應用複分析

調和共軛(harmonic conjugate)

假設有人遞給你一個調和函數 u——比如某無電荷區域中的靜電勢。在它身旁潛藏著一個夥伴,即調和共軛 v,它以互補的視角打包了同一份物理。u 描出等勢線之處,v 描出與之垂直相交的場線;u 是溫度時,v 便是熱流的流函數。調和共軛就是與第一個函數結合、共同構成一個解析整體的那第二個調和函數。

具體地說,給定調和的 u(x, y),其調和共軛 v 是使 u + i v 解析的那個調和函數,也就是說這對函數滿足柯西-黎曼方程:dv/dx = -du/dy 與 dv/dy = du/dx。構造 v 的辦法是積分這兩式:由 -du/dy 讀出 dv/dx,對 x 積分,再用另一式定出餘下那個僅含 y 的函數。在單連通區域上這總能奏效,並把 v 確定到相差一個常數。u 與 v 的等值線構成一張正交網格——這正是流動的曲線座標網。

這種配對是二維場論的引擎。在流體力學中 u 是速度勢、v 是流函數,二者的組合 w = u + i v 即複勢,把整個理想流動收進一個解析函數——流線就是等值線 v = 常數,流速就是 dw/dz 的模。在靜電學中 u 給出等勢線、v 給出力線。一個誠實的提醒:在帶洞的區域上,共軛可能不再單值(想想繞一點一周的角度),而這恰恰是環量與淨電荷進入圖景的方式。

設 u = x^2 - y^2,它是調和的。求其共軛 v:用 dv/dy = du/dx = 2x,對 y 積分得 v = 2xy + g(x);再要求 dv/dx = 2y + g'(x) 等於 -du/dy = 2y,迫使 g'(x) = 0。故 v = 2xy(相差一常數),且確有 u + i v = (x + i y)^2 = z^2,解析。

積分柯西-黎曼方程,便能由給定的調和 u 重建出缺失的夥伴 v。

這種關係在符號上並不對稱:若 v 是 u 的調和共軛,則 u 是 -v 的共軛,而非 v 的共軛。次序要緊,它編碼了正交兩族中哪一族是勢、哪一族是流。

又稱
conjugate harmonic function共轭调和函数共軛調和函數