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物理数学

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(1)

物理数学

http://kurasawa.c.ooco.jp

目 次

1

基本的な知識

1

1.1

テイラー級数

. . . . 1

1.2

複素数

. . . . 3

1.3

ベクトル

. . . . 6

2

微分

11 2.1

偏微分

. . . . 11

2.2

多変数関数のテイラー級数

. . . . 13

2.3

多変数関数の合成微分

. . . . 15

2.4

ベクトルの微分

. . . . 19

2.5

曲線

. . . . 21

2.6

ベクトル場とベクトル演算子

. . . . 23

2.7

ナブラ演算子の極座標表示

. . . . 29

3

積分

37 3.1

多重積分

. . . . 37

3.2

変数変換

. . . . 41

3.3

線積分

. . . . 45

3.4 2

次元でのグリーンの定理

. . . . 48

3.5

曲面と面積分

. . . . 52

3.6

ガウスの定理

. . . . 55

3.7

ディラックのデルタ関数

. . . . 60

3.8

ストークスの定理

. . . . 66

4

常微分方程式

71 4.1 1

階常微分方程式

. . . . 71

4.2 2

階線形微分方程式

. . . . 76

4.3

定数係数の

2

階線形微分方程式

. . . . 79

4.4

演算子法

. . . . 82

4.5

独立変数を含まない

2

階微分方程式

. . . . 88

4.6

べき級数と

2

階線形微分方程式

. . . . 89

5

複素関数

99 5.1

複素関数

. . . . 99

5.2

複素関数の微分

. . . . 102

5.3

複素積分

. . . . 104

5.4

コーシーの積分定理

. . . . 105

5.5

テイラー展開とローラン展開

. . . . 111

5.6

留数定理

. . . . 114

(2)

5.9

コーシーの主値

. . . . 125

5.10

べき級数

. . . . 127

5.11

解析接続

. . . . 130

5.12

鞍点法

. . . . 135

5.13

複素積分と

2

階線形微分方程式

. . . . 139

6

フーリエ解析

145 6.1

フーリエ級数

. . . . 145

6.2

波動方程式

. . . . 150

6.3

フーリエ変換

. . . . 155

6.4

フーリエ変換と微分方程式

. . . . 161

6.5

ラプラス変換

. . . . 163

6.6

ラプラス変換と微分方程式

. . . . 168

7 2

階偏微分方程式

170 7.1

代表的な偏微分方程式

. . . . 170

7.2

波動方程式

. . . . 172

7.3

波動方程式と境界条件

. . . . 175

7.4

ポアソン方程式とラプラス方程式

. . . . 180

7.5

ポアソン・ラプラス方程式とグリーン関数

. . . . 181

7.6

極座標によるラプラス方程式の解法

. . . . 186

7.7

拡散方程式

. . . . 188

7.8 1

次元拡散方程式と境界条件

. . . . 189

8

行列

194 8.1

行列

. . . . 194

8.2

行列式

. . . . 197

8.3

余因子展開と逆行列

. . . . 201

8.4

行列に関する幾つかの性質

. . . . 203

8.5

正方行列の固有値と固有ベクトル

. . . . 206

8.6

エルミート行列の対角化

. . . . 207

8.7

正方行列の対角化

. . . . 210

8.8

連成振動

. . . . 212

8.9

座標系の回転

. . . . 215

8.10

曲線座標

. . . . 220

索引

226

(3)

薩摩順吉 岩波基礎物理シリーズ

10

物理の数学

(

岩波書店

)

松下貢 裳華房テキストシリーズ 物理数学

(

裳華房

)

寺澤寛一 自然科学者のための数学概論

(

岩波書店

)

岩波講座 応用数学

(4)

1 基本的な知識

1.1

テイラー級数

x=c

近傍における関数

F(x)

の様子を調べる場合

, F(x)

を簡単な関数で近似することは有効な 方法である。最も簡単な近似は

,x=c

における

F(x)

