数学物理方法第四梁昆淼期末总结学习教案.pptx

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1、会计学1数学数学(shxu)物理方法第四梁昆淼期末总物理方法第四梁昆淼期末总结结第一页，共84页。2、复数(fsh)的运算:加、减、乘、除、乘方(chngfng)、开方(1)、加法和减法(2)、乘法(chngf)和除法 第2页/共84页第二页，共84页。(2)、乘法(chngf)和除法 两复数相除就是把模数相除,辐角相减。两复数相乘就是把模数相乘,辐角相加;第3页/共84页第三页，共84页。(3)复数的乘方(chngfng)和开方或(n为正整数的情况)复数的乘、除、乘方和开方(ki fng)运算，采用三角式或指数式往往比代数式来得方便。棣莫弗公式(gngsh)：第4页/共84页第四页，共84页

2、。二、六种初等二、六种初等二、六种初等二、六种初等(chdng)(chdng)复变函数：复变函数：复变函数：复变函数：1.幂函数2.指数函数 周期为2i，3.三角函数周期为2 第5页/共84页第五页，共84页。4、双曲函数(hnsh)5、根式函数 周期(zhuq)为2i6、对数函数 第6页/共84页第六页，共84页。例1：已知 ，则 。例2：复数(fsh)ez 的模为 ，辐角为 .第7页/共84页第七页，共84页。三、解析三、解析三、解析三、解析(ji x)(ji x)函数函数函数函数1、柯西-黎曼方程 直角坐标系：极坐标系：2、解析(ji x)函数性质：(1)、若 是解析函数，则 。(2)、

3、若函数 在区域 B上解析，则 u和v必为B上的相互共轭调和函数。第8页/共84页第八页，共84页。3 3、构建解析、构建解析、构建解析、构建解析(ji x)(ji x)函函函函数：数：数：数：给出一个二元调和函数作为解析函数的实部或虚部，通过(tnggu)CR 条件求出该解析函数的虚部或实部，从而写出这个解析函数。算偏导 u或v 的全微分(wi fn)求积分 表成 第9页/共84页第九页，共84页。例 3：已知解析函数(hnsh)的实部 ，求虚部和这个解析函数(hnsh)。根据(gnj)C-R条件，解：第10页/共84页第十页，共84页。第11页/共84页第十一页，共84页。例4：已知解析函数

4、 f(z)的虚部 ，求实部 和这个解析函数 f(z)。解：提示：当给定(i dn)的 u 或 v 中含有因子x2+y2，这种情况下采用极坐标处理比较方便，即令 。第12页/共84页第十二页，共84页。第13页/共84页第十三页，共84页。将上面(shng min)第二式对 积分，视作参数，有 其中 为 的任意函数。将上式两边(lingbin)对 求导，第14页/共84页第十四页，共84页。第15页/共84页第十五页，共84页。第第二二章章 复复变变函函数数(hnsh)(hnsh)积积分分一、复变函数积分(jfn)的性质：P23 二、计算(j sun)复变函数回路积分 1、单通区域柯西定理：P2

5、42、复通区域柯西定理：P253 3、重要公式应用（、重要公式应用（、重要公式应用（、重要公式应用（P28P28）第16页/共84页第十六页，共84页。4 4、柯西公式、柯西公式、柯西公式、柯西公式(gngsh)(gngsh)高阶导数(do sh)的柯西公式第17页/共84页第十七页，共84页。当被积函数在积分区域内有奇点时的回路积分，可利用(lyng)柯西公式来计算,(1)把被积函数写成 的形式，f(z)在积分区域上解析,为积分区域内一点；(2)利用柯西公式 来计算积分.第18页/共84页第十八页，共84页。2yxo1第19页/共84页第十九页，共84页。例2下列(xili)积分不为零的是(

6、)。C第20页/共84页第二十页，共84页。第三章第三章第三章第三章 幂级数展开幂级数展开幂级数展开幂级数展开(zhn ki)(zhn ki)(zhn ki)(zhn ki)一、收敛(shulin)半径 方法1：比值(bzh)判别法方法2：根值判别法收敛圆：收敛域：第21页/共84页第二十一页，共84页。例1求幂级数 的收敛(shulin)圆.解收敛(shulin)圆:第22页/共84页第二十二页，共84页。解:例2幂级数 的收敛(shulin)域。收敛(shulin)域:第23页/共84页第二十三页，共84页。二、把圆域或环域或某一点的邻域上解析二、把圆域或环域或某一点的邻域上解析二、把圆域

