在數學中,調和共軛 (Harmonic conjugate)是針對函數 的概念。定義在開集
Ω
⊂
R
2
{\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{2}}
中的函數
u
(
x
,
y
)
{\displaystyle u(x,\,y)}
,另一個函數
v
(
x
,
y
)
{\displaystyle v(x,\,y)}
為其共軛函數的充分必要條件是
u
(
x
,
y
)
{\displaystyle u(x,\,y)}
和
v
(
x
,
y
)
{\displaystyle v(x,\,y)}
需要是全純函數
f
(
z
)
{\displaystyle f(z)}
(
z
:=
x
+
i
y
∈
Ω
{\displaystyle z:=x+iy\in \Omega }
)的實部及虛部。
因此,若
f
(
z
)
:=
u
(
x
,
y
)
+
i
v
(
x
,
y
)
{\displaystyle f(z):=u(x,y)+iv(x,y)}
在
Ω
{\displaystyle \Omega }
中為全純函數,
v
{\displaystyle v}
就為
u
{\displaystyle u}
的共軛函數。而
v
{\displaystyle v}
和
u
{\displaystyle u}
也是
Ω
{\displaystyle \Omega }
中的調和函數 。
v
{\displaystyle v}
為
u
{\displaystyle u}
的共軛函數,若且唯若
u
{\displaystyle u}
為
−
v
{\displaystyle -v}
的共軛函數。
在
Ω
{\displaystyle \Omega }
區間內,
v
{\displaystyle v}
是
u
{\displaystyle u}
共軛函數的充分必要條件是
u
{\displaystyle u}
和
v
{\displaystyle v}
滿足柯西-黎曼方程 。
∂
u
∂
x
=
∂
v
∂
y
{\displaystyle {\partial u \over \partial x}={\partial v \over \partial y}}
∂
u
∂
y
=
−
∂
v
∂
x
.
{\displaystyle {\partial u \over \partial y}=-{\partial v \over \partial x}.}
舉例
例如,考慮函數
u
(
x
,
y
)
=
e
x
sin
y
.
{\displaystyle u(x,y)=e^{x}\sin y.}
因為
∂
u
∂
x
=
e
x
sin
y
,
∂
2
u
∂
x
2
=
e
x
sin
y
{\displaystyle {\partial u \over \partial x}=e^{x}\sin y,\quad {\partial ^{2}u \over \partial x^{2}}=e^{x}\sin y}
且
∂
u
∂
y
=
e
x
cos
y
,
∂
2
u
∂
y
2
=
−
e
x
sin
y
,
{\displaystyle {\partial u \over \partial y}=e^{x}\cos y,\quad {\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}=-e^{x}\sin y,}
會滿足
Δ
u
=
∇
2
u
=
0
{\displaystyle \Delta u=\nabla ^{2}u=0}
(
Δ
{\displaystyle \Delta }
是拉普拉斯算子 ),因此是調和函數。現在假設存在
v
(
x
,
y
)
{\displaystyle v(x,y)}
,可以滿足柯西-黎曼方程:
∂
u
∂
x
=
∂
v
∂
y
=
e
x
sin
y
{\displaystyle {\partial u \over \partial x}={\partial v \over \partial y}=e^{x}\sin y}
and
∂
u
∂
y
=
−
∂
v
∂
x
=
e
x
cos
y
.
{\displaystyle {\partial u \over \partial y}=-{\partial v \over \partial x}=e^{x}\cos y.}
化簡後可得
∂
v
∂
y
=
e
x
sin
y
{\displaystyle {\partial v \over \partial y}=e^{x}\sin y}
且
∂
v
∂
x
=
−
e
x
cos
y
{\displaystyle {\partial v \over \partial x}=-e^{x}\cos y}
因此可得
v
=
−
e
x
cos
y
+
C
.
{\displaystyle v=-e^{x}\cos y+C.}
若u 和v 的關係對調,函數就不是調和共軛函數了,因為柯西-黎曼方程中的負號,讓此關係是非對稱的關係。
參考資料
Brown, James Ward; Churchill, Ruel V. Complex variables and applications 6th. New York: McGraw-Hill. 1996: 61 . ISBN 0-07-912147-0 . If two given functions u and v are harmonic in a domain D and their first-order partial derivatives satisfy the Cauchy-Riemann equations (2) throughout D , v is said to be a harmonic conjugate of u .
外部連結