の接線

,

つまり

F(x)F(c) +F(c)(xc)

で近似することである。これを一般化して,

xc

のべき級数

(power series)

で展開して

F(x) =F(c) +F(c)(xc) +f2(xc)2+· · ·+fn(xc)n+· · ·

としてみる。ここで,

f2,· · · , fn,· · ·

は定数である。x で順次微分すると

F(x) =F(c) + 2f2(xc) + 3f3(xc)2+· · ·+nfn(xc)n1+· · · F′′(x) = 2f2 + 3·2f3(xc) +· · ·+n(n1)fn(xc)n2+· · ·

F′′′(x) = 3·2·1f3+ 4·3·2f4(xc) +· · ·+n(n1)(n2)fn(xc)n3+· · · ...

x=c

とすると

,

一般に

F(n)(c) =n!fn

になる。ただし

, F(n)(x)

F(x)

n

回微分した

n

次導関 数である。したがって

,F(x)

F(x) = X n=0

F(n)(c)

n! (xc)n (1.1)

と展開できる。これをテイラー級数

(Taylor series)

という。あるいは

xx+c

と置き換えれば

F(x+c) =

X n=0

F(n)(c) n! xn

である。更に,

c

x

を交換すると

F(x+c) = X n=0

F(n)(x) n! cn=

X n=0

cn n!

dn

dxnF(x) = X n=0

1 n!

c d

dx n

F(x) (1.2)

と表せる。(1.1) で

c= 0

とした

F(x) = X n=0

F(n)(0) n! xn

をマクローリン級数

(Maclaurin series)

という。これらの級数は収束するとは限らない。代表的な マクローリン級数と収束範囲を示す。

ex= exp(x) = X n=0

xn

n! = 1 +x+x2 2 +x3

3! +x4

4! +· · ·, |x|< (1.3) sinx=

X n=0

(1)n x2n+1

(2n+ 1)! =xx3 3! +x5

5! x7

7! +· · · , |x|< (1.4) cosx=

X n=0

(1)n x2n

(2n)! = 1x2 2 +x4

4! x6

6! +· · ·, |x|< (1.5) log(1 +x) =X

n=1

(x)n

n =xx2 2 +x3

3 x4

4 +· · · , 1< x1 (1.6)

(5)

F(x) = ex

とすると

F(n)(x) =ex

であるから

F(n)(0) = 1

になる。したがって, (1.3) が成り 立つ。

F(x) = sinx

の場合

F(x) = cosx , F′′(x) =sinx , F(3)(x) =cosx , F(4)(x) = sinx , · · ·

であるから

F(k)(0) =

1, k= 1,5, 9,· · ·

1, k= 3,7, 11,· · · 0, k= 0,2, 4,· · ·

つまり

F(k)(0) =

( (1)n, k= 2n+ 1 0, k= 2n

したがって

F(x) = X k=0

F(k)(0) k! xk=

X n=0

(1)n x2n+1 (2n+ 1)!

になり

(1.4)

が成り立つ。(1.4) の両辺を微分すれば

(1.5)

を得る。

tanx

のマクローリン級数は複雑であり

(1.17)

で与えられる。

F(x) = log(1 +x)

の場合

F(x) = (1 +x)1, F′′(x) = (1)(1 +x)2, F′′′(x) = (1)(2)(1 +x)3, · · ·

一般に

n1

のとき

F(n)(x) = (1)(2)· · ·(n+ 1)(1 +x)n= (1)n1n!

n (1 +x)n F(0) = 0

であるから

log(1 +x) = X n=1

F(n)(0)

n! xn=X

n=1

(x)n n

になる。

上の無限級数の部分和が元の関数に収束する様子を, sin

x

log(1 +x)

について示したのが次の 図である。細い曲線がそれぞれに付けた整数

N

xN

までの和を表す。sin

x

の部分和は項数が増 すにつれて近似の精度がよくなる。一方, log(1 +

x)

