複變函式,自集英社歸來,唐唐復活!

Troverld發表於2024-10-18

\[\newcommand{\Co}{\operatorname C} \newcommand{\Am}{\operatorname A} \newcommand{\Vo}{\operatorname V} \newcommand{\Me}{\operatorname m} \newcommand{\Se}{\operatorname s} \newcommand{\Ne}{\operatorname N} \newcommand{\Fa}{\operatorname F} \newcommand{\Jo}{\operatorname J} \newcommand{\Om}{\operatorname\Omega} \newcommand{\Si}{\operatorname S} \newcommand{\Te}{\operatorname T} \newcommand{\Ga}{\operatorname G} \newcommand{\Wb}{\operatorname{Wb}} \newcommand{\He}{\operatorname H} \newcommand{\Ke}{\operatorname K} \newcommand{\Wa}{\operatorname W} \newcommand{\Var}{\operatorname{var}} \newcommand{\eV}{\operatorname{eV}} \newcommand{\v}{\vec} \newcommand{\b}{\boldsymbol} \newcommand{\d}{\mathrm d} \newcommand{\p}{\partial} \newcommand{\e}{\mathrm e} \newcommand{\j}{\mathtt j} \newcommand{\i}{\mathtt i} \newcommand{\vare}{\varepsilon} \newcommand{\varp}{\varphi} \newcommand{\ome}{\omega} \newcommand{\the}{\theta} \newcommand{\Emo}{\mathcal E} \newcommand{\ovl}{\overline} \newcommand{\para}{\parallel} \newcommand{\t}{\tilde} \]

現在我們嘗試解決靜電場的邊值問題。這個問題有著如下模型:給定曲面上各處電勢和內部的電荷分佈,由唯一性原理,曲面內部的電場、電勢分佈隨之確定。現在,我們試圖解出之。

一個最樸素的場合是曲面是帶電導體的邊界故而是等勢面,而其它位置都沒有電荷。此時,在無電荷的區域,由 Gauss 定理,有

\[\nabla\cdot\b E=\dfrac\rho{\vare_0}=0 \\\b E=-\nabla\varp \\\nabla^2\varp=0 \]

這是一個 Lagrange 方程的形式。一般而言,這是難以求出精確解的。

但是,如果電場在某一維上幾乎沒有變化,則它退化為二維問題

\[\dfrac{\p^2x}{\p x^2}+\dfrac{\p^2y}{\p y^2}=0 \]

此時可以使用複變函式方法解決。


一個二維場 \(\b A=A_x\b i+A_y\b j\) 與複變函式 \(A+A_x+\i A_y\) 等效。

\(\b v=v_x\b i+v_y\b j\) 是不可壓縮理想液體的流速場。則 \(v_x,v_y\in\mathscr C^1\)

\(\b v\) 是無源場,即 \(\nabla\cdot\b v=0\),則有

\[\dfrac{\p v_x}{\p x}=-\dfrac{\p v_y}{\p y} \]

此時,令 \(-v_y\d x+v_x\d y\) 是某個二元函式 \(\psi\) 的全微分,則

\[\dfrac{\p\psi}{\p x}=-v_y,\dfrac{\p\psi}{\p y}=v_x \]

沿著等值線 \(\psi(x,y)=C\),有 \(d\psi(x,y)=-v_y\d x+v_x\d y=0\),因此等值線上有 \(\dfrac{\d y}{\d x}=\dfrac{v_y}{v_x}\)。即,\(\psi\) 等值線上每一點處的向量場 \(\b v\) 與等值線相切,\(\psi(x,y)=C\) 是流線,\(\psi\) 稱作流函式。

同時,對於無旋場的 \(\b v\),有

\[\dfrac{\p v_y}{\p x}-\dfrac{\p v_x}{\p y}=0 \]

則令 \(v_x\d x+v_y\d y\)\(\varp(x,y)\) 的全微分,可知有 \(\nabla\varp=\b v\)。則 \(\varp\)\(\b v\) 的勢函式,其等值線為等勢線。

\(\b v\) 既無旋又無源(典型即為無電荷區域內的電場),則它同時有勢函式和流函式,比較可知有

\[\dfrac{\p\varp}{\p x}=\dfrac{\p\psi}{\p y},\dfrac{\p\varp}{\p y}=-\dfrac{\p\psi}{\p x} \]

這恰是 Cauchy-Riemann 方程。於是,

\[f(z)=\varp(x,y)+\i\psi(x,y) \]

則是一解析函式,稱作該平面場的 復勢

\[v=v_x+\i v_y=\dfrac{\p\varp}{\p x}+\i\dfrac{\p\varp}{\p y}=\dfrac{\p\varp}{\p x}-\i\dfrac{\p\psi}{\p x}=\ovl{f'(z)} \]

