数学基础 · 附录 A 微积分要点 · A13

复数、复指数与常系数线性常微分方程

Complex Numbers, Complex Exponentials and Linear ODEs with Constant Coefficients
已完成速查更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

正文用到本节的地方:阻尼与受迫振动、响应函数(§P1.4);复阻抗与 RCRC 电路(§P3.6);晶格振动的试探解 ei(kna−ωt)e^{i(kna - \omega t)}(§10.4、§10.5);波包与群速度(§11.3);朗之万方程的解(§23.3 的 (23.5));过阻尼极限(§23.4);主方程的弛豫(§23.6);线性响应(第24章)。

§A13.1复数回顾

复数 z=x+iyz = x + iy(i2=−1i^2 = -1),实部 Re z=x\mathrm{Re}\,z = x,虚部 Im z=y\mathrm{Im}\,z = y。共轭 z∗=x−iyz^\ast = x - iy,模 ∣z∣=x2+y2\lvert z\rvert = \sqrt{x^2 + y^2},∣z∣2=zz∗\lvert z\rvert^2 = zz^\ast。由此 Re z=(z+z∗)/2\mathrm{Re}\,z = (z + z^\ast)/2,Im z=(z−z∗)/(2i)\mathrm{Im}\,z = (z - z^\ast)/(2i);除法通过"分子分母同乘分母的共轭"化为乘法:

1a+ib=a−iba2+b2\frac{1}{a + ib} = \frac{a - ib}{a^2 + b^2}

(§P1.4 由 (P1.12) 求 (P1.13) 的实部、虚部用的就是这一步。)把 zz 看成平面上的点 (x,y)(x,y),用极坐标写成 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta),r=∣z∣r = \lvert z\rvert,θ\theta 称为辐角。

§A13.2欧拉公式

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θ(A13.1)e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta \tag{A13.1}

推导一(级数):把 x=iθx = i\theta 代入 ex=∑xn/n!e^x = \sum x^n/n! (A10.4),按 ini^n 的周期性 1,i,−1,−i,…1,i,-1,-i,\dots 把偶次项与奇次项分开:偶次项是 1−θ2/2!+θ4/4!−⋯=cos⁡θ1 - \theta^2/2! + \theta^4/4! - \cdots = \cos\theta,奇次项是 i(θ−θ3/3!+⋯ )=isin⁡θi(\theta - \theta^3/3! + \cdots) = i\sin\theta。

推导二(微分方程):令 g(θ)=e−iθ(cos⁡θ+isin⁡θ)g(\theta) = e^{-i\theta}(\cos\theta + i\sin\theta),则 g′=e−iθ[−i(cos⁡θ+isin⁡θ)+(−sin⁡θ+icos⁡θ)]=0g' = e^{-i\theta}[-i(\cos\theta + i\sin\theta) + (-\sin\theta + i\cos\theta)] = 0,而 g(0)=1g(0) = 1,所以 g≡1g\equiv1。

推论:

  1. 极坐标形式 z=reiθz = re^{i\theta}。乘法变得简单:r1eiθ1⋅r2eiθ2=r1r2ei(θ1+θ2)r_1e^{i\theta_1}\cdot r_2e^{i\theta_2} = r_1r_2e^{i(\theta_1+\theta_2)}——模相乘、辐角相加。
  2. cos⁡θ=eiθ+e−iθ2\cos\theta = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2},sin⁡θ=eiθ−e−iθ2i\sin\theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i}。三角恒等式都可以由指数的乘法规则得到,例如 ei(a+b)=eiaeibe^{i(a+b)} = e^{ia}e^{ib} 的实部、虚部就是两角和公式。正文中常用的两个:
eika+e−ika−2=2cos⁡ka−2=−4sin⁡2ka2,∣1+eiφ∣2=2+2cos⁡φ=4cos⁡2φ2(A13.2)e^{ika} + e^{-ika} - 2 = 2\cos ka - 2 = -4\sin^2\frac{ka}{2},\qquad \lvert1 + e^{i\varphi}\rvert^2 = 2 + 2\cos\varphi = 4\cos^2\frac\varphi2 \tag{A13.2}

