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演習

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第1章 複素関数と正則性

AI 生成・木下が未勉強

応用数学入門 第1章 §1.2 ★★★ 与えた uu から vv を復元し f(z)f(z) を書く/非調和なら「存在しない」/1点のみ微分可能なら「正則な領域は無い」

例題 1.1(正則性の判定と共役調和関数 ★★★)

オリジナルu(x,y)=x2−y2u(x,y)=x^2-y^2 が調和であることを確かめ、f=u+ivf=u+\mathrm{i} v が正則になるようなvv を求めて ff を zz の式で表せ。

解答

uxx=2, uyy=−2u_{xx}=2,\ u_{yy}=-2 より ∇2u=0\nabla^2u=0。調和である。CR より vy=ux=2xv_y=u_x=2x、積分して v=2xy+g(x)v=2xy+g(x)。もう一方の CR vx=−uy=2yv_x=-u_y=2y と vx=2y+g′(x)v_x=2y+g'(x) を比べ g′(x)=0g'(x)=0、g=g= 定数。よって v=2xy+Cv=2xy+C。したがって

f=x2−y2+i(2xy)+iC=(x+iy)2+iC=z2+iC.f=x^2-y^2+\mathrm{i}(2xy)+\mathrm{i} C=(x+\mathrm{i} y)^2+\mathrm{i} C=z^2+\mathrm{i} C.

u=Re⁡(z2)u=\operatorname{Re}(z^2) から出発して f=z2f=z^2(+虚定数)が復元された。与えられた uu から vv を CR で積分して zz の式に戻すのはよく使う型である。

例題 1.2(CR を満たさない例 ★★)

オリジナルf(z)=zˉ=x−iyf(z)=\bar z=x-\mathrm{i} y が正則でないことを CR で示せ。

解答

u=x, v=−yu=x,\ v=-y。ux=1u_x=1、vy=−1v_y=-1 で ux≠vyu_x\ne v_y。CR の第一式が破れるのでどこでも正則でない。実際、h→0h\to0 を実軸から取ると z+h‾−zˉh=hˉh=1\frac{\overline{z+h}-\bar z}{h}=\frac{\bar h}{h}=1、虚軸から取ると −1-1 となり、方向で極限が異なる。複素微分が存在しないことが直接見える。

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