数学物理方法ppt.ppt

2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,1,数学物理方法,复变函数论,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,2,复变函数论,复数复变函数导数解析函数本章小结,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,3,复数,数的扩张（完善化）自然数减法不封闭整数除法不封闭有理数不完备 实数方程可解性复数,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,4,复数,复数的表示代数表示z=x+iyx=Real(z),y=Imagine(z)三角表示z=r(cos+i sin)r=|z|,=Arg(z)指数表示z=r exp(i)exp(i)=cos+i sin,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,5,复数,几何表示,关系x=r cosy=r sinr=(x2+y2)=Arctan(y/x)特点无序性复数无大小矢量性复数有方向,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,6,复数,运算加减法(x1+iy1)(x2+iy2)=(x1x2)+i(y1y2)乘除法r1exp(i1)r2exp(i2)=r1r2 expi(1+2)幂和开方r exp(i)n=rn exp(in)r exp(i)1/n=r1/n exp(i/n)复共轭z=x+iy z*=x iyz=r exp(i)z*=r exp(-i),2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,7,复变函数,概念定义函数：从一个数域(定义域）到另一个数域（值域）的映射实变函数：f:xy复变函数：f:zw举例f(n)=fn=(1+i)n,nNf(z)=znf(z)=exp(z)f(z)=ln(z),2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,8,复变函数,更多的例子w=az2w=az2+bz+cw=1/(az+b)w=(az+b)w=Ln(az+b)w=sin zw=Arccos zw=an znw=an sin(nz)w=(1-z2/n22)w=exp(-z2)dz,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,9,复变函数,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,10,复变函数,分析与比较定义域和值域相同点：都是数集不同点：实数集是一维的，可以在(直)线上表示；复数集是二维的，必须在(平)面上表示。典型例子：|x|2 是连通的，1|x|是不连通的；|z|2是单连通的，1|z|是复连通的。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,11,复变函数,映射相同点在形式上：y=f(x),w=f(z)不同点在变量上：z=x+iy,w=u+iv在描述上：实变函数可以用两个数轴组成的平面上的曲线表示；复变函数不能用一个图形完全表示。联系u=u(x,y),v=v(x,y)可以用两个曲面分别表示复变函数的实部与虚部。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,12,复变函数,结构相同点：复杂函数都可以分解为简单的基本函数组成。不同点：基本实变函数xn,x1/n,exp(x),ln(x),sin(x),arctan(x)基本复变函数zn,z1/n,exp(z),ln(z)原因cos(z)=(eiz+e-iz)/2,sin(z)=(eiz-e-iz)/2i,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,13,复变函数,基本函数二次函数定义w=z2分析u+iv=(x+iy)2=x2+2ixy-y2 u=x2-y2,v=2xy性质对称性无周期性无界性单值性,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,14,复变函数,三次函数定义w=z3分析u+iv=(x+iy)3=x3+3ix2y-3xy2-iy3 u=x3 3xy2,v=3x2y-y3 性质对称性无周期性无界性单值性,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,15,复变函数,指数函数定义w=exp(z)分析u+iv=exp(x+iy)=exp(x)cosy+i sinyu=exp(x)cos y,v=exp(x)sin y性质不对称性周期性exp(z+2i)=exp(z)无界性单值性,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,16,复变函数,对数函数定义w=Ln(z)分析u+iv=Ln r exp(i)=ln r+i u=ln r,v=性质对称性非周期性无界性多值性：|,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,17,复变函数,三角函数定义w=sin(z)分析u+iv=sin(x+iy)=sin(x)ch(y)+i cos(x)sh(y)u=sin(x)ch(y),v=cos(x)sh(y)性质对称性周期性无界性单值性,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,18,复变函数的导数,基本概念,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,19,复变函数的导数,可导条件分析,C-R条件ux=vy vx=-uy充要条件偏导数 ux，vy，vx，uy 连续满足C-R条件意义可导函数的虚部与实部不是独立的，而是相互紧密联系的。