应用数学-课件-第14章-保角变换法-兰州大学信息院

1、第十一章 求解定解问题的其它解法,求解数理方程，除了行波法、分离变量法外，还有其他的常用解法： 格林函数法； 积分变换法； 保角变换法等一些解析法。,11.1 保角变换法求解定解问题,在许多物理问题中（如电学、热学、光学、流体力学和弹性力学等）经常会遇到解平面场的拉普拉斯方程或泊松方程的问题尽管可用前几章的理论方法如：分离变量法或格林函数法等来解决，但当边值问题中的边界形状变得十分复杂时，分离变量法和格林函数法却显得十分困难，甚至不能解决对于复杂的边界形状，拉普拉斯方程定解问题常采用保角变换法求解,保角变换法解定解问题的基本思想： 通过解析函数的变换或映射（这部分知识在复变函数论中已经学习过）

2、将,Z平面上具有复杂边界形状的边值问题变换为,W平面上具有简单形状（通常是圆、上半平面或带形域）的 边值问题，而后一问题的解易于求得于是再通过逆变换 就求得了原始定解问题的解,这就是本章将要介绍的一种解决数学物理方程定解 问题中的解析法保角变换法，,保角变换法是解决这类复杂边界的最有效方法，特别适合于分析平面场的问题。 例如静电场的问题，由于这种求解复杂边界的定解问 题具有较大的实用价值，所以有必要单独以一章的内 容进行介绍 复变函数论中已经系统介绍了保角变换理论，本章主要介绍利用保角变换法求解定解问题。,11.1.1 保角变换与拉普拉斯方程边值问题的关系,在复变函数论中我们已经知道，由解析函

3、数,实现的从Z平面到W,平面的变换在,的点具有保,角性质，因此这种变换称为保角变换下面我们主要讨论一一 对应的保角变换，即假定,和它的反函数都是单值,函数；或者如果它们之中有多值函数就规定取它的黎曼面的一 叶,如果函数u(x,y)在z平面上是拉普拉斯的解，通过保角变换后变成 、 的函数，此函数在t平面上仍满足拉普拉斯方程；,11.1.1 保角变换与拉普拉斯方程边值问题的关系,定理11.1.1 如果将由,到,的保角变换看成为二元（实变）函数,的 由,到,的变量代换，则,平面上的边界变成了,平面上的边界我们能证明，如果,程，则经过保角变换后得到的,满足拉普拉斯方,也满足拉普拉斯方程,【证明】 利用

4、复合函数求导法则有,(11.1.1),同理,(11.1.2),两式相加得到,（11.1.3）,利用解析函数,的C-R条件,(11.1.4),以及解析函数的实部和虚部分别满足拉普拉斯方程的性质,(11.1.5),将式（11.1.4）和式（11.1.5）代入到式（11.1.3）化简后得到,注意到上式已经使用了：,对于保角变换,因而只要,满足拉普拉斯方程，则,）也满足拉,普拉斯方程，即为,（11.1.6）,这样我们就有结论：如果在,平面上给定了,的拉普拉斯方程边值问题，,则利用保角变换,，可以将它转化为,平面上,的拉普拉斯方程边值问题,同理可以证明，在单叶解析函数,变换下，泊松方程,(11.1.7)

5、,仍然满足泊松方程,（11.1.8）,由上式可知，在保角变换下，泊松方程中的电荷密度 发生了变化,同理可以证明，亥姆霍兹方程,(11.1.9),经变换后仍然服从亥姆霍兹方程,(11.1.10),注意到方程要比原先复杂，且,前的系数可,能不是常系数,保角变换法的优点不仅在于拉普拉斯方程、泊松方程 等方程的类型在保角变换下保持不变，更重要的是，能将 复杂边界问题变为简单边界问题，从而使问题得到解决,保角变换的特点,角度不变； 方程形式不变； 电势不变； 总电荷不变； 电容不变；,线度改变； 源的强度改变； 电场强度改变； 边界形状改变； 导数为0处角度改变；,下面，在介绍用保角变换法来求解拉普拉斯

6、方程之前， 先介绍常用到的一些保角变换,11.1.2 常用的几种保角变换,(1) 平移变换,将z平面上的图形整体平移一个矢量a。,(2) 线性变换,(3) 反演变换,保角性； 保圆性； 保对称性。,(4) 分式线性变换,保圆性；直线作为圆的特例； 保对称性；（对称点依然是对称点） 圆心的镜像点是无穷远处。,上式可写成,其中：,例题1,i,例题2,(5) 幂函数变换 令 则 该变换的特点是把z平面的圆周变换成w平面的 圆周。特别是单位圆周变换成单位圆周 ；把以 原点为顶点的角形域变换成以原点为顶点的角 形域，但其张角为原来的的n倍。,讨论变换 若均匀场在w 平面上是具有平行于两坐标轴的直线族，则

7、此变换将w平面的正实轴变换成z平面上的正实轴，其负实轴却因负值的方根变成z平面上的正虚轴，这样w平面的上半平面变换成z平面的第一象限，如图所示。反之亦然 .,(6) 对数变换 对数变换是常用的一种变换。对数变换是指数变换的逆变换。先研究指数变换 令 ， 得 可知：z平面上的直线x=常数变换到w平面上的圆周 常数，而直线y常数变换成射线 常数。,因此，指数变换的特点是：把水平的带形 城 变换成角形,z(W平面),w(z平面),对于对数变换 取极坐标系 则 故 可见：在w平面上 常数的直线在 z 平面表示 一族圆；常数表示一族径向射线。,将其展开得 即 将两式平方相加、相减得 可见： 常数表出一族

