內容簡介
《復變函數與積分變換(第3版)》是國傢工科數學教學基地之一的哈爾濱工業大學數學係根據教育部數學基礎課程教學指導分委員會新修訂的《工科類本科數學基礎課程教學基本要求(修訂稿)》的精神和原則,結閤多年的教學實踐和研究而編寫的係列教材之一,《復變函數與積分變換(第3版)》共8章,包括復數與復變函數、解析函數、復變函數的積分、級數、留數、保形映射、傅裏葉變換、拉普拉斯變換等內容,每章後進行瞭簡明的總結,便於學生深入掌握該章知識,並且精心設計瞭相應梯度的、適量的習題,在書後附有參考答案,書末附有傅氏變換和拉氏變換簡錶,便於讀者查閱使用。書中標有*號部分供讀者選學使用。
《復變函數與積分變換(第3版)》可作為高等工科院校各專業本科生的復變函數與積分變換課程教材,也可供有關工程技術人員參考。
內頁插圖
目錄
第三版 前言
第二版 前言
第一版 前言
第1章 復數與復變函數
1.1 復數運算及幾何錶示
1.1.1 復數概念及四則運算
1.1.2 復數的幾何錶示
1.1.3 共軛復數
1.1.4 乘除、乘方與開方
1.1.5 復球麵與無窮遠點
1.2 復平麵上的點集
1.2.1 基本概念
1.2.2 區域和麯綫
1.3 復變函數
1.3.1 定義與幾何意義
1.3.2 極限與連續性
第1章小結
習題1
第2章 解析函數
2.1 解析函數的概念
2.1.1 復變函數的導數
2.1.2 復變函數解析的概念
2.2 函數解析的充要條件
2.3 解析函數與調和函數
2.4 初等函數
2.4.1 指數函數
2.4.2 三角函數與雙麯函數
2.4 .3對數函數
2.4.4 冪函數
2.4.5 反三角函數與反雙麯函數
*2.5 解析函數的物理意義
2.5.1 用復變函數刻畫平麵嚮量場
2.5.2 平麵流速場的復勢
2.5.3 靜電場的復勢
2.5.4 平麵穩定溫度場
第2章小結
習題2
第3章 復變函數的積分
3.1 復變函數積分的概念
3.1.1 積分的定義
3.1.2 積分的性質
3.1.3 積分的存在條件與計算
3.2 柯西積分定理
3.2.1 柯西積分定理
3.2.2 不定積分
3.2.3 復閤閉路定理
3.3 柯西積分公式
3.3.1 柯西積分公式
3.3.2 高階導數公式
3.3.3 幾個重要的推論
第3章小結
習題3
第4章 級數
4.1 復變函數項級數
4.1.1 復數序列
4.1.2 復數項級數
4.1.3 復變函數項級數
4.2 冪級數
4.2.1 冪級數的概念
4.2.2 冪級數的收斂圓與收斂半徑
4.2.3 冪級數的性質
……
第5章 留數
第6章 保形映射
第7章 傅裏葉變換
第8章 拉普拉斯變換
參考文獻
習題答案
附錄
前言/序言
培養基礎紮實、勇於創新的人纔,是大學教育的一個重要目標。隨著知識經濟時代的到來,這一目標顯得更加突齣,在工科大學的教育體係中,數學課程是基礎課程,在培養學生抽象思維能力、邏輯推理能力、空間想象能力和科學計算能力等多方麵起著特彆重要的作用。
工科數學中復變函數與積分變換是理工類院校學生繼工科數學分析課程之後的又一門數學基礎課。通過本課程的學習,學生不僅能學到復變函數與積分變換中的基本理論及工程技術中的常用數學方法,同時還可以鞏固和復習工科數學分析的基礎知識,為學習有關的後續課程和進一步擴大數學知識而奠定必要的數學基礎。為此我們按照教育部關於課程改革的精神,結閤多年從事同名課程的教學實踐,並參照教育部數學基礎課程教學指導分委員會最新修訂的《工科類本科數學基礎課程教學基本要求(修訂稿)》編寫瞭這本《復變函數與積分變換》教材。本書可供高等工科院校電類及與電類有關的各專業使用,也可供其他專業選用,此外,還可作為工程技術人員自學復變函數與積分變換的參考書。
在本書編寫過程中,我們力求突齣以下幾個特點:
(1)將復變函數與積分變換的內容有機地結閤在一起,既保證瞭教學質量的提高,又壓縮瞭教學時數。完成本書的全部教學內容需要46學時。
(2)重視對學生能力的培養,注意提高學生的基本素質,對基本概念的引入盡可能聯係實際,突齣其物理意義;基本理論的推導深入淺齣,循序漸進,適閤工科專業的特點;基本方法的闡述富於啓發性,使學生能舉一反三、融會貫通,以期達到培養學生創新能力的目的。
(3)為提高本書的趣味性和可讀性,力求語言通俗易懂、簡潔流暢。在每章中配有較多的例題,有利於學生掌握所學內容,提高分析問題、解決問題的能力,在每章末精心設計瞭適量的習題,並在書後附有參考答案。
(4)為使理論完善,為學生展望新知識留下窗口,我們在編寫過程中,適當增加瞭一些超齣大綱的內容,這樣為進一步拓寬數學知識指齣瞭方嚮。這些內容在書中標有“*”號,可供有關專業選用。
在本書編寫過程中得到瞭哈爾濱工業大學數學係及科學齣版社的大力支持,使得本書能盡快與讀者見麵,在此,一並嚮他們錶示感謝!
由於編者的水平有限,書中的缺點和疏漏在所難免,懇請專傢、同行和廣大讀者批評指正。
現代物理中的對稱性與規範場論 ——一個深入探索基本相互作用的理論框架 本書導言 本書旨在為物理學、數學以及相關工程領域的研究生和高年級本科生提供一個全麵且深入的現代理論物理核心——規範場論的係統性介紹。在經曆瞭二十世紀的革命性發展之後,物理學對自然界基本規律的理解已經深度依賴於對稱性原理。從量子力學中的角動量對稱性到粒子物理學中描述電磁力、弱核力和強核力的標準模型,對稱性概念構成瞭描述自然界所有基本相互作用的基石。本書聚焦於如何將微分幾何中的思想與量子場論相結閤,從而構建齣具有內在一緻性的規範理論。 第一部分:數學基礎與經典場論的重訪 本部分將為後續的量子化和規範原理的建立打下堅實的數學和概念基礎。我們不會從量子力學的角度直接切入,而是從經典場論的視角審視對稱性。 第一章:微分幾何與流形基礎 本章首先迴顧必要的數學工具,重點關注對物理描述至關重要的概念: 流形(Manifolds):作為描述時空及內部自由度的幾何載體。我們將介紹拓撲結構、坐標圖冊和光滑結構,重點討論如何定義流形上的光滑函數和嚮量場。 張量分析:詳細闡述協變與反變張量、度規張量、以及黎曼麯率張量的定義及其物理意義。這對於理解時空幾何和規範場的幾何化至關重要。 微分形式與外代數:介紹楔積(Wedge Product)和微分運算(外微分 $d$)。我們重點闡述德拉姆上同調(De Rham Cohomology)的基本思想,為理解規範理論中的拓撲性質(如磁單極子)做鋪墊。 縴維叢(Fiber Bundles):規範場論的核心幾何結構。我們將介紹主縴維叢(Principal Fiber Bundle)和嚮量叢(Vector Bundle)的概念,闡明縴維空間如何承載局域的對稱群結構。 第二章:拉格朗日形式與經典場方程 本章將經典場論的動力學基礎建立在最小作用量原理之上。 經典場論的構造:從標量場、鏇量場到規範場,討論拉格朗日密度和作用量泛函的構造。 歐拉-拉格朗日方程:推導場的運動方程,並探討這些方程的協變形式。 能量-動量張量:利用諾特定理(Noether's Theorem)將連續對稱性與守恒量(如能量、動量、角動量)聯係起來,這是將對稱性轉化為守恒律的關鍵步驟。 第二部分:規範不變性與規範場論的構建 本部分是全書的核心,詳細闡述如何將局域對稱性引入物理理論,並由此導齣規範玻色子。 第三章:局域對稱性與規範群 本書的核心論點在於:自然界的相互作用是由保持局域對稱性所決定的。 全局與局域對稱性:清晰區分這兩種對稱性的物理含義,強調局域對稱性對動力學的嚴格限製。 規範場:為瞭保證拉格朗日量在局域變換下保持不變,我們必須引入新的“連接場”(Gauge Fields)。以電磁學($U(1)$ 規範群)為例,詳細推導四維時空中的電磁勢 $A_mu$ 如何充當連接場的角色。 李群與李代數:對描述基本相互作用的規範群(如 $U(1), SU(2), SU(3)$)進行係統介紹,包括群的生成元、結構常數和伴隨錶示。 第四章:聯絡、協變導數與麯率 本章將幾何工具應用於規範場論,實現物理量在流形上閤法的微分運算。 協變導數(Covariant Derivative):定義在縴維叢上的連接形式 $omega$ 如何轉化為協變導數 $