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,20,复变函数的导数,典型情况初等函数在定义域内都可导；函数Re(z),Im(z),|z|,Arg(z),z*不可导。导数的计算法则：复变函数的求导法则与实变函数完全相同；例子：(sin2z)=2 sin z cos zexp(z2)=2 z exp(z2)(z3)”=6 z,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,21,复变函数的导数,导数的意义微商表示f(z)=dw/dz 模：|f(z)|=|dw|/|dz|幅角：Argf(z)=Arg(dw)-Arg(dz),2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,22,解析函数,定义点解析函数f(z)在点z0及其邻域上处处可导区域解析函数f(z)在区域B上每一点都解析性质调和性解析函数的实部与虚部都是调和函数，即 u=uxx+uyy=0,v=vxx+vyy=0正交性解析函数的实部与虚部梯度正交，即 uv=（uxi+uyj)（vxi+vyj)=uxvx+uyvy=0或曲线 u(x,y)=C1,v(x,y)=C2 相互垂直。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,23,解析函数,应用例1：已知平面电场的电势为u=x2-y2，求电力线方程。分析：等势面与电力线相互正交，对应的函数组成一个解析函数的实部与虚部，满足C-R条件。解：设电力线为v(x,y)=C,由C-R条件得vx=-uy=2y,vy=ux=2xdv=vxdx+vxdy=2ydx+2xdy=d(2xy)v=2xy注意：电力线方程的一般形式为 f(2xy)=C,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,24,解析函数,例2：已知平面电场的等势线为x2+y2=C，求电势u(x,y)。分析：等势线方程的左边不一定恰好是电势表达式，电势必须有调和性，可看成某个解析函数的实部。解：设电势为 u=f(x2+y2)ux=2xf,uxx=2f+4x2f”uy=2yf,uyy=2f+4y2f”uxx+uyy=4f+4(x2+y2)f”=0令 t=x2+y2,g=f(t)g+t g=0g=-ln t+Cf=,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,25,解析函数,例3：已知平面温度场的温度分布为u=x2-y2，求热流量函数。分析：热流的方向与等温线相互正交，对应的函数组成一个解析函数的实部与虚部，满足C-R条件。解：设热流量函数为v(x,y)=C,由C-R条件得vx=-uy=2y,vy=ux=2xdv=vxdx+vxdy=2ydx+2xdy=d(2xy)v=2xy注意：热流线方程的一般形式为 f(2xy)=C,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,26,本章小结,复变函数定义：两个复数集合之间的映射；特点：定义域和值域为2维；定义域出现复连通现象；不能用一个图形完全描述；极限存在的要求提高；分析：可以分解成2个二元实函数；解析函数满足CR条件；实部和虚部都是调和函数，相互正交。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,27,数学物理方法,复变函数的积分,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,28,复变函数的积分,路积分柯西定理不定积分柯西公式本章小结,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,29,路积分,路积分的概念和性质,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,30,路积分,路积分的计算思路化复为实公式IC f(z)dz=C(u+iv)(dx+idy)=C(udx-vdy)+iC(udy+vdx)公式IIC f(z)dz=C(u+iv)(eidr+i r eid)=C ei(udr-vrd)+i(urd+vdr),2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,31,路积分,例题1沿图所示的三条曲线分别计算复变函数Czdz从O到B的定积分。,解：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,32,路积分,例题2沿图所示的三条曲线分别计算复变函数C z2dz从O到B的定积分。,解：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,33,路积分,例题3沿图所示的三条曲线分别计算复变函数C Re(z)dz从O到B的定积分。,解：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,34,路积分,例题4沿图所示的三条曲线分别计算复变函数z-1dz从O到B的定积分。,解：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,35,柯西定理,积分规律的探究归纳如果函数f(z)在单连通区域内解析，则路积分与路径无关，完全由起点和终点决定。猜想如果函数f(z)在闭单连通区域B上解析，则沿B上任一分段光滑闭合曲线 l的路积分有：,证明（见教材）,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,36,柯西定理,推广规律闭复连通区域上的解析函数沿外边界线逆时针积分等于沿所有内边界线逆时针积分之和。