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調和函式


任何 實函式 u(x,y) 具有連續二階 偏導數 且滿足 拉普拉斯方程 的,

 del ^2u(x,y)=0,
(1)

被稱為調和函式。在物理學和工程學中,調和函式被稱為 勢函式。勢函式非常有用,例如在電磁學中,它們將對 3 分量 向量場 的研究簡化為對 1 分量 標量函式 的研究。標量調和函式被稱為 標量勢,而向量調和函式被稱為 向量勢

為了在 平面 中找到一類這樣的函式,請用 極座標 寫出 拉普拉斯方程

 u_(rr)+1/ru_r+1/(r^2)u_(thetatheta)=0,
(2)

並僅考慮徑向解

 u_(rr)+1/ru_r=0.
(3)

這是可透過積分求解的,因此定義 v=du/dr,

 (dv)/(dr)+1/rv=0
(4)
 (dv)/v=-(dr)/r
(5)
 ln(v/A)=-lnr
(6)
 v/A=1/r
(7)
 v=(du)/(dr)=A/r
(8)
 du=A(dr)/r,
(9)

所以解是

 u=Alnr.
(10)

忽略平凡的加法和乘法常數,一般純徑向解變為

u=ln[(x-a)^2+(y-b)^2]^(1/2)
(11)
=1/2ln[(x-a)^2+(y-b)^2].
(12)

其他解可以透過微分獲得,例如

u=(x-a)/((x-a)^2+(y-b)^2)
(13)
v=(y-b)/((x-a)^2+(y-b)^2),
(14)
u=e^xsiny
(15)
v=e^xcosy,
(16)

 tan^(-1)((y-b)/(x-a)).
(17)

包含方位角依賴性的調和函式包括

u=r^ncos(ntheta)
(18)
v=r^nsin(ntheta).
(19)

泊松核

 u(r,R,theta,phi)=(R^2-r^2)/(R^2-2rRcos(theta-phi)+r^2)
(20)

是另一個調和函式。


另請參閱

共形對映狄利克雷問題調和分析調和分解Harnack 不等式Harnack 原理開爾文變換拉普拉斯方程泊松積分泊松核標量勢施瓦茨反射原理次調和函式向量勢

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參考文獻

Ash, J. M. (Ed.). Studies in Harmonic Analysis. Washington, DC: Math. Assoc. Amer., 1976.Axler, S.; Bourdon, P.; and Ramey, W. Harmonic Function Theory. Springer-Verlag, 1992.Benedetto, J. J. Harmonic Analysis and Applications. Boca Raton, FL: CRC Press, 1996.Cohn, H. Conformal Mapping on Riemann Surfaces. New York: Dover, 1980.Krantz, S. G. "Harmonic Functions." §1.4.1 and Ch. 7 in Handbook of Complex Variables. Boston, MA: Birkhäuser, pp. 16 and 89-101, 1999.Weisstein, E. W. "Books about Potential Theory." http://www.ericweisstein.com/encyclopedias/books/PotentialTheory.html.

在 上被引用

調和函式

請引用為

Weisstein, Eric W. "調和函式。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/HarmonicFunction.html

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