の部分和は収束範囲

1< x1

では同様であ るが, 収束範囲外では全く近似していない。

1

3 5

7 9

11 13 1

1 O

2 4

6 14

1 O 1

部分和は元の関数の近似式として使える。F

(c) = 0

の場合,

x=c

近傍を

F(x)F(c) +F′′(c)

2 (xc)2

で近似することはよく使う。

(6)

問題

1.1

次のマクローリン級数を示せ。

coshxex+ex

2 =

X n=0

x2n

(2n)!, ax= X n=0

(loga)n

n! xn,

ただし

a >0 (1.5)

と比較すると

cosh(ix) = cosx

である。

問題

1.2 x

を与えたとき

x= tany, |y|< π/2

を満たす

y

y= tan1x

または

y= arctanx

で 表わす。

dy

dx = 1

x2+ 1

を示せ。これを積分して

tan1x=

X n=0

(1)n

2n+ 1x2n+1,

ただし

|x|<1

を求めよ。

1.2

複素数

x

y

を実数とするとき, 複素数

z

z=x+iy , i=

1 (1.7)

で定義する。ここで

i2=1

である

i

を虚数単位

(imaginary unit),x

を複素数

z

の実部

(real part), y

を複素数

z

の虚部

(imaginary part)

といい

x= Rez , y= Imz

で表す。z

=iy

(純)

虚数

(imaginary number)

という。z

=x+iy

に対して

xiy

z

の共役

(conjugate)

複素数といい, ¯

z

または

z

で表す。共役複素数を使うと, 実部と虚部は

Rez= Rez= z+z

2 , Imz=Imz=zz 2i

と表せる。z が実数である条件は

z=z

である。z

1=x1+iy1, z2=x2+iy2

のとき

z1=z2 ⇐⇒ x1=x2

かつ

y1=y2 (1.8)

である。z

=x+iy

の絶対値

|z|

|z|=p

x2+y2

で定義する。

|z|2=zz

である。

実軸 虚軸

x y

O

P

θ r

実数は直線上の点で表せる。これと同様に, 2 つの実数からな

る複素数は平面上の点で表せる。x 軸と

y

軸からなる直交座標を 考え

,

P (x, y)

に対して複素数

z = x+iy

を対応させる。複 素数を表示するために用いられる

xy

平面を複素平面

(complex plane)

またはガウス平面

(Gaussian plane)

という。また

, x

軸 は実軸,

y

軸は虚軸と呼ばれる。z の共役複素数

z =xiy

は, 複素平面上において実軸

(x

軸) に関して対称の位置にある。原

O

から点

z=x+iy

までの距離

r

z

の絶対値

|z|

に等しい。OP と

x

軸のなす角を

θ

とすると

z=x+iy=r(cosθ+isinθ) (1.9)

と書ける。これを複素数の極形式という。

θ

z

の偏角

(argument)

といい

argz

と書く。

r=|z|=p

x2+y2, tanθ=y/x

(7)

であるから,

x,y

を与えると

r

は一意に決まる。一方,

n

を整数とすると

tanθ= tan(θ+ 2nπ)

であ るから

θ

には

2nπ

の不定性がある。2π の区間に制限すれば

θ

は一意に決まる。これを偏角の主値 といい

Argz

で表わす。通常,

π <Argzπ

または

0Argz <

とする。

π <Argzπ

の 場合, tan

x

の逆関数

tan1x, (π/2<tan1x < π/2 )

で表すと

x0

のとき

Argz= tan1(y/x), x <0

のとき

Argz=

( tan1(y/x) +π , y0 tan1(y/x)π , y <0

である。

オイラー

(Euler)

の公式 マクローリン級数

(1.3)

の実数

x

を複素数

z

で置き換えて

ez=

X n=0

zn

n! (1.10)

により複素変数の指数関数

ez

を定義する。複素数

z1,z2

に対して

ez1+z2 =

X n=0

1

n!(z1+z2)n= X n=0

1 n!