公式,统一表述解析函数沿所有边界线正向积分为零；起点和终点固定时，积分路径在解析区域中连续变形不改变路积分的值。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,37,柯西定理,例题计算积分,解：如a不在L内，I=0当a在L内时，如 n 0，I=0；如 n 0，可以用柯西定理的推广,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,38,不定积分,不定积分原函数概念上限为变量的路积分称为不定积分分析如被积函数f(z)在单连通区域B上解析，则不定积分单值。如被积函数f(z)在复连通区域B上解析，则不定积分多值；原函数概念如f(z)在单连通区域B上解析，则不定积分,在B上定义了一个单值解析函数，称为f(z)的原函数，,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,39,不定积分,性质设F(z)是f(z)的原函数，则 F(z)=f(z)如果允许相差一个任意常数，则不定积分可以写成 F(z)=f(z)dz求原函数在原函数存在的情况下，复积分与实积分只是变量不同，形式上没有任何区别，其原函数的计算方法和结果与实数情况完全类似。例如:zn dz=zn+1/(n+1)cos(z)dz=sin(z)sin(z)dz=-cos(z)exp(z)dz=exp(z),2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,40,柯西公式,柯西公式公式如f(z)在单连通闭区域B上解析，L为B的边界线，a为B内的任意一点，则,证明：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,41,柯西公式,变形,推广：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,42,柯西公式,意义解析函数的整体性：边界值完全决定内部值；解析函数的可导性：一次可导=无限次可导。应用理论上模数原理：f(z)在闭区域解析，|f(z)|在边界上取最大值；刘维定理：全平面上有界的解析函数必为常数。计算上简化路积分的计算。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,43,柯西公式,应用举例例1问题：计算回路积分,分析：与柯西公式比较，可知f(z)=cosh(z),a=-1,解：由柯西公式,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,44,柯西公式,例2问题：计算回路积分,分析：与推广的柯西公式比较，可知f(z)=sinh(z)，a=0，n=1,解：由推广的柯西公式,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,45,柯西公式,例3问题：计算回路积分,分析：与柯西公式比较，可知f(z)=，a=,例4问题：计算回路积分,分析：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,46,本章小结,路积分复变函数的路积分可分解为2个线积分；一般情况下，路积分与积分路径有关；柯西定理在单连通区域内解析，则路积分与路径无关，完全由起点和终点决定；在复连通区域内解析，则回路积分等于沿回路里所有内边界线积分之和。柯西公式,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,47,数学物理方法,幂级数展开,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,48,幂级数展开,复级数幂级数和泰勒展开双边幂级数和罗朗展开孤立奇点本章小结,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,49,复级数,复数项级数形式：i=1 ui 通项：ui 为复数部分和：sn=n ui 和：s=lim sn 余项：rn=s-sn=un+1+un+2+收敛：s 存在0,N(),s.t.nN()=|s-sn|收敛,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,50,复级数,收敛性判别法级数i=1 ui比值法=limk|uk+1/uk|1，发散。根值法=limk|uk|1/k1，发散。,例：判断几何级数的敛散性 n=0 a0 qn解：1.比值法=|q|q|1，发散。2.根值法=|q|limk|a0|1/k=|q|q|1，发散。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,51,复级数,复函项级数形式：i=1 ui(z)通项：ui(z)部分和函数：sn(z)=i=1n ui(z)和函数：s(z)=lim sn(z)收敛域：z|s(z)存在 定义：0,N(,z),s.t.nN(,z)|s(z)-sn(z)|0,N(),s.t.nN()|s(z)-sn(z)|性质：各项连续和连续，和的积分=各项积分之和；各项可导和可导，和的导数=各项导数之和,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,52,幂级数和泰勒展开,幂级数形式：s(z)=k=0 ak(z-b)k收敛域：R=limk|ak/ak+1|=limk|ak+1(z-b)k+1/ak(z-b)k|=|z-b|/R|z-b|R 1，发散。一致收敛性：s(z)dz=k=0 ak(z-b)k dz s(z)=k=0 ak(z-b)k,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,53,幂级数和泰勒展开,泰勒展开问题：一个幂级数是其收敛圆内的解析函数，反之如何？