(前者给出一维单原子链的色散关系 (10.7),后者用于 §10.5 的双原子链。) 3. 双曲函数:cosh⁡x=ex+e−x2\cosh x = \frac{e^x + e^{-x}}{2},sinh⁡x=ex−e−x2\sinh x = \frac{e^x - e^{-x}}{2},tanh⁡x=sinh⁡x/cosh⁡x\tanh x = \sinh x/\cosh x。与三角函数的关系:cos⁡(ix)=cosh⁡x\cos(ix) = \cosh x,sin⁡(ix)=isinh⁡x\sin(ix) = i\sinh x。所以三角恒等式都有双曲版本:cosh⁡2x−sinh⁡2x=1\cosh^2x - \sinh^2x = 1,sinh⁡2x=2sinh⁡xcosh⁡x\sinh2x = 2\sinh x\cosh x,cosh⁡2x=cosh⁡2x+sinh⁡2x\cosh2x = \cosh^2x + \sinh^2x;导数 (cosh⁡x)′=sinh⁡x(\cosh x)' = \sinh x,(tanh⁡x)′=1/cosh⁡2x(\tanh x)' = 1/\cosh^2x。两能级系统、伊辛模型中到处是 ln⁡(2cosh⁡x)\ln(2\cosh x)、tanh⁡x\tanh x(第6、18章),因为 ex+e−x=2cosh⁡xe^{x} + e^{-x} = 2\cosh x。

单位根与周期性边界条件。方程 eiθ=1e^{i\theta} = 1 的解是 θ=2πn\theta = 2\pi n(nn 为整数)。周期性边界条件 un+N=unu_{n+N} = u_n 对试探解 eiknae^{ikna} 要求 eikNa=1e^{ikNa} = 1,所以 k=2πNamk = \frac{2\pi}{Na}m——这就是 §10.3、§11.3 中允许波矢的来源。相应的离散正交关系是

∑n=0N−1e2πimn/N={N,m 是 N 的整数倍0,其他(A13.3)\sum_{n=0}^{N-1}e^{2\pi imn/N} = \begin{cases}N, & m\text{ 是 }N\text{ 的整数倍}\\ 0, & \text{其他}\end{cases} \tag{A13.3}

证明:mm 是 NN 的倍数时每一项都是 1;否则 r=e2πim/N≠1r = e^{2\pi im/N}\ne1,由几何级数 (A10.3),和为 (1−rN)/(1−r)=0(1 - r^N)/(1 - r) = 0,因为 rN=e2πim=1r^N = e^{2\pi im} = 1。(A13.3) 是离散傅里叶变换(以及晶格中的布洛赫波、声子)的基础:不同 kk 的平面波在晶格上"正交"。

§A13.3用复数描述振动与波

为什么用复指数。对指数函数,求导变成乘法:ddte−iωt=−iω e−iωt\frac{d}{dt}e^{-i\omega t} = -i\omega\,e^{-i\omega t},∇eik⋅r=ik eik⋅r\nabla e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r} = i\mathbf k\,e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r}。于是常系数线性微分方程变成代数方程。而三角函数求导时 cos⁡\cos 与 sin⁡\sin 来回变换,计算繁琐得多。

取实部的规则。设物理方程是实系数的线性方程。若复函数 z(t)z(t) 是解,则它的共轭 z∗z^\ast 也是解(对方程取共轭,系数不变),从而实部 (z+z∗)/2(z + z^\ast)/2 也是解。所以可以:用复数计算,最后取实部。正文的约定是 F(t)=Re[F0e−iωt]F(t) = \mathrm{Re}[F_0e^{-i\omega t}],即时间因子为 e−iωte^{-i\omega t},d/dt→−iωd/dt\to-i\omega(物理学的习惯)。工程书中常用 e+jωte^{+j\omega t}(j=−ij = -i),所有公式中 ii 换成 −j-j,物理结果相同。

注意:非线性运算不能"先用复数、最后取实部"。 例如功率是两个量的乘积,Re(a) Re(b)≠Re(ab)\mathrm{Re}(a)\,\mathrm{Re}(b)\ne\mathrm{Re}(ab)。正确的做法是对乘积取时间平均:设 a(t)=Re[Ae−iωt]a(t) = \mathrm{Re}[Ae^{-i\omega t}],b(t)=Re[Be−iωt]b(t) = \mathrm{Re}[Be^{-i\omega t}],则

a(t) b(t)‾=12Re(AB∗)(A13.4)\overline{a(t)\,b(t)} = \frac12\mathrm{Re}\left(AB^\ast\right) \tag{A13.4}