7、或环域或某一点的邻域上解析二、把圆域或环域或某一点的邻域上解析(ji(ji x)x)函数展函数展函数展函数展成幂级数成幂级数成幂级数成幂级数 根据解析(ji x)函数泰勒级数和洛朗级数展开的唯一性，一般可利用熟知的泰勒展开式，通过变量变换，结合级数的四则运算、逐项求导和积分、分解成最简分式等方法去展开。间接(jin ji)展开法：第24页/共84页第二十四页，共84页。常见函数(hnsh)的泰勒展开式:第25页/共84页第二十五页，共84页。解：第26页/共84页第二十六页，共84页。解：第27页/共84页第二十七页，共84页。奇点名称(mngchng)可去奇点极点(jdin)本性(bnxng

8、)奇点不含负幂项含无限个负幂项含有限个负幂项的洛朗级数极限性质三、有限远孤立奇点分类及其类型判定三、有限远孤立奇点分类及其类型判定三、有限远孤立奇点分类及其类型判定三、有限远孤立奇点分类及其类型判定第28页/共84页第二十八页，共84页。极限判定(pndng)法来判定(pndng)可去奇点，极点，本性奇点。几个名词的定义：孤立奇点，非孤立奇点，可去奇点，m阶极点(jdin)，本性奇点第29页/共84页第二十九页，共84页。设函数 f(z)在回路 l 所围区域 B上除有限个孤立奇点b1，b2，bn外解析，在闭区域 上除b1，b2，bn外连续，则f(z)沿l正向积分 之值等于f(z)在l所围区域内

9、各奇点的留数和的2 i倍.左边的积分是沿l 的正向(zhn xin)进行的；注意(zh y):右边(yu bian)的奇点是指l 所围区域内的，并非是f(z)所有的奇点。第四章第四章 留数定理留数定理 一、留数定理：P52第30页/共84页第三十页，共84页。二、计算(j sun)留数 各孤立(gl)奇点留数的计算公式奇点类型(lixng)可去奇点0m阶极点一阶极点普遍公式本性奇点第31页/共84页第三十一页，共84页。极点(jdin)阶数判定 法一把极点(jdin)阶数估计得过高n就是(jish)极点的阶数把极点阶数估计得过低(nm)(n=m)(nm)法二零点和极点的关系 若z=z0是 f(

10、z)的m阶零点，则z=z0必是 的m阶极点。第32页/共84页第三十二页，共84页。三、留数定理(dngl)的应用 1、计算闭合回路(hul)积分；例1解：，其奇点为：z1=4,z2=2,z3=1 只有单极点z2=2,z3=1 在积分(jfn)回路内。第33页/共84页第三十三页，共84页。类型(lixng)一：类型(lixng)二：2、计算(j sun)三种类型实变函数定积分；类型三：第34页/共84页第三十四页，共84页。解：第35页/共84页第三十五页，共84页。且其留数为 只有单极点 在圆 内，第36页/共84页第三十六页，共84页。解：所以(suy)明显，只有 在上半平面，且为 f(

11、z)的一阶极点，因此第37页/共84页第三十七页，共84页。第38页/共84页第三十八页，共84页。解：有两个二阶极点 ，其中 在上半平面，P61 例7第39页/共84页第三十九页，共84页。第五章第五章第五章第五章 傅里叶变换傅里叶变换傅里叶变换傅里叶变换(binhun)(binhun)(binhun)(binhun)一、傅里叶级数(j sh)1、周期函数(zhu q hn sh)(T=2l)的傅里叶展开 一般周期函数：、；P88 奇函数：、；P90 偶函数：、；P90 傅里叶正弦级数傅里叶余弦级数傅里叶级数第40页/共84页第四十页，共84页。2、定义(dngy)在有限区间(0,l)上的函

12、数的傅里叶展开 对函数f(x)的边界（区间的端点(dun din)x=0,x=l）上的行为提出限制，即满足一定的边界条件，这常常就决定了如何延拓。(1)、边界条件为f(0)=0,f(l)=0 应延拓成以2l为周期(zhuq)的奇函数(奇延拓)(2)、边界条件为应延拓成以2l为周期的偶函数(偶延拓)第41页/共84页第四十一页，共84页。(3)、边界条件为根据边界条件f(0)=0应将函数f(x)对区间(0,l)的端点x=0作奇延拓。又根据边界条件 ，应将函数 f(x)对区间(0,l)的端点x=l作偶延拓，然后以4l为周期向整个实轴延拓，延拓以后的函数是以4l为周期的奇函数。第42页/共84页第四

13、十二页，共84页。(4)、边界条件为 又根据边界条件f(l)=0，应将函数(hnsh)f(x)对区间(0,l)的端点x=l作奇延拓，然后(rnhu)以4l为周期向整个实轴延拓，延拓以后的函数是以4l为周期的偶函数。根据边界条件 应将函数f(x)对区间(0,l)的端点x=0作偶延拓。第43页/共84页第四十三页，共84页。实数形式的傅里叶积分和傅里叶变换:其中 复数形式的傅里叶积分:二、傅里叶积分(jfn)f(x)非周期函数(zhu q hn sh)x(-,)可以写成对称(duchn)的形式:第44页/共84页第四十四页，共84页。三、函数(hnsh)1、函数(hnsh)定义2、函数(hnsh)