泰勒定理：一个在圆|z-b|=R 内解析的函数f(z)可以展开为幂级数 f(z)=k=0 ak(z-b)k该幂级数在圆|z-b|=R内收敛；以b为中心的展开式是唯一的；系数 ak=f(n)(b)/n!应用柯西积分公式，系数也可以表示为,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,54,幂级数和泰勒展开,展开方法基本方法（用定理）f(z)=k=0 ak(z-b)k，an=f(n)(b)/n!例1：题目：在b=0的邻域上把f(z)=exp(z)展开。解答：f(z)=exp(z)f(n)(z)=exp(z)f(n)(0)=1an=1/n!f(z)=k=0 zk/k!该幂级数在圆|z|内收敛；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,55,幂级数和泰勒展开,例2：题目：在b=0的邻域上把f(z)=1/(1-z)展开。解答：f(z)=1/(1-z)f(z)=1/(1-z)2f”(z)=2/(1-z)3f(n)(z)=n!/(1-z)n+1f(n)(0)=n!an=1f(z)=k=0 zk该幂级数在圆|z|1内收敛；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,56,幂级数和泰勒展开,发散方法（用性质）线性组合的展开=展开之线性组合。和函数的积分=各项积分之和；和函数的导数=各项导数之和；例3：题目：在b=0的邻域上把f(z)=cosh(z)展开。解答：cosh(z)=exp(z)+exp(-x)/2exp(z)=k=0 zk/k!exp(-z)=k=0(-z)k/k!cosh(z)=k=0 zk/k!+(-z)k/k!/2=k=0 z2k/(2k)!该幂级数在圆|z|内收敛；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,57,幂级数和泰勒展开,例4：题目：在b=0 的邻域上把 f(z)=ln(1-z)展开。解答：ln(1-z)=-(1-z)-1dz(1-z)-1=k=0 zkln(1-z)=-k=0 zk dz=-k=0 zk+1/(k+1)例5：题目：在b=0 的邻域上把 f(z)=(1-z)-2 展开。解答：(1-z)-2=(1-z)-1(1-z)-1=k=0 zk(1-z)-2=k=0 zk=k=0 k zk-1,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,58,双边幂级数和罗朗展开,负幂级数形式：s(z)=k=0 ak(z-b)-k收敛域：t=1/|z-b|t|=1/|z-b|R=1/R双边幂级数形式：s(z)=k=-ak(z-b)k分析双边幂级数=正幂级数+负幂级数收敛域：R|z-b|R,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,59,双边幂级数和罗朗展开,罗朗展开问题：一个双边幂级数是其收敛环内的解析函数，反之如何？罗朗定理：一个在环R1|z-b|R2内解析的函数f(z)可以展开为双边幂级数 f(z)=k=ak(z-b)k该幂级数在环R1|z-b|R2内收敛；同一环域中的罗朗展开式是唯一的；罗朗系数为,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,60,双边幂级数和罗朗展开,罗朗展开举例例1：题目：在|z|0的区域上把f(z)=cosh(z)/z展开。解答：cosh(z)=k=0 z2k/(2k)!cosh(z)/z=k=0 z2k-1/(2k)!例2：题目：在|z|0的区域上把f(z)=exp(1/z)展开。解答：exp(t)=k=0 tk/k!exp(1/z)=k=0 z-k/k!,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,61,双边幂级数和罗朗展开,例3：题目：以b=0为中心把f(z)=1/z(z-1)展开。分析因为f(z)有两个单极点z=0和z=1,所以它以b=0为中心的解析环有两个0|z|1和1|z|，需要分别展开解答：在环域0|z|1中 f(z)=1/z(z-1)=-1/z(1-z)=-1/z k=0 zk=-k=0 zk-1在环域 1|z|中 f(z)=1/z(z-1)=1/z2(1-z-1)=1/z2k=0 z-k=k=0 z-k-2,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,62,孤立奇点,概念奇点：定义：函数的非解析点；举例：csc(z)在z=n,csc(1/z)在z=0，1/n；判断：初等函数在其定义域内解析；孤立奇点：定义：存在解析邻域的奇点；举例：csc(z)在z=n为孤立奇点,csc(1/z)在z=0为非孤立奇点；特点：本身无定义，对周围有影响；判断：只有有限个奇点的函数不存在非孤立奇点；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,63,孤立奇点,分类原则：根据函数趋向于孤立奇点时的极限行为的不同来分类；分类：极限为有限值，称为可去奇点，例如 sinz/z；极限为(n阶)无穷大，称为(n阶)极点，例如 1/zn；极限不存在，称为本性奇点，例如 exp(1/z)；性质 奇点 邻域罗朗展开式可去奇点：无负幂项；(n阶)极点：有限个负幂项，(最高为n次)；本性奇点：无限多个负幂项；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,64,本章小结,双边幂级数形式：s(z)=k=-ak(z-b)k性质：在环域内一致收敛罗朗展开条件：在环R1|z-b|R2内解析的函数f(z)定理：可以展开为双边幂级数 f(z)=k=ak(z-b)k孤立奇点可去奇点：极限有限，邻域展开式无负幂项；(n阶)极点：极限无穷，邻域展开式有有限个负幂项；本性奇点：极限不存在，邻域展开式有无限多个负幂项。