证明:a=12(Ae−iωt+A∗eiωt)a = \frac12(Ae^{-i\omega t} + A^\ast e^{i\omega t}),bb 同理;乘开后 e∓2iωte^{\mp2i\omega t} 的项在一个周期内平均为零,剩下 14(AB∗+A∗B)=12Re(AB∗)\frac14(AB^\ast + A^\ast B) = \frac12\mathrm{Re}(AB^\ast)。

例:(P1.14)。外力 F=Re[F0e−iωt]F = \mathrm{Re}[F_0e^{-i\omega t}],速度 x˙=Re[−iωχF0e−iωt]\dot x = \mathrm{Re}[-i\omega\chi F_0e^{-i\omega t}]。由 (A13.4),平均功率为 12Re[F0(−iωχF0)∗]=12ωF02 Re(iχ∗)\frac12\mathrm{Re}[F_0(-i\omega\chi F_0)^\ast] = \frac12\omega F_0^2\,\mathrm{Re}(i\chi^\ast)。而 iχ∗=i(χ′−iχ′′)=χ′′+iχ′i\chi^\ast = i(\chi' - i\chi'') = \chi'' + i\chi',所以 Pˉ=12ωχ′′F02\bar P = \frac12\omega\chi''F_0^2:耗散只由响应函数的虚部决定。

复阻抗。对电路元件,令电流 I=Re[I^e−iωt]I = \mathrm{Re}[\hat Ie^{-i\omega t}]、电压 V=Re[V^e−iωt]V = \mathrm{Re}[\hat Ve^{-i\omega t}],定义 V^=ZI^\hat V = Z\hat I:电阻 ZR=RZ_R = R;电感 V=L dI/dtV = L\,dI/dt 给出 ZL=−iωLZ_L = -i\omega L;电容 I=C dV/dtI = C\,dV/dt 给出 I^=−iωCV^\hat I = -i\omega C\hat V,即 ZC=iωCZ_C = \frac{i}{\omega C}。阻抗的串联、并联规则与电阻相同。§P3.6 的 RCRC 低通电路:电源(噪声源)电压 V^s\hat V_{\mathrm s} 加在 RR 与 CC 的串联上(§P3.6 中 RR 与 CC 并联;把 RR 的噪声写成与 RR 串联的电压源后,在 V^s\hat V_{\mathrm s}、RR、CC 组成的回路中 RR 与 CC 是串联的),电容上的电压为

V^C=ZCR+ZCV^s=11−iωRCV^s,∣V^CV^s∣2=11+(ωRC)2\hat V_C = \frac{Z_C}{R + Z_C}\hat V_{\mathrm s} = \frac{1}{1 - i\omega RC}\hat V_{\mathrm s},\qquad \left\lvert\frac{\hat V_C}{\hat V_{\mathrm s}}\right\rvert^2 = \frac{1}{1 + (\omega RC)^2}

(正文用工程约定写成 1/∣1+i2πfRC∣1/\lvert1 + i2\pi fRC\rvert,模相同。)ω≪1/RC\omega\ll1/RC 的分量几乎全部通过,ω≫1/RC\omega\gg1/RC 的分量被衰减。

拍与群速度(§11.3)。两个频率、波数相近的波叠加:

ei(k1x−ω1t)+ei(k2x−ω2t)=ei(kˉx−ωˉt)[ei(Δk x−Δω t)/2+e−i(Δk x−Δω t)/2]=2cos⁡Δk x−Δω t2 ei(kˉx−ωˉt)e^{i(k_1x - \omega_1t)} + e^{i(k_2x - \omega_2t)} = e^{i(\bar kx - \bar\omega t)}\left[e^{i(\Delta k\,x - \Delta\omega\,t)/2} + e^{-i(\Delta k\,x - \Delta\omega\,t)/2}\right] = 2\cos\frac{\Delta k\,x - \Delta\omega\,t}{2}\,e^{i(\bar kx - \bar\omega t)}

