調和函數與狄利克雷問題

複位勢(complex potential)

平面上的穩態物理場常成對出現:一個溫度與熱流線、一個電壓與電力線、一個流速與粒子會跟隨的流線。複位勢是把這樣一對的兩個成員打包成單一物件的那個解析函數,使整個問題能一次用複分析的工具處理。

從一個調和函數 phi(一個位勢——比方說平滑、無旋、不可壓縮流體流動的速度位勢)開始。因為 phi 調和,在好的區域上它有一個調和共軛 psi,兩者合成一個解析函數 Omega(z) = phi(x, y) + i psi(x, y),即複位勢。這兩個實部有清晰的物理意義:等值曲線 phi = 常數是等位線(與流動垂直),等值曲線 psi = 常數是流線(流體實際跟隨的路徑);psi 稱為流函數。更妙的是,流速由單一個導數讀出:複速度是 Omega'(z) 的共軛,所以 Omega'(z) = u - i v 打包了兩個速度分量,而 Omega'(z) = 0 之處便是駐點。聯繫 phi 與 psi 的柯西-黎曼方程,恰是流動無旋且無散的物理陳述。

這個想法的威力在於共形映射能把解搬來搬去。因為 Omega 解析,把它與一個共形映射複合,就把一個簡單區域上已知的流動(比方說繞過平板的均勻流,或半平面中的流動)送到一個複雜區域上的流動(繞過翼型的流動),等位線與流線都自動被帶著走——這正是茹科夫斯基翼型及其產生的升力的計算方式。誠實的範圍:複位勢的圖像特屬於二維、且特屬於既無旋又無源的場(使位勢調和);真正三維的流動、或帶渦度或源的流動,並不這樣塌縮成單一個解析函數。

沿 x 方向速度為 U 的均勻流有複位勢 Omega(z) = U z = U x + i U y,所以 phi = U x(等位線為鉛直線)、流函數 psi = U y(流線為水平線);速度為 Omega'(z) = U,即一個向右的常數流。

最簡單的複位勢 Omega = U z 描述均勻水平流,流線為 psi = U y。

複位勢僅當調和共軛在整體上存在時才作為單值函數存在——在多連通區域上(如帶環量繞障礙物的流動),Omega 可以是多值的,其虛部每繞障礙物一圈就跳躍一個環量;那個跳躍正是產生升力的東西。

又稱
complex potential function複位勢complex velocity potentialOmega = phi + i psi