复变函数问题一则

2022年4月14日 25点热度 0人点赞

网友提了一个关于复变函数的小问题,如下:

如果复数z的模长等于1,求z^3+3*z+2*I的模长的最大值,其中I是虚数单位。

那么,如果使用Mathematica处理这个问题,会有什么好事发生呢?

下面,我们就来看看吧!

工具/原料

  • 电脑
  • Mathematica

方法/步骤

  1. 1

    首先,复数z的模长等于1,那么,z在复平面上的轨迹曲线就是单位圆。设z=E^(I t),t的取值范围为0到2*π。这样,所有满足要求的z都囊括在内了。

  2. 2

    看看z^3+3*z+2*I在复平面上的图形,是什么样子滴!

    用ComplexExpand展开z^3+3*z+2*I,然后就可以看到图形对应的参数方程(分别是实部和虚部)。曲线上,离原点最远的点,就是所有表达式的模长最大值。

  3. 3

    直接用Norm求表达式的模长,是不行的。因为Mathematica把t视为全体复数了。

    大家可能要问,为什么作图的时候,不会发生这个情况?

    其实,作图的时候,绘图范围已经把t限制在实数范围之里了。

    可是,即使在Norm前面,我们限定t>0,也无济于事,我真是无语了。

    同样的,ReIm也无力。

  4. 4

    所以,我用Part强行把实部和虚部分开。然后在计算模长。

    令a=z^3+3 z+ 2 I;

    b=ComplexExpand[z^3+3 z+ 2 I]

    运行结果是:3Cos[t]+Cos[3t]+I*(2+3Sin[t]+Sin[3t])

    那么,a的实部和虚部就可以求出来。

    注意,最后那一步化简,用的是模长^2。

    知道了模长表达式,在用Maximize,就可以求出最大值。

  5. 5

    看看单位圆是怎么变成那另一个图形的。

    z=E^(I t);a=z^3+3 z+ 2 I;

    ReIm[(1-n) z+n a]的图像,随着n的变化而变化:

    Manipulate[ParametricPlot[ReIm[(1-n) z+n a],{t,0,2 Pi}],{n,0,1}]

    END

注意事项

  • 复变函数问题,用Mathematica来处理,还是不太容易的!
经验内容仅供参考,如果您需解决具体问题(尤其法律、医学等领域),建议您详细咨询相关领域专业人士。
作者声明:本篇经验系本人依照真实经历原创,未经许可,谢绝转载。
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laozhao

这个人很懒,什么都没留下

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