(kˉ=(k1+k2)/2\bar k = (k_1 + k_2)/2,Δk=k1−k2\Delta k = k_1 - k_2,ω\omega 同理。)快速振荡的"载波"以相速度 ωˉ/kˉ\bar\omega/\bar k 前进,缓慢变化的包络以 Δω/Δk→dω/dk\Delta\omega/\Delta k\to d\omega/dk 前进——这就是群速度,能量与信息以它传播。

§A13.4一阶线性常微分方程

x˙=−γx+f(t)(A13.5)\dot x = -\gamma x + f(t) \tag{A13.5}

齐次方程(f=0f = 0):x˙/x=−γ\dot x/x = -\gamma,积分得 x=x0e−γtx = x_0e^{-\gamma t}:指数弛豫,弛豫时间 τ=1/γ\tau = 1/\gamma。

非齐次方程:积分因子法。两边乘以 eγte^{\gamma t},左边恰好成为一个全导数:

eγt(x˙+γx)=ddt(eγtx)=eγtf(t)e^{\gamma t}(\dot x + \gamma x) = \frac{d}{dt}\left(e^{\gamma t}x\right) = e^{\gamma t}f(t)

从 0 积分到 tt:

x(t)=x0e−γt+∫0te−γ(t−s)f(s) ds(A13.6)x(t) = x_0e^{-\gamma t} + \int_0^te^{-\gamma(t-s)}f(s)\,ds \tag{A13.6}

这就是朗之万方程的解 (23.5)(x→vx\to v,f→F/mf\to F/m)。物理图像:ss 时刻的"推动" f(s) dsf(s)\,ds 在之后的时刻 tt 只剩下 e−γ(t−s)e^{-\gamma(t-s)} 的比例;x(t)x(t) 是过去所有推动的衰减记忆之和。函数 e−γ(t−s)θ(t−s)e^{-\gamma(t-s)}\theta(t-s) 称为方程的格林函数(对单位冲击 δ(t−s)\delta(t-s) 的响应),它只在 t>st>s 时不为零——这就是因果性:响应不能先于原因(第24章的响应函数都有这一性质)。

系数随时间变化时(x˙=a(t)x+f(t)\dot x = a(t)x + f(t)),积分因子换成 e−∫a dte^{-\int a\,dt},做法相同。

§A13.5二阶常系数线性方程

x¨+γx˙+ω02x=0(A13.7)\ddot x + \gamma\dot x + \omega_0^2x = 0 \tag{A13.7}

试探解 x=estx = e^{st} 给出特征方程 s2+γs+ω02=0s^2 + \gamma s + \omega_0^2 = 0,

s±=−γ2±γ24−ω02s_\pm = -\frac\gamma2\pm\sqrt{\frac{\gamma^2}{4} - \omega_0^2}

线性方程的解可以叠加,通解为 x=c+es+t+c−es−tx = c_+e^{s_+t} + c_-e^{s_-t},两个常数由初始位置和速度确定。按判别式的符号分三种情形:

  1. 欠阻尼(γ<2ω0\gamma<2\omega_0):s±=−γ/2±iω1s_\pm = -\gamma/2\pm i\omega_1,ω1=ω02−γ2/4\omega_1 = \sqrt{\omega_0^2 - \gamma^2/4}。取实部得 x=Ae−γt/2cos⁡(ω1t+ϕ)x = Ae^{-\gamma t/2}\cos(\omega_1t + \phi):衰减的振荡(§P1.4)。
  2. 临界阻尼(γ=2ω0\gamma = 2\omega_0):两根重合 s=−γ/2s = -\gamma/2,只得到一个解 este^{st}。第二个解是 testte^{st}:代入验证,ddt(test)=(1+st)est\frac{d}{dt}(te^{st}) = (1 + st)e^{st},d2dt2(test)=(2s+s2t)est\frac{d^2}{dt^2}(te^{st}) = (2s + s^2t)e^{st},代入 (A13.7) 得 [t(s2+γs+ω02)+(2s+γ)]est=0[t(s^2 + \gamma s + \omega_0^2) + (2s + \gamma)]e^{st} = 0,因为两个括号都为零。(也可以看成两个相近的根 s+→s−s_+\to s_- 时 (es+t−es−t)/(s+−s−)→test(e^{s_+t} - e^{s_-t})/(s_+ - s_-)\to te^{st}。)
  3. 过阻尼(γ>2ω0\gamma>2\omega_0):两个负实根。当 γ≫ω0\gamma\gg\omega_0 时,用 1−x≈1−x/2\sqrt{1 - x}\approx1 - x/2:
s+=−γ2(1−1−4ω02γ2)≈−ω02γ,s−≈−γs_+ = -\frac\gamma2\left(1 - \sqrt{1 - \frac{4\omega_0^2}{\gamma^2}}\right)\approx-\frac{\omega_0^2}{\gamma},\qquad s_-\approx-\gamma