Xn k=0

n!

k! (nk)!z1kz2nk = X n=0

Xn k=0

zk1 k!

z2nk (nk)!

n 0kn

k nk

右図より

n0 , 0kn

k0,nk

と同じであるから

ez1+z2 =

X k=0

z1k k!

X nk=0

z2nk

(nk)! =ez1ez2

になる。実数と同様に

ez1+z2 =ez1ez2

が成り立つ。t が実数のとき

d

dtezt= d dt

X n=0

(zt)n n! =

X n=1

zntn1 (n1)! =z

X n=0

(zt)n

n! =z ezt

である。複素数

z

に関する微分は

102

ページ。

純虚数

z=

の場合,

n

が偶数

(n= 2k)

と奇数

(n= 2k+ 1)

に分ければ

e=

X k=0

(iθ)2k (2k)! +

X k=0

(iθ)2k+1 (2k+ 1)! =

X k=0

(1)kθ2k (2k)! +i

X k=0

(1)kθ2k+1 (2k+ 1)!

になる。この実部と虚部はそれぞれ

cosθ

sinθ

のマクローリン級数であるから

e= cosθ+isinθ (1.11)

を得る。これをオイラーの公式という。

e

=e, |e±|=p

cos2θ+ sin2θ = 1 , cosθ=e+e

2 , sinθ= ee 2i

極形式

(1.9)

z=re, z=re

になる。

n

を整数とすると

einπ= (1)n

より

e=e0

を満たす

θ

θ=θ0+ 2nπ

である。

オイラーの公式を使うと三角関数のいろいろな等式を簡単に導ける。例えば

ei(α+β)= cos(α+β) +isin(α+β) (1.12)

ei(α+β)=ee= (cosα+isinα)(cosβ+isinβ)

= cosαcosβsinαsinβ+i sinαcosβ+ cosαsinβ

(1.13)

(1.8)

より加法定理が求まる。

(8)

einθ = en

より

cos+isin= (cosθ+isinθ)n

これをド・モアブルの公式という。

マクローリン級数を用いてオイラーの公式を導いたが, 次のようにしてもよい。e

は複素数である から

F(θ),G(θ)

を実数の関数とすると

e=F(θ) +iG(θ) (1.14)

とおける。

d

e=ie

より

(F=dF/dθ

など

)

F+iG=i(F +iG) =G+iF ,

したがって

F=G , G=F (1.15)

になる。これから

F′′ =G =F

である。微分方程式

F′′=F

を満たす関数は

sinθ

cosθ

であるから

A,B

を任意の実数として

F =Acosθ+Bsinθ , G=F=AsinθBcosθ

になる。

(1.14)

θ = 0

とすると

1 = F(0) +iG(0) = AiB

より

A = 1, B = 0

になるから

F = cosθ, G= sinθ

である。

問題

1.3

ド・モアブルの公式より

cos 3θ= 4 cos3θ3 cosθ, sin 3θ=4 sin3θ+ 3 sinθ

を示せ。

問題

1.4 z3 = 8i

の解は

z38i=z3+ (2i)3

を因数分解すれば求まるが,

z =re

とおいて求め よ。求まった

z

を複素平面上の点として図示せよ。

問題

1.5 1 +z+z2+· · ·+zn= 1zn+1

1z

より

(z= 1

z1

の極限と見なす

) Xn

k=0

cos= cos(nθ/2) sin((n+ 1)θ/2)

sin(θ/2) ,

Xn k=1

sin= sin(nθ/2) sin((n+ 1)θ/2) sin(θ/2)

