物理学中的数学方法_PDF下载[136MB-百度云]王怀玉

本书特色

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本书介绍了物理学科研工作所需的数学知识和相应的数学基础, 包括10 章内容,
分别是变分法、希尔伯特空间、二阶线性常微分方程、贝塞尔函数、狄拉克δ
函数、格林函数、范数、积分方程、数论在物理逆问题中的应用和任意维空间的基本方程. 本书内容与本科阶段已经学过的数理方法衔接,
并尽可能地反映*新的科研成果. 本书对概念的说明与公式的推导力求详尽全面, 内容叙述清楚, 便于读者学习.
各章末尾大量的习题有助于读者巩固和扩展正文中学到的知识内容.本书可作为大学物理系和理工科各专业的本科高年级学生和研究生的教材或参考书,
也可供高校教师和科研人员参考.

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内容简介

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《物理学中的数学方法》介绍了物理学科研工作所需的数学知识和相应的数学基础, 包括10 章内容,
分别是变分法、希尔伯特空间、二阶线性常微分方程、贝塞尔函数、狄拉克δ函数、格林函数、范数、积分方程、数论在物理逆问题中的应用和任意维空间的基本方程.
本书内容与本科阶段已经学过的数理方法衔接, 并尽可能地反映*新的科研成果. 本书对概念的说明与公式的推导力求详尽全面, 内容叙述清楚,
便于读者学习. 各章末尾大量的习题有助于读者巩固和扩展正文中学到的知识内容.

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作者简介

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王怀玉，清华大学物理系教授，博导。长期致力于凝聚态物理理论方面的工作。目前从事光与物质的相互作用的研究，成果丰硕。