8、椭圆其半焦距为c；半长轴为 而 =常数表出一族共焦双曲线，其半焦距也为c，半实轴为 。,(7) 三角函数变换 现在研究三角函数变换,因此，在t平面上任一平行于 轴的直线变 换为平面上的椭圆，任一平行于 轴的直 线变换为z平面上的一条双曲线。,反三角变换的延伸,（8）儒阔夫斯基变换 取 式中A、a均为常数，此式可改写为 得,常数，对应椭圆，焦点为 常数，对应双曲线，焦点为 ，对应两条射线； ，对应一个线段。,将t和z分别写成实部和虚部的形式，便可以证明，此变换能将t平面实轴上大于 和小于 部分变换为z平面的实轴；而t平面实轴上 一段 则变换到z平面上，成为圆心在z0，半径为a的一个圆。,更一般的

9、变换式为 它可以将t平面实轴上大于 和小于 的区域变为z平面的实轴；t平面实轴上一段 则变换到z平面上椭圆 ，其方程为,用许瓦兹克利斯多菲变换可将z平面上的多角 形区域边界变换为t平面上的实轴，将多角形内 域变换为平面的上半平面，如图所示。,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,在平面的实轴上线段ab，bc，,cd， 分别和平面上多角形的边界AB，BC，CD，对应；实轴上的点a，b，c，d分别和多角形顶点A，B，C，D，对应；上半平面与多角形内的空间相对应。 实际计算时，是采取把平面的实轴变为平面的多角形边界的方法。变换函数由积分下式而得,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,是多角形的内角，式中乘积项的数目 与

10、多角形边界顶点的个数相同。 实际变换中，将变换中的内角 用 它们外角 代之，从而给出了在平面上的边界在有关各顶 点上旋转的角度。这样，变换变为,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,该方向的辐角直接确定了描绘多角形边界的dz 单元的斜率，即平面上边界的变化，此辐角为 现在讨论当t从一 变至 时，dz方向的变化 当 时，上式中 均为 负实数，其辐角均等于 ，因此,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,为常数，在z平面上给出一条直线。 当t 经过点a未到达点b时， 变为正实数，其 辐角为零，得,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,表示线段dz的倾角增加了 ，对应z平面上边界 旋转角 ，仍得一条直线

11、。而当t经过b点时， 从负变正.，arg 从 变为0，此时 辐角为 即在z平面上边界旋转角 ，以后t在b、c之间所 对应平面上的线段就保持此方问不变。,（9）许瓦兹克利斯多菲变换,依次类推，可将整个多角形描出。可见 决定在z平面上倾角发生变换的位置。 显然变换函数不包括 点此点虽然对 应平面上的某一顶点。 变换的模决定dt的“放大”倍数，也决定了由t平 面实轴上的线段变换到z平面上的线段长度。 须适当选择常数 的值，以使经变换所 得多角形与设定的多角形一致。,例1 试求平面静电场的电势分布,，其中,【解】,变换,使上半,平面变成,平面上的带形域,然的，类似于上面定解问题的结果,则本定解问题可归

12、结为,而在带形域上的解是显,11.1.3 保角变换法求解定解问题典型实例,而,所以,于是，作反变换便可求得所求问题的解为,试用保角变换法求解一半径为,的无限长导体圆柱壳,内的电场分布情况,【解】即求解定解问题,例 2 若把柱面充电到,作如下的保角变换 (1) 作变换,把原图象缩小为,倍即将任意的圆周变换为单位圆,(2) 再作变换,把,变换为,，其边界的变换是将下,半圆周对应于负半实轴，上半圆周对应于正半实轴,（3）再作变换,把,平面的上半平面变成,平面上平行于实轴，宽为,的一个带形区域，其边界的,变换是将,平面的正半实轴变换为,平面的实轴，,平面的负半实轴变换为,平面的平行于实轴的直线,所以，

13、在变换,之下，定解问题变换为,定解问题的解（仿上例）为,将变量回到,平面，则,化成极坐标形式，则上式又改写成,从上面的例题我们总结出，对于平面标量场的问题， 不管边界如何复杂，只要能通过保角变换把原来的边界 所围成的区域变换成上半平面的带形域,问题就容易解决了,解：用保角变换法 由于等势面为圆，故可采用对数函数变换来进行计算。,例3 两个同轴圆柱构成柱形电容器，内外半径 分别为R1、R2，电势分别为 、 。求导体内 任一点的电势。,将z平面上的圆变成w平面上的直线区域， 其宽度为 。其间的电势满足 所以，利用平行板电容器计算公式，得单 位长度的电容为 其中,作业：p456，1，2， 6（1）、（2） 这是最后一次作业，全部作业务于下周四交齐，过期不候！,例题4,椭圆同轴线内导体的外表面与外导体的内表面为共焦椭圆柱面。若内导体外表面的半长、短轴分别为a1、b1，外导体