を示せ。

問題

1.6 f(x) =x/(ex1) +x/21

f(x) =f(x),f(0) = 0

を満たすから

n Bn

1 1/6 2 1/30 3 1/42 4 1/30 x

ex1 = 1x 2

X n=1

(1)nBn

(2n)! x2n,

ただし

|x|<

とおける。これで定義される正の有理数

Bn

をベルヌーイ数という。右表に具体的 値を示す。

x

は複素数でもよい。

x= 2πi

x/(ex1)

は発散するから収束範囲は

|x|<

になる。

xcotx=ix+ 2ix

e2ix1 = 1 X n=1

22nBn

(2n)! x2n, |x|< π (1.16) tanx= cotx2 cot 2x=

X n=1

22n(22n1)

(2n)! Bnx2n1, |x|<π

2 (1.17)

を示せ。

(9)

1.3

ベクトル

速度, 加速度, 力のように大きさと方向で指定される量をベクトルという。一方, 大きさだけの量 をスカラーという。ベクトルは矢印を付けて

A

と書いたり, 太文字

(ボールド体) A

で表す。x,

y, z

軸方向の単位ベクトル

(

大きさ

1

のベクトル

)

ex, ey, ez

とする。x,

y, z

成分が

Ax, Ay,Az

であるベクトル

A

A=Axex+Ayey+Azez= X3 k=1

Akek

と表せる。A

x,Ay,Az

をそれぞれ

A1,A2,A3

とし,

ex,ey,ez

e1,e2,e3

とも書く。A の大きさ を

|A|

で表す。つまり

|A|= q

A2x+A2y+A2z

である。2 つのベクトル

A

B

のなす角を

θ

とするとき

A·B=|A||B|cosθ

でスカラー積

(

内積

)A·B

を定義する。A と

B

が直交する場合

(θ=π/2 ),A·B= 0

になる。な お,

A·A=|A|2

を単に

A2

と書く。

単位ベクトル

ex,ey, ez

は大きさ

1

で互いに直交するから

ex·ex=ey·ey =ez·ez= 1, ex·ey=ey·ez=ez·ex= 0 (1.18)

である。これをまとめて書くと

(i,j

1, 2, 3

のどれかを指す

)

ei·ej =δij,

ただし

δij =

( 1 i=j

のとき

0 i̸=j

のとき

(1.19)

である。δ

ij

をクロネッカーのデルタ記号といい, 非常に便利な記号である。

X3 i=1

aiδi3=a1δ13+a2δ23+a3δ33=a3,

一般に

X3 i=1

aiδij =aj (1.20)

になる。スカラー積

A·B

2

つのベクトルの成分で表すと

A·B= X3

i=1

Aiei

·X3

j=1

Bjej

= X3 i=1

Ai

X3 j=1

Bjei·ej = X3 i=1

Ai

X3 j=1

Bjδij = X3 i=1

AiBi (1.21)

つまり

A·B=AxBx+AyBy+AzBz

である。

ei·A= X3 k=1

Akei·ek= X3 k=1

Akδik=Ai A= X3 k=1

Akek = X3 k=1

ek(ek·A) (1.22)

である。

P

の演算に関して次の点に注意せよ。

X3 k=1

=X

k

, X3 k=1

X3 j=1

=X

kj

など簡略化して書く。

和をとる変数は何でもよい

,

例えば

X

i

ai =X

k

ak, X

ij

aibj =X

mn

ambn

である。もちろん, 和を取らない変数は勝手に変更してはいけない。

参照

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物理数学Ⅱ (Mathematical Physics II) 科目区分 対象学生 ※ 単位数 2.00 開講年次・ 学期 3年次・前期 担当教員 中野 博生 所属

香取眞理 『非平衡統計力学』

宮腰, 高校数学+α, 共立出版, 2004 大村, 数学公式のはなし, 日科技連, 1996 寺沢, 自然科学者のための数学概論 増訂版改版, 岩波書店,

疫学モデル 岩波翔也(Iwanami,

[1] 「岩波数学辞典 第 3 版」208