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,65,数学物理方法,留数定理,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,66,留数定理,留数定理留数定理的应用本章小结,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,67,留数定理,留数引入问题：如何高效地计算解析函数的围道积分？方法：由复连通域柯西定理，解析函数的围道积分等于沿围道内奇点邻域积分之和。定性定义复函数f(z)在z=z0的邻域围道积分的结果；当z0为f(z)的解析点时，结果为零，什么都没留下；当z0为f(z)的孤立奇点时，结果通常为一个非零值；定量定义,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,68,留数定理,留数的计算一般情况孤立奇点的留数等于在该点邻域罗朗展开的负一次项的系数；Res f(z0)=a-1证明,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,69,留数定理,极点情况m阶极点的留数由下面的公式确定,证明,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,70,留数定理,单极点情况单极点的留数由下面的公式确定,如果f(z)为分式，即f(z)=P(z)/Q(z),P(z0)0，则有,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,71,留数定理,例1问题：计算函数 f(z)=z2 exp(1/z)的留数。解：f(z)有一个孤立奇点z=0,是本性奇点，在该点罗朗展开,例2问题：计算函数 f(z)=sin(z)/(z-1)2 的留数。解：f(z)有一个孤立奇点z=1,是2阶极点，应用公式,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,72,留数定理,例3问题：计算函数 f(z)=exp(z)/z(z-1)的留数。解：f(z)有两个孤立奇点z=0,1,都是1阶极点，应用公式,又解：也可以用单极点的简化公式,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,73,留数定理,留数定理定理设函数f(z)在回路L所围区域B内除有限个孤立奇点z1,z2,zn外解析，在对应的闭区域上除z1,z2,zn外连续，则,应用步骤确定回路L内的孤立奇点；判断留数定理的条件是否满足；计算各孤立奇点的留数；代入定理。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,74,留数定理的应用,基本应用例题1：计算下列回路积分,解：奇点为,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,75,留数定理的应用,实变函数的定积分基本思想变形法：变线段为封闭曲线；辅助线法：加辅助线使线段封闭。类型一被积函数是三角函数的有理式,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,76,留数定理的应用,解：作变量变换,例题2：计算下列定积分,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,77,留数定理的应用,类型二被积函数是有理分式的广义积分,其中：分母在实轴上没有零点；分母比分子高两次或以上。则：,证明：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,78,留数定理的应用,解：被积函数是有理式，分母比分子高4次，在实轴无零点，满足定理的条件。上半平面内有单极点z=i和z=2i，对应的留数分别为：,例题3：计算下列定积分,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,79,留数定理的应用,类型二的推广 I被积函数是有理分式的广义积分,其中：分母在实轴上有一阶零点；分母比分子高两次或以上。则：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,80,留数定理的应用,解：被积函数是有理式，分母比分子高3次，在实轴有一阶零点，满足定理的推广条件。上半平面有单极点z=2i，实轴有单极点z=1，对应留数：,例题4：计算下列定积分,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,81,留数定理的应用,类型二的推广 II被积函数是广义积分,其中：f(x)为有理式 分母在实轴上没有零点；分母比分子高一次或以上。则：,证明：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,82,留数定理的应用,解：上面的积分可以化为标准形式,例题5：计算下列定积分,被积函数满足定理的条件，上半平面内有单极点z=5i，对应的留数为：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,83,留数定理的应用,类型二的推广III被积函数是广义积分,其中：f(x)为有理式 分母在实轴上有一阶零点；分母比分子高一次或以上。则：,例题6：计算下列定积分,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,84,本章小结,概念留数：回路积分留下的数；计算单极点：一般极点：一般孤立奇点：应用直接应用计算回路积分；间接应用计算三角有理式的积分；计算有理式的广义积分及其推广。