abla_mu$。深入分析協變導數如何保證在進行局域對稱變換時,物理量(如狄拉剋鏇量)保持不變。 規範場強張量:將電磁場張量 $F_{mu
u}$ 推廣到任意非阿貝爾規範群。推導規範場強 $F_{mu
u}^a$ 的一般錶達式,它定義瞭縴維叢的麯率。 楊-米爾斯理論(Yang-Mills Theory):完整闡述非阿貝爾規範場的拉格朗日密度,分析其平方項的結構,並明確其非綫性項的物理來源(自相互作用的規範玻色子)。 第三部分:量子化與重整化 本部分將理論從經典推嚮量子,處理量子場論中的核心難題。 第五章:規範場論的正則量子化 討論如何對規範場進行量子化,並麵對量子化過程中的睏難。 路徑積分形式:介紹費曼路徑積分在規範場論中的應用,強調規範不變性在積分中引起的睏難。 法德耶夫-波波夫(Faddeev-Popov)幽靈:詳細介紹如何通過引入幽靈場(Ghost Fields)來固定規範(Gauge Fixing),從而使得路徑積分在數學上可操作。幽靈場的引入是規範場論量子化的關鍵技術。 洛倫茲規範與單位度規範:討論不同規範選擇對物理結果的影響(強調物理量應獨立於規範選擇)。 第六章:微擾論、重整化與有效作用量 規範場論的微擾計算必須解決無窮大的問題。 費曼圖與微擾展開:使用規範不變的費曼規則計算散射振幅。 紅外災難與紫外發散:識彆規範場論在圈圖計算中麵臨的兩種主要發散問題。 重整化群(Renormalization Group):係統介紹重整化的概念,以及如何通過重整化群方程描述耦閤常數隨能量尺度的演化。 漸進自由(Asymptotic Freedom):重點分析量子色動力學(QCD)中強大的漸近自由現象,這是非阿貝爾規範場論的獨特性質,也是理解強相互作用的關鍵。 第四部分:規範理論的應用與拓撲結構 本部分將理論框架應用於描述標準模型中的基本力,並探討規範理論中的拓撲現象。 第七章:電弱統一理論與希格斯機製 弱相互作用的規範群 $SU(2)_L$:介紹弱同位鏇和宇稱的觀念。 自發對稱性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking):深入分析 Nambu-Goldstone 機製,並過渡到戈德斯通玻色子如何被規範場“吃掉”形成大質量規範玻色子。 電弱模型(Glashow-Weinberg-Salam Theory):構建 $SU(2)_L imes U(1)_Y$ 模型,描述 W 和 Z 玻色子的質量起源,以及光子保持無質量的原因。 第八章:拓撲不變量與磁單極子 拓撲荷(Topological Charge):利用縴維叢的拓撲性質,討論如何定義不隨時間連續演化而改變的拓撲不變量。 狄拉剋磁單極子:從 $U(1)$ 規範理論的角度,引入電磁場的拓撲結構,探討磁荷的量子化條件。 懷特曼磁單極子(Monopoles):引入 $SU(2)$ 規範群,討論在極大地對稱性破缺下,如何構造齣具有有限能量的穩定拓撲缺陷——磁單極子解。 總結 本書旨在構建一個從幾何直覺到量子場論計算的完整鏈條,使讀者能夠深刻理解規範對稱性在描述自然界基本相互作用中的不可替代的作用。通過詳盡的數學推導和對物理圖像的深入探討,本書為讀者提供瞭掌握現代粒子物理和凝聚態物理中前沿課題所需的理論武器。