快的根 −γ-\gamma 对应速度的弛豫(时间 1/γ1/\gamma 后速度"忘记"初值);慢的根 −ω02/γ-\omega_0^2/\gamma 对应位置向平衡点的缓慢爬行。在比 1/γ1/\gamma 长的时间尺度上,惯性项 x¨\ddot x 可以略去,方程变为一阶的 γx˙=−ω02x\gamma\dot x = -\omega_0^2x。乘以质量 mm,就是 ζx˙=−κx\zeta\dot x = -\kappa x(ζ=mγ\zeta = m\gamma 为摩擦系数,κ=mω02\kappa = m\omega_0^2 为劲度系数)——这正是 §23.4 中过阻尼朗之万方程 (23.10) 的来源:§23.1 的例子中布朗粒子的 1/γ=m/ζ1/\gamma = m/\zeta 只有约 6×10−86\times10^{-8} s,比我们关心的时间短得多。

受迫振动。非齐次方程 x¨+γx˙+ω02x=F(t)/m\ddot x + \gamma\dot x + \omega_0^2x = F(t)/m 的通解 = 一个特解 + 齐次方程的通解。齐次部分随时间衰减(暂态),长时间后只剩下特解(稳态)。对 F=Re[F0e−iωt]F = \mathrm{Re}[F_0e^{-i\omega t}],试探特解 Re[x^e−iωt]\mathrm{Re}[\hat xe^{-i\omega t}],得 (P1.12)。对任意的 F(t)F(t),把它分解成频率分量(附录 A14),每个分量乘以 χ(ω)\chi(\omega) 后再叠加——线性系统的全部信息都在 χ(ω)\chi(\omega) 中。

§A13.6线性方程组与本征值

nn 个变量的线性方程组 x˙=Ax\dot{\mathbf x} = A\mathbf x(AA 为常数矩阵)用同样的方法处理:试探解 x=veλt\mathbf x = \mathbf ve^{\lambda t} 给出

Av=λv(A13.8)A\mathbf v = \lambda\mathbf v \tag{A13.8}

这是矩阵的本征值问题(附录 B2)。若 AA 有 nn 个线性无关的本征向量 va\mathbf v_a,通解为 x(t)=∑acavaeλat\mathbf x(t) = \sum_ac_a\mathbf v_ae^{\lambda_at}:每个"本征模"独立地演化。

例 1:简正模(§P1.3)。Mu¨=−KuM\ddot{\mathbf u} = -K\mathbf u 中试探 u=ve−iωt\mathbf u = \mathbf ve^{-i\omega t},得 Kv=Mω2vK\mathbf v = M\omega^2\mathbf v,本征值给出简正频率。

例 2:两态系统的弛豫(§23.6 的主方程)。设系统在态 1、2 之间跳跃,速率分别为 aa(1→21\to2)与 bb(2→12\to1):

P˙1=−aP1+bP2,P˙2=aP1−bP2\dot P_1 = -aP_1 + bP_2,\qquad \dot P_2 = aP_1 - bP_2

矩阵 (−aba−b)\begin{pmatrix}-a & b\\ a & -b\end{pmatrix} 的本征值为 00 与 −(a+b)-(a+b)。本征值 00 对应定态 P1=ba+bP_1 = \frac{b}{a+b},P2=aa+bP_2 = \frac{a}{a+b};另一个给出趋向定态的速率。直接求解也很简单:用 P2=1−P1P_2 = 1 - P_1,P˙1=−(a+b)P1+b\dot P_1 = -(a+b)P_1 + b,由 (A13.6),

