 0 ,

∂2v

 

+

∂2v

= 0 .

 

 

 

 

 

∂x2

∂y2

∂x2

∂y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

Решения уравнения Лапласа называются гармоническими функциями.

Решение задачи

1) Проверим, является ли функция гармонической.

 

∂u

= −e y

sin x + y ;

∂u = e y cos x + x ;

 

∂x

 

 

∂y

 

∂2u = −ey cos x ;

∂2u = e y cos x ;

 

∂x2

 

∂y2

Поскольку

∂2u

+ ∂2u

= −e y cos x + e y cos x = 0 , требование

 

∂x2

∂y2

 

 

гармоничности выполнено.

2) Для отыскания функции v(x, y) воспользуемся условиями Коши - Римана.

Так как

∂u = −e y

sin x + y , то из первого условия Коши -

 

 

∂x

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Римана получаем

= −e y sin x + y , откуда

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v(x, y)= ∫(−e y sin x + y)dy = −e y sin x +

y2

+ c(x).

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

По второму условию Коши - Римана ∂v = −

∂u , то есть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂y

 

 

 

 

 

y

2

'

= −(e y cos x + x), или

 

 

−e y sin x +

 

+ c(x)

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

−e

y

 

 

 

′

y

cos x − x ,откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x + c (x)= −e

 

 

c′(x)= −x .

Интегрируя, найдем c(x)= ∫(− x)dx = − x2 + c1 , и подставим

2

последнее выражение в формулу (1): 19

v(x, y)= −e y sin x +

y2

−

x2

 

 

 

+ c .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, аналитическая функция имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

2

 

 

x

2

 

 

w(x +i y)= e y cos x + xy +i −e y sin x +

 

 

−

 

+c

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая в этом равенстве x = z, y = 0 , получаем

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w(z)= cos z +i −sin z −

 

 

 

+ c

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая заданные начальные условия, находим c1 :

 

w(0)=1 +ic1 =1 + 2i c1 = 2 .

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w(z)= cos z +i 2 −sin z −

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 9

Найти образ линии x + y = 2 при следующих отображениях:

а) w =1−2iz , б) w = 1z .

Решение задачи

а) Учитывая, что z = x +iy , запишем

w =1−2iz =1−2i(x +iy) =1+2 y −2ix =u +iv ,т.е.

u =1 + 2 yv = −2x

Выразим из последних соотношений x и y :

x = − 2vy = u −1 .

2

20

Подставив их в уравнение заданной линии, получим уравнение

прямой −

v

+

u −1

 

= 2 , или u −v = 5 (рис. 7).

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

y

z

v

 

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

0 2

x

0

5

u

−5

Рис. 7.

б) Выражениеw =

1

дает

z =

1

 

или

 

 

z

w

 

 

 

 

 

1

 

 

 

u −iv

 

 

x +iy =

 

 

 

=

.

 

u +iv

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

u2 +v2

 

u

 

 

 

 

 

 

−v

 

 

x =

 

,

y =

 

.

u2 +v2

u2 +v2

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив x и y в уравнение исходной линии, получим

u

+

v

= 2 , откуда 2(u2 +v2 ) −u −v = 0 , или

u2 + v2

 

u2 + v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

−

1

2

1

.

 

 

 

u −

4

 

+ v

 

=

8

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

Последнее уравнение определяет окружность радиуса

1

2 2

сцентром в точке 1 ; 1 (рис.8).

4 4

21