3.7 习题路线与检查题|数学物理方法

数学物理方法 · 3.7 习题路线与检查题
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第三章 / 3.7

习题路线与检查题

原书习题74—77页

3.7 · 原书习题74—77页

26 遇到一道积分题,先选哪条路

观察到的形式 首选方法 先检查
含共轭、模、分段函数 参数化 路径方向,
有全域有效原函数 牛顿—莱布尼茨 路径是否在原函数域内
闭路内外都解析 柯西积分定理 内部缺点、分支、曲线上奇点
解析分子除 高阶柯西公式 内外、分子解析、阶乘
多个分母点 分式拆分或挖小圈 逐个点的位置
只要求证明上界或极限 长大不等式 上界是否对整条曲线统一
给实部/虚部求函数 C-R 补共轭 先验调和、常数和初值

原书第1—2题练参数化与方向;第3—4、7—8题练估计;第5、9题把复积分连到实积分;第6题练原函数;第10—15题集中练柯西公式与分母点位置;第16题考边界值能否来自解析函数;第17—21题练调和与共轭;第22—23题练平面场。

第一轮先做1、2、3、6、10、11、13、17、20,每类选足代表小题。第二轮补大弧估计、边界值证明、非线性调和函数组合与复势电荷分解。区分的是复习次序,不是说后半章没有用途。

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练习1 一条线段和一条圆弧可以不同

从 到 计算 :一条路径为直线段,另一条为单位圆右半圆。

展开解析:连续就能积分,但未必路径无关

线段取 ,得 。右半圆上 ,积分就是 。结果不同,说明 没有覆盖这些路径的全域原函数。不要因为端点相同就直接写相等。

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练习2 方向与基础积分

沿 顺时针一周,计算 。

展开解析:先按正向算,再反号

正向一阶项为 ,二阶项为0。顺时针结果为 。二阶项虽然有内部奇点,但仍积分为0;不能用“有奇点就一定非零”判断。

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练习3 外圈内圈怎么加

对圆环 的正向全边界,求 ;若只取外圆逆时针,又是多少?

展开解析:全边界与一条外圈不是同一条曲线

外圆逆时针贡献 ,内圆顺时针贡献 ,总和0。只取外圆则为 。 在圆环上解析,满足多连通边界定理;但原点不在圆环里,不能让外圈在允许域内缩成一点。

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练习4 柯西公式的内、外、线上三种情况

逆时针,求 ,分别讨论 。

展开解析:先定位点1

时,点1在内,结果 。 时,点1在外,被积函数在闭圆盘邻域解析,结果0。 时,分母在路径上为零,普通复曲线积分无定义;若另谈主值或绕行必须额外定义,本题没有这种约定。

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练习5 高阶公式的阶乘

沿 正向,求 。

展开解析:三次分母对应二阶导

分子 整,点1在内,故结果 。若得到 ,通常是漏了阶乘;若求了三阶导,则是把分母次数与求导阶数混淆。

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练习6 两个点的位置改变结果

计算 ,讨论 与 ,均取正向。

展开解析:把两个分母点分开处理

恒等分解为 。当 ,只有0在内,得 。当 ,两点均在内,得 。 时曲线上有奇点,不属于上述两类普通积分。每个拆分后的解析分子都是 ,条件明确。

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练习7 用估计证明大圆积分消失

对 ,证明 ,并取极限。

展开解析:分母用反三角不等式

,圆周长 ,长大不等式给出目标上界,且上界趋零,所以积分趋零。这里不必先精确算积分。估计体现“函数量级 乘路径长度量级 ”后还剩 ,因而消失。

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练习8 原函数有时需要割线

比较 与 在去心平面上是否有单值原函数;并计算沿上半单位圆从1到 的 。

展开解析:先看全局,再算具体弧

无全局单值原函数,否则整圈积分应为0; 有原函数 。上半圆取 ,得 。也可在覆盖这条路径的合适割线域选择连续对数;不能使用沿负实轴不连续的主值分支,未经端点说明直接套用它。

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练习9 给实部补出解析函数

已知 ,求解析 ,且 。

展开解析:积分常数先写成函数

调和。由 ,得 ;再由 ,得 。故 ,初值给 ,结果 。直接展开可核对实部与初值。

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练习10 一个看起来简单的实部也可能不行

能否在任意开圆盘内找到实部为 的解析函数?若实部改为 ,在去心平面上能否全局实现?

展开解析:局部微分条件与全局拓扑分别检查

第一问不能,因为 ,不满足解析实部必须调和的必要条件。第二问 在非零处调和,局部可作为对数分支实部;但去心平面上不存在全局单值解析函数拥有这个实部。若存在,由 C-R 其导数必须为 ,而该函数应成为 的全局原函数,与整圈积分 矛盾。

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练习11 按本书复势约定求场

静电复势为 ,求力函数、电势和场强,并写两族等值线。

展开解析:实部是力函数,虚部是电势

,故力函数 ,电势 。,即向量 ,也等于 。电力线 ,等势线 ;除原点这类场强零点外,两族线正交。

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练习12 把复积分变成一个实积分

利用 ,求 。

展开解析:先参数化,再比较实虚部

柯西公式给整圈积分 。代入 ,,所以 ,即 。比较实部得答案 ;虚部积分为0。原书第9题取0到 ,利用对称性得到 ,要留意积分区间。

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27 本章易错表与进入第四章的衔接

容易写错的话 正确检查
闭曲线积分都为零 还要检查内部解析性或全域原函数
函数在圆周附近解析就能用定理 内部的奇点、孔洞也要处理
内圆也是逆时针 正向区域边界的内圆顺时针
三次分母求三阶导 求二阶导,除
共轭调和函数就是复共轭 一个是补足解析函数的实函数,一个是把虚部变号
给出调和函数一定有全局共轭 单连通保证全局;多连通要另查
无源无旋场本身解析 按 记场时,它的共轭解析

本讲义以正确的格林展开和 C-R 符号书写第54页证明,避免将偏导项的加减号照抄后误用。书中第61页的圆周实部公式是补充推导,不强迫第一轮优先背。第70—73页复势记号在本讲义统一为 与 ,把原函数与静电复势区分,所有符号都回到本书定义核验。

能独立完成参数化、柯西公式和补共轭这三类题后,再回看第四章:泰勒系数来自高阶柯西公式,罗朗系数来自圆环的内外边界,负一次幂积分为 是提取系数的原因。这样四章就不是四堆互不相干的公式,而是一条连续的方法链。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第三章整理;正文印刷页48—73,章末习题74—77。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第三章含12道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月15日。