P1(t)=ba+b+[P1(0)−ba+b]e−(a+b)t(A13.9)P_1(t) = \frac{b}{a+b} + \left[P_1(0) - \frac{b}{a+b}\right]e^{-(a+b)t} \tag{A13.9}

弛豫速率是两个方向的速率之和,而不是其中之一。在平衡态,细致平衡 aP1=bP2aP_1 = bP_2 给出 b/a=e−β(E1−E2)b/a = e^{-\beta(E_1 - E_2)}(对比 (23.18))。

§A13.7线性差分方程

离散的方程也可以用指数试探解。一维原子链 (10.6):Mu¨n=K(un+1+un−1−2un)M\ddot u_n = K(u_{n+1} + u_{n-1} - 2u_n)。试探 un=Arne−iωtu_n = Ar^ne^{-i\omega t},得 −Mω2=K(r+r−1−2)-M\omega^2 = K(r + r^{-1} - 2)。对无限长的链,要求解在 n→±∞n\to\pm\infty 时都有界,只能 ∣r∣=1\lvert r\rvert = 1,即 r=eikar = e^{ika},于是得到 (10.7)。若 ω\omega 超过 ωmax⁡\omega_{\max},rr 变成负实数(∣r∣≠1\lvert r\rvert\ne1),对应于空间上指数衰减的振动——这是在能带之外的频率下波不能传播的原因。

一般地,线性递推 an+1=c1an+c0an−1a_{n+1} = c_1a_n + c_0a_{n-1} 的通解是 an=αr1n+βr2na_n = \alpha r_1^n + \beta r_2^n,r1,2r_{1,2} 是 r2=c1r+c0r^2 = c_1r + c_0 的两个根。这与 §18.2 中转移矩阵的思想相同:ZN=Tr TN=λ+N+λ−NZ_N = \mathrm{Tr}\,T^N = \lambda_+^N + \lambda_-^N,长链的性质由最大的本征值决定。

自测题

  1. 用欧拉公式证明 cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b) = \cos a\cos b - \sin a\sin b,以及 cosh⁡2x−sinh⁡2x=1\cosh^2x - \sinh^2x = 1。
  2. 求 ∑n=0N−1cos⁡(2πmn/N)\sum_{n=0}^{N-1}\cos(2\pi mn/N)(mm 不是 NN 的倍数)。[答:00,由 (A13.3) 取实部。]
  3. 设 a(t)=Acos⁡(ωt+ϕ)a(t) = A\cos(\omega t + \phi)。用 (A13.4) 求 a2‾\overline{a^2}。[答:A2/2A^2/2。]
  4. 求 x˙=−γx+F0cos⁡Ωt\dot x = -\gamma x + F_0\cos\Omega t 的稳态解。[答:x=Re[F0γ−iΩe−iΩt]=F0γ2+Ω2cos⁡(Ωt−ϕ)x = \mathrm{Re}\left[\frac{F_0}{\gamma - i\Omega}e^{-i\Omega t}\right] = \frac{F_0}{\sqrt{\gamma^2 + \Omega^2}}\cos(\Omega t - \phi),tan⁡ϕ=Ω/γ\tan\phi = \Omega/\gamma。]
  5. 取 γ=10ω0\gamma = 10\omega_0,求 (A13.7) 的慢根,并与近似 −ω02/γ-\omega_0^2/\gamma 比较。[答:s+=(−10+96)ω0/2≈−0.1010 ω0s_+ = (-10 + \sqrt{96})\omega_0/2\approx-0.1010\,\omega_0,近似值 −0.1 ω0-0.1\,\omega_0。]
  6. 一个电感 LL 与电阻 RR 串联。求 Z(ω)Z(\omega),并说明 Re Z\mathrm{Re}\,Z 的意义。[答:Z=R−iωLZ = R - i\omega L;Re Z=R\mathrm{Re}\,Z = R 是耗散部分,由奈奎斯特公式 SV=4kBT Re ZS_V = 4k_{\mathrm B}T\,\mathrm{Re}\,Z(§24.4),只有它产生热噪声。]