14、性质挑选性：3、函数的傅里叶积分满足下面两个条件:的函数(x-x0)称为函数。(1)(2)第45页/共84页第四十五页，共84页。定解问题(wnt)泛定方程(fngchng)定解条件(tiojin)初始条件:说明物理现象初始状态的条件 边界条件:说明边界上的约束情况的条件 波动方程输运方程稳定场方程第七章 数学物理定解问题 衔接条件第46页/共84页第四十六页，共84页。杆或弦的振动：表示初始的位移表示初始的速度初始条件：给出某一初始(ch sh)时刻整个系统的已知状态。在热传导现象中，初始条件就是给出初始时刻系统中每点的温度u之值。其中T(r)是已知函数。第47页/共84页第四十七页，共84

15、页。如：不需要(xyo)初始条件 一般地说，初始条件的个数等于数理方程(fngchng)所含有的对时间最高阶偏导数的阶数。第48页/共84页第四十八页，共84页。(1)、杆或弦两端(lin dun)固定 常见(chn jin)的边界条件：边界条件：给出系统(xtng)的边界在各个时刻的已知状态。三类线性边界条件：P123(1)、第一类边界条件：(2)、第二类边界条件：(3)、第三类边界条件：第49页/共84页第四十九页，共84页。(2)、杆两端(lin dun)自由(3)、杆的两端保持(boch)恒温T(4)、两端(lin dun)绝热 0 x第50页/共84页第五十页，共84页。(5)、两端

16、(lin dun)有热流强度为f(t)的热流流出 0 xl f(t)f(t)在x=0端:在x=l端:同理得，两端有热流(rli)强度为f(t)的热流(rli)流入，则 第51页/共84页第五十一页，共84页。数学物理(wl)定解问题的适定性:(1)解的存在(cnzi)性 看所归结出来(ch li)的定解问题是否有解；(2)解的唯一性 看是否只有一个解(3)解的稳定性 当定解问题的自由项或定解条件有微小变化时，解是否相应地只有微小的变化量 定解问题解的存在性、唯一性和稳定性统称为定解问题的适定性.第52页/共84页第五十二页，共84页。解：弦仅在x0处受策动力作用(zuyng)，故其定解问题为：

17、例1：长为l的均匀弦，两端(lin dun)x=0和x=l固定，在点x0(0 x0l)受谐变力F0sint的作用而作微小振动，试写出其定解问题。第53页/共84页第五十三页，共84页。解定解问题(wnt)三步曲：（1）写出正确(zhngqu)的定解问题；（2）边界条件齐次化；（3）求解傅氏级数法或分离(fnl)变数法.第八章 分离变数法 第54页/共84页第五十四页，共84页。分离(fnl)变数法 齐次的振动(zhndng)方程和输运方程 齐次的边界条件 傅里叶级数(j sh)法 齐次或非齐次的振动方程和输运方程 齐次的边界条件 第55页/共84页第五十五页，共84页。一、分离变数(binsh

18、)法解题步骤(1)对齐次方程(fngchng)和齐次边界条件分离变量；(2)解关于空间因子的常微分方程(wi fn fn chn)的本征值问题；(3)求其它常微分方程的解，与本征函数相乘，得 到本征解。(4)迭加所有本征解，由初始条件或非齐次边界条件 确定迭加系数，而最后得到所求定解问题的解。第56页/共84页第五十六页，共84页。例1：用分离变数(binsh)法求定解问题先以分离变数(binsh)形式的试探解 解：代入泛定方程(fngchng)(1)和边界条件(2)，得(1)(2)(3)第57页/共84页第五十七页，共84页。本征值问题(wnt)本征值：本征函数：其通解(tngji)为 相应

19、(xingyng)的本征解 一般解是所有本征解的线性迭加，(4)第58页/共84页第五十八页，共84页。一般(ybn)解是所有本征解的线性迭加，代入初始条件，(4)第59页/共84页第五十九页，共84页。例2：用分离变数(binsh)法求定解问题(1)(2)(3)先以分离(fnl)变数形式的试探解 解：代入泛定方程(fngchng)(1)和边界条件(2)，得 第60页/共84页第六十页，共84页。本征值问题(wnt)本征值：本征函数：其通解(tngji)为 相应(xingyng)的本征解 一般解是所有本征解的线性迭加，第61页/共84页第六十一页，共84页。代入初始条件，所求的定解问题(wnt

