定义
若二元实函数 在 内有连续二阶偏导数且满足 ,则 为区域 内的调和函数。
区域 内的解析函数,其实部和虚部都是 内调和函数,二者又称一对共轭调和函数;实部与虚部之间的这种约束正是 C-R方程。
给定调和函数 ,未必存在单值解析函数 使 。教材保证存在性的条件是 为单连通区域;更精确地说,障碍是有某条 内的闭回路 使共轭微分 的周期 (由 C-R 方程,这正是 )。反例: 在圆环 上调和,但圆环内不存在这样的单值 。因为若存在,由 知 必是 某分支的平移,而绕原点一周辐角增加 , 回不到原值,与单值性矛盾(这条周期正是 )。
反过来,非单连通并不必然导致失败:在 这类与原点可分离的二连通区域上, 仍有共轭调和函数(此时 能取单值分支,见 支点与割线)。注意判据的关键是"哪条回路",不是"绕不绕原点":对 ,失败的是 中绕 的回路,虽然它们绕原点都是 圈。下面两种方法都默认 单连通(此时不定积分与路径无关,见 原函数与积分路径无关),这是考试范围内最稳妥的设定。
共轭调和函数求解-不定积分法
解析函数 的导数仍然为解析函数,且满足
因此在单连通区域上,只要知道 或者 就可以得到 ,再令
由于解析函数形式上不含
,因此可令上式的
。
最后对 积分
将 回带即可。导数公式的来源见导数(若要看"解析函数的导数仍解析"这一点,见 解析函数的导数公式)。
已知虚部求解析函数
上面的做法是“已知实部 求 ”;已知虚部 时步骤完全对称,只是换用导数公式的另一半
随后的步骤与上面一致:
- 用 、 把 化为 的函数,并令 ;
- 积分 ,得到含一个任意复常数 的 ;
- 用给定的 定出 :已知 时 为实数,已知 时 为纯虚数(已给定的那一部分决定常数的相应分量)。
教材 §25