於是有流速場 \(\b v\) 對應的復變形式 \(v\) 滿足 \(v(z)=\ovl{f'(z)}\) 的形式。

在電工學中,靜電場 \(\b E\) 使用滿足 \(\d u=-E_y\d x+E_x\d y\) 的函式作為力函式,\(\d v=-E_x\d x-E_y\d y\) 的函式作為勢函式,\(w=u+\i v\) 作為復勢,滿足

\[\b E=-\i\ovl{f'(z)} \]

與流速場的復勢差一個 \(-\i\) 的因子乃是電工學中習慣用法。


微元 \(\d z\) 在可微函式 \(f(z)\) 的變換下變成了 \(\d z'\)\(\d z\) 相對於 \(\d z'\),有 \(\arg f'(z)\) 的輻角變換和 \(|f'(z)|\) 的長度伸縮;取同一點處的另一微元 \(\d\tilde z\),類似分析則可知該變換是保角的。對於解析函式,其是處處保角的,因此也被稱作保角變換。

現在我們假設要求一個不太優秀的區域內的電勢分佈。我們可以嘗試對該區域應用保角變換,令該區域中的 \((x,y)\mapsto(\xi,\eta)\)。然後把 \(\nabla^2=\dfrac{\p^2}{\p x^2}+\dfrac{\p^2}{\p y^2}\)\(\xi,\eta\) 表示,然後由 \(\xi,\eta\) 的 C-R 方程的一坨推導後可知,

\[\nabla^2=\left[\left(\dfrac{\p\xi}{\p x}\right)^2+\left(\dfrac{\p\xi}{\p y}\right)^2\right]\dfrac{\p^2}{\p\xi^2}+\left[\left(\dfrac{\p\eta}{\p x}\right)^2+\left(\dfrac{\p\eta}{\p y}\right)^2\right]\dfrac{\p^2}{\p\eta^2} \]

因為 \(f(x,y)=\xi(x,y)+\i\eta(x,y)\),所以兩個係數都等於 \(|f'(z)|^2\)。於是有

\[\nabla_{x,y}^2=|f'(z)|^2\nabla_{\xi,\eta}^2 \]

這意味著,如果從 \(x,y\) 系變到 \(\xi,\eta\) 系後,Laplace 運算元會按照 \(|f'(z)|^2\) 的比例擴大。因此,如果初始是 Poisson 方程

\[\nabla^2\varp(x,y)=-\dfrac\rho{\vare_0} \]

那麼變換後的方程是

\[\nabla^2\varp(\xi,\eta)=-\dfrac1{|f'(z)|^2}\dfrac\rho{\vare_0} \]

令新的 \(\rho\) 是原來的 \(\dfrac1{|f'(z)|^2}\) 即可。例如,依此法算電容時,\(\rho\) 雖然縮小,但 \(\d S\) 的微元會被放大 \(|f'(z)|^2\) 倍,因此總 \(Q\) 是不變的;而 \(\varp\) 在兩個系中是統一的,因此 \(\varp\) 也不變,因此保角變換前後電容不變。


常見保角變換諸如:

  • 線性變換 \(f(z)=az+b\)。是樸素位似,一般不單獨使用。
  • 冪/根變換 \(f(z)=z^n\)\(f(z)=z^{1/n}\)。冪變換是 \(r\e^{\i\theta}\mapsto r^n\e^{\i n\theta}\)。這是好的,例如在某一個角度(如 \(60^\circ\))取 \(z^3\) 即可變為半空間。在 \(\xi,\eta\) 空間中求出分佈後,逆變換為 \(x,y\) 空間即可得知原分佈。
  • 指數函式 \(f(z)=e^xe^{\i y}\),將平行於 \(x\) 軸的直線轉為過原點的直線,將平行於 \(y\) 軸的直線轉成以原點為圓心的圓。對數是其逆變換。

例:求兩個半徑為 \(R_1,R_2\) 的共心圓柱間的電容。

\(f=\ln z\),其被變換為 \(x=\ln R_1,x=\ln R_2\)\(y\in[0,2\pi]\) 的兩個平行板。其電容直接為 \(\dfrac{\vare_0 S}d=\dfrac{\vare_02\pi}{\ln R_2-\ln R_1}\)

  • 分式線性變換 \(f(z)=\dfrac{az+b}{cz+d}\)。變形為 \(\dfrac ac+\dfrac{(bc-ad)/c^2}{z+d/c}\)。其可以被看作先後經過 \(z\mapsto z+c_1\)\(z\mapsto\dfrac{c_2}z\)\(z\mapsto z+c_3\) 三個變換的疊加。一、三都是平移,而二可以將一個圓變成另一個圓。圓變換性質很牛:對於兩個對稱點(即生成 Apollonius 圓恰為該圓的二點),變換後仍然保持這一性質(即對稱點的像仍是對稱點)。這是因為,過對稱點的任意圓都與 Apollonius 圓正交(交點處,一個圓的半徑會切另一個圓),而保角變換保角進而保正交。

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