20、)的解为：第62页/共84页第六十二页，共84页。运用傅氏级数(j sh)法求定解问题，要注意在不同齐次边界条件下，所求定解问题的解展开为不同形式的傅里叶级数(j sh)，二、傅里叶级数(j sh)法第63页/共84页第六十三页，共84页。三、熟练掌握如何三、熟练掌握如何三、熟练掌握如何三、熟练掌握如何(rh)(rh)(rh)(rh)把非齐次边界条件齐次化：把非齐次边界条件齐次化：把非齐次边界条件齐次化：把非齐次边界条件齐次化：(1)、若是第一类非齐次边界条件 可设 可将w(x,t)的边界条件齐次化。引入辅助(fzh)函数v(x,t)，令u(x,t)=v(x,t)+w(x,t)，使v(x,t)

21、满足非齐次边界条件，可将函数u(x,t)满足的非齐次边界条件的定解问题变换为函数w(x,t)满足的齐次边界条件的定解问题。第64页/共84页第六十四页，共84页。可设 可将w(x,t)的边界条件是齐次的，(3)、若是第一(dy)、二类非齐次边界条件 或可设 可将w(x,t)的边界条件齐次化。(2)、若是第二类非齐次边界条件 第65页/共84页第六十五页，共84页。例3、求定解问题(wnt)解：设令代入上式第66页/共84页第六十六页，共84页。由于(yuy)边界条件是第一类齐次边界条件，所以设代入泛定方程(fngchng)，得第67页/共84页第六十七页，共84页。代入初始条件，所求的定解问题

22、(wnt)的解为：第68页/共84页第六十八页，共84页。例4、求定解问题(wnt)解：设令代入上式第69页/共84页第六十九页，共84页。由于(yuy)边界条件是第一类齐次边界条件，所以设代入泛定方程(fngchng)，得代入初始条件，定解问题(wnt)的解为 第70页/共84页第七十页，共84页。1 1、掌握、掌握、掌握、掌握(zh(zh ngw)ngw)勒让德方程本征值问题的解及勒让德方程本征值问题的解及勒让德方程本征值问题的解及勒让德方程本征值问题的解及其性质其性质其性质其性质 (1)l阶勒让德方程与自然边界条件构成(guchng)本征值问题(自然(zrn)边界条件)本征值问题本征值是

23、l(l+1)本征函数则是l阶勒让德多项式Pl(x)。第十章 球函数 第71页/共84页第七十一页，共84页。(2)勒让德多项式的性质(xngzh)1)、正交性 不同(b tn)阶的勒让德多项式在区间(-1,1)上正交，2)2)2)2)、勒让德多项式的模、勒让德多项式的模、勒让德多项式的模、勒让德多项式的模 第72页/共84页第七十二页，共84页。3)3)3)3)、勒让德多项式的全体构成、勒让德多项式的全体构成、勒让德多项式的全体构成、勒让德多项式的全体构成(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)完完完完备组备组备组备组 如何将一个定义在x的区间-1,1上的函数f(x)展

24、开(zhn ki)成广义傅里叶级数：一般(ybn)公式：展开系数 待定系数法 仅适用于f(x)是关于x的次幂的多项式 第73页/共84页第七十三页，共84页。(3)勒让德多项式的母函数(hnsh)母函数(hnsh)以半径为R的球代替(dit)单位球，则 第74页/共84页第七十四页，共84页。3、掌握关于(guny)极轴对称拉氏方程在球坐标系下的解：关于轴对称的拉氏方程的定解问题(wnt)的通解为 对球内轴对称问题(wnt)自然边界条件：取Bl=0，应排除 ,第75页/共84页第七十五页，共84页。例1、解：边界条件与无关(wgun)，以球坐标的极轴为对称轴。此定解问题(wnt)是轴对称情况下

25、的球内问题(wnt)，故 代入边界条件 P231例3第76页/共84页第七十六页，共84页。左边是广义(gungy)的傅里叶级数，所以用待定系数法将右边函数x2展开为广义(gungy)的傅里叶级数，比较(bjio)左右两端，得 第77页/共84页第七十七页，共84页。解得，比较(bjio)左右两边系数，得 第78页/共84页第七十八页，共84页。例2、在本来是匀强的静电场中放置(fngzh)均匀介质球，本来的电场强度是E0，球的半径是r0，相对介电常数是，试求解介质球内外的电势.解:如图所示，建立坐标系，取球心为球坐标系的极点(jdin)，通过球心而平行于E0的直线为球坐标系的极轴。定解问题为：P233例5第79页/共84页第七十九页，共84页。第80页/共84页第八十页，共84页。第81页/共84页第八十一页，共84页。第82页/共84页第八十二页，共84页。第83页/共84页第八十三页，共84页。感谢您的观看(gunkn)！第84页/共84页第八十四页，共84页。