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,85,数学物理方法,傅立叶变换,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,86,傅立叶变换,傅立叶级数傅立叶变换狄拉克函数本章小结,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,87,傅立叶级数,三角级数定义由周期为2的正弦和余弦函数的线性组合而成的无穷级数,基本函数族组成：1，cos(nx)，sin(nx)性质：任意两个在一个周期上的积分等于0，称为正交性；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,88,傅立叶级数,傅立叶展开傅立叶展开定理：周期为2的函数f(x)可以展开为三角级数，展开式系数为,狄利克雷收敛定理 收敛条件在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点；在一个周期内至多只有有限个极值点。收敛结果当x是连续点时，级数收敛于该点的函数值；当x是间断点时，级数收敛于该点左右极限的平均值。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,89,傅立叶级数,展开举例对称函数对奇函数：,对偶函数：,典型周期函数(周期为2),2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,90,傅立叶级数,傅立叶展开的意义：理论意义：把复杂的周期函数用简单的三角级数表示；应用意义：用三角函数之和近似表示复杂的周期函数。例如：对称方波的傅立叶展开,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,91,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,92,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,93,傅立叶级数,重要推广推广1：问题：把周期为T=2L的函数f(t)的展开：方法：对基本公式作变换xt/L，,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,94,傅立叶级数,推广2问题：把定义在-L,L 上的函数 f(t)展开；方法：先把它延拓为周期函数(即把它当成是一个周期 为2L的函数的一部分)，再按推广1展开；注意：所得到的级数仅在原定义范围中与f(t)一致。延拓前 延拓后,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,95,傅立叶级数,推广3问题：把定义在 0,L 上的函数 f(x)展开；方法：先把它延拓为-L,L上的奇函数或偶函数，再按推广2把它延拓为周期函数，最后按推广1展开；注意：所得到的级数仅在原定义范围中与f(x)一致。公式：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,96,傅立叶级数,展开的复数形式展开公式：,基本函数族：,正交性：,展开系数：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,97,傅里叶生平,1768年生于法国1807年提出“任何周期信号都可用正弦函数的级数表示”1822年发表“热的分析理论”，首次提出“任何非周期信号都可用正弦函数的积分表示”,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,98,傅立叶变换,非周期函数的傅立叶展开问题：把定义在（，）中的非周期函数 f(x)展开；思路：把该函数定义在（L，L）中的部分展开，再令L；实施：展开公式,展开系数：,困难展开系数 cn 为无穷小；幂指数 nx/L 不确定。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,99,傅立叶变换,解决方法：把 n/L 作为新变量，即定义n=n/L；把 cnL/作为新的展开系数，即定义F(n)=cnL/.公式的新形式：展开公式：,展开系数：,取极限：傅立叶变换：,傅立叶积分：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,100,傅立叶变换,例题1矩形函数的定义为,求矩形脉冲 x(t)=rect(t/2T1)的傅立叶变换。解：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,101,傅立叶变换,例题2将矩形脉冲 f(t)=h rect(t/2T)展开为傅立叶积分。解：先求出 f(t)的傅立叶变换,代入傅立叶积分公式，得,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,102,例题3求对称指数函数f(t)的傅立叶变换,傅立叶变换,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,103,傅立叶变换,傅立叶变换的意义数学意义从一个函数空间(集合)到另一个函数空间(集合)的映射；f(x)称为变换的原函数(相当于自变量)，F()称为象函数。应用意义把任意函数分解为简单周期函数之和，F()的自变量为频率，函数值为对应的振幅。物理意义把一般运动分解为简谐运动的叠加；把一般电磁波(光)分解为单色电磁波(光)的叠加。物理实现分解方法：棱镜光谱仪、光栅光谱仪；记录方式：(用照相底版)摄谱仪、(用光电探测器)光度计。