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前言第1章变分法………………………………………………………..11.1泛函和泛函的极值问题………………………………………….11.1.1 泛函的概念………………………………………………..11.1.2泛函的极值问题…………………………………………….21.2 泛函的变分和*简单情形的欧拉方程……………………………. 51.2.1 泛函的变分………………………………………………..51.2.2 *简单情形的欧拉方程………………………………………91.3 多个函数和多个自变量的情形…………………………………. 131.3.1 多个函数…………………………………………………131.3.2 多个自变量……………………………………………….151.4 泛函的条件极值问题…………………………………………..171.4.1 等周问题…………………………………………………171.4.2 测地线问题……………………………………………….211.5 自然边界条件…………………………………………………231.6变分原理……………………………………………………..261.6.1 经典力学的变分原理……………………………………….271.6.2 量子力学的变分原理……………………………………….321.7 变分法在物理学中的应用………………………………………331.7.1 在经典物理中的应用……………………………………….341.7.2 在量子力学中的应用……………………………………….41习题………………………………………………………………47附录1a函数的极值问题………………………………………….50参考文献………………………………………………………….52第2章希尔伯特空间…………………………………………………532.1 线性空间、内积空间和希尔伯特空间…………………………….532.1.1 线性空间…………………………………………………532.1.2 内积空间…………………………………………………582.1.3希尔伯特空间……………………………………………..672.2 内积空间中的算子…………………………………………….692.2.1算子与伴随算子……………………………………………692.2.2 自伴算子…………………………………………………762.2.3 非齐次线性代数方程组有解的择一定理…………………………832.3 完备的正交归一函数集合………………………………………842.3.1 收敛的类别……………………………………………….842.3.2 函数集合的完备性…………………………………………862.3.3 n 维数域空间和希尔伯特函数空间…………………………… 902.3.4 正交多项式……………………………………………….912.4 魏尔斯特拉斯定理与多项式逼近……………………………….. 952.4.1 魏尔斯特拉斯定理…………………………………………952.4.2 多项式逼近……………………………………………….97习题……………………………………………………………..103附录2a数e不是一个有理数的证明………………………………107参考文献…………………………………………………………108第3 章二阶线性常微分方程…………………………………………1093.1 二阶线性常微分方程的一般理论………………………………. 1093.1.1 解的存在唯一性定理………………………………………1093.1.2 齐次方程解的结构………………………………………..1103.1.3 非齐次方程的解………………………………………….1163.2施图姆–刘维尔型方程的特征值问题…………………………… 1193.2.1施图姆–刘维尔型方程的形式……………………………….. 1193.2.2施图姆–刘维尔方程的边界条件……………………………… 1203.2.3施图姆–刘维尔特征值问题…………………………………. 1223.2.4施图姆–刘维尔特征值问题举例……………………………… 1273.3施图姆–刘维尔型方程的多项式解集…………………………… 1293.3.1 核函数和权函数的可能的形式………………………………. 1293.3.2 多项式的级数表达式和微商表示…………………………….. 1333.3.3母函数关系………………………………………………1393.3.4正交的施图姆–刘维尔多项式解集的完备性定理………………… 1413.3.5 正交多项式解集在数值积分中的应用………………………….1423.4与多项式的施图姆–刘维尔系统有关的方程和函数………………. 1453.4.1拉盖尔函数………………………………………………1453.4.2勒让德函数………………………………………………1493.4.3切比雪夫函数…………………………………………….1543.4.4厄米函数………………………………………………..1583.5 切比雪夫双曲函数……………………………………………1653.5.1 微分方程的建立………………………………………….1653.5.2 微分方程的求解………………………………………….1663.6 二阶常微分方程的复变函数理论………………………………. 1693.6.1 齐次线性方程组的解………………………………………1693.6.2 二阶常微分方程………………………………………….1813.7 非自伴的二阶常微分方程……………………………………..1873.7.1 常微分方程的伴随方程…………………………………….1873.7.2施图姆–刘维尔算子……………………………………….1883.7.3 非自伴二阶常微分方程的完备集…………………………….. 1913.8 非齐次方程有解的条件……………………………………….192习题……………………………………………………………..196附录3a初值问题(3.1.4)的解的存在唯一性的证明…………………201附录3b二重求和中变量的代换…………………………………..204附录3c关于施图姆–刘维尔理论向狄拉克型方程的推广……………. 204参考文献…………………………………………………………205第4 章贝塞尔函数………………………………………………….2074.1 贝塞尔方程………………………………………………….2074.1.1 贝塞尔方程及其解………………………………………..2074.1.2 **类和第二类贝塞尔函数………………………………… 2134.2 贝塞尔函数的基本性质……………………………………….2164.2.1 贝塞尔函数的递推公式…………………………………….2164.2.2 贝塞尔函数的渐近式………………………………………2194.2.3 贝塞尔函数的零点………………………………………..2194.2.4朗斯基行列式…………………………………………….2224.3 整数阶贝塞尔函数……………………………………………2234.3.1 奇偶性和特殊点的值………………………………………2244.3.2 整数阶贝塞尔函数的母函数………………………………… 2254.4 半奇数阶贝塞尔函数………………………………………….2294.5 第三类贝塞尔函数和球贝塞尔函数……………………………. 2324.5.1 第三类贝塞尔函数………………………………………..2324.5.2球贝塞尔函数…………………………………………….2364.6虚变量(或变形)贝塞尔函数…………………………………..2414.6.1 **类和第二类变形的贝塞尔函数……………………………2414.6.2 整数阶变形贝塞尔函数…………………………………….2464.6.3 半奇数阶变形贝塞尔函数…………………………………..2484.7 变量为实数的贝塞尔函数……………………………………..2484.7.1 贝塞尔方程的特征值问题…………………………………..2484.7.2 特征函数族的性质………………………………………..2504.7.3 球贝塞尔方程的特征值问题………………………………… 254习题……………………………………………………………..255附录4aγ(z)函数的导数与ψ(z)函数……………………………..261附录4b第二类贝塞尔函数表达式…………………………………263参考文献…………………………………………………………265第5章狄拉克δ函数……………………………………………….2675.1 δ 函数的定义与性质………………………………………….2675.1.1 δ 函数的定义…………………………………………….2675.1.2 δ函数是一个广义函数……………………………………..2685.1.3 δ 函数的傅里叶变换和拉普拉斯变换…………………………. 2695.1.4 广义函数的导数和积分…………………………………….2705.1.5 δ 函数中的定值是个复数的情况…………………………….. 2725.2 δ 函数视为普通函数的弱收敛极限…………………………….. 2735.2.1 普通函数的弱收敛的几种形式………………………………. 2735.2.2证明式(5.2.7a)的弱收敛极限是δ函数………………………. 2775.2.3证明式(5.2.9b)的弱收敛极限是δ函数………………………. 2775.2.4证明式(5.2.11)的弱收敛极限是δ函数………………………. 2795.2.5应用举例………………………………………………..2805.3 多维空间中的δ函数………………………………………….2825.3.1直角坐标系………………………………………………2825.3.2 直角坐标系到曲线坐标系的变换…………………………….. 2835.4 δ 函数的广义傅里叶展开……………………………………..286习题……………………………………………………………..290参考文献…………………………………………………………292第6章格林函数……………………………………………………2946.1 格林函数的基本理论………………………………………….2946.1.1 格林函数的定义………………………………………….2946.1.2 格林函数的作用和性质…………………………………….2956.1.3 格林函数的求解方法………………………………………2976.1.4 格林函数的物理意义………………………………………3036.2 拉普拉斯算子的基本解……………………………………….3056.2.1三维情况………………………………………………..3076.2.2二维情况………………………………………………..3086.2.3一维情况………………………………………………..3106.3 阻尼振子的格林函数………………………………………….3