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,104,傅立叶变换,傅立叶变换的性质一般假定f(x)F()，g(x)G()奇偶虚实性f(x)为偶函数，F()=f(x)cos(x)dx/(2)为实函数；f(x)为奇函数，F()=-if(x)sin(x)dx/(2)为虚函数线性性质k f(x)k F()；f(x)+g(x)F()+G()分析性质f(x)iF()；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,105,傅立叶变换,位移性质f(x-a)exp(-ia)F()；exp(ix)f(x)F(-)相似性质f(ax)F(/a)/a；f(x/b)/b F(b)。卷积性质f(x)*g(x)f()g(x-)d 2F()G()；f(x)g(x)F()*G()F()G(-)d对称性质正变换与逆变换具有某种对称性；适当调整定义中的系数后，可以使对称性更加明显。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,106,傅立叶变换,应用举例,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,107,傅立叶变换,验证,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,108,傅立叶变换,推广推广1问题：把定义在 0,)上的函数 f(t)展开；方法：先把它延拓为(-,)上的奇函数或偶函数，再按公式进行傅立叶变换；注意：偶函数满足条件f(0)=0，形式为 f(|t|)；奇函数满足条件f(0)=0，形式为 sgn(t)f(|t|).结果：所得到的傅立叶积分仅在原定义范围中与f(t)一致。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,109,傅立叶变换,推广2问题：多元函数的傅立叶变换公式：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,110,傅立叶变换,推广3傅立叶变换的收敛条件:|F()|f(x)|dx问题：最简单的函数如多项式不满足傅立叶变换的条件；方法：对傅立叶变换中的参数进行延拓，定义 p=+i，其实部为正数；同时把变换的区域改成右半轴。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,111,狄拉克函数,概念问题质点的密度函数如何表示？思路质点是物体在尺度趋于零时的理想模型；一个位于原点的单位质点，可以看成一个线密度为h rect(hx)的物体在宽度d=1/h趋向零时的极限；极限密度为(x)=lim h h rect(hx)一般定义,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,112,狄拉克函数,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,113,狄拉克函数,性质奇偶性质(-x)=(x)，(-x)=(x)分析性质,选择性质f(x)(x-a)dx=f(a)，f(x)(x-a)dx=-f(a)变换性质,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,114,狄拉克函数,狄拉克函数的应用描述功能位于x=a处质量为m的质点，质量线密度为m(x-a)；位于x=a处电量为q的点电荷，电荷线密度为q(x-a)；位于t=a时刻强度为I的脉冲信号，信号函数为I(t-a)；分解功能质量密度为(x)的物体，可分解为质点的空间叠加(x)=(a)(a-x)da电荷密度为(x)的带电体，可分解为点电荷的空间叠加(x)=(a)(a-x)da信号函数为(t)的信号，可分解为脉冲信号的时间叠加(t)=(a)(a-t)da,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,115,狄拉克函数,计算功能计算函数在间断点的导数；计算特别函数的傅立叶变换。例题1计算f(x)=sgn(x)的导函数。解：sgn(x)=2 H(x)-1 sgn(x)=2 H(x)=2(x)例题2计算 f(x)=|x|的傅立叶变换。解：,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,116,狄拉克函数,狄拉克函数的推广问题：三维空间中的质点的密度、点电荷的电荷密度。三维狄拉克函数：(r)=(x,y,z)=(x)(y)(z)应用位于r=a处质量为m的质点，质量体密度为m(r-a)；位于r=a处电量为q的点电荷，电荷体密度为q(r-a)；,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,117,本章小结,傅立叶级数周期函数的三角展开公式；基本三角函数的性质。傅立叶变换非周期函数的三角展开公式；傅立叶变换的性质。狄拉克函数狄拉克函数概念；狄拉克函数性质；狄拉克函数功能。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,118,常微分方程,复习,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,119,常微分方程,微分方程的一般概念线性常微分方程的性质一阶线性常微分方程二阶线性常系数微分方程二阶线性变系数微分方程,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,120,微分方程的一般概念,例子定义联系自变量和未知函数及其导数的等式。分类按自变量的个数，分为常微分方程和偏微分方程；按未知函数及其导数的次数，分为线性微分方程和非线性微分方程；按方程中未知函数导数的最高阶数，分为一阶、二阶和高阶微分方程。,2023/10/14,徐州工程学院 数理方法教案 滕绍勇,121,线性常微分方程,一般形式a0y(n)+a1y(n-1)+a n-1y+any=f(x)其中未知函数的系数可以是常数，也可以是x的函数。分类按自由项f(x)是否为零，分为齐次和非齐次。叠加原理齐次方程任意两个解的线性组合也是解；非齐次方程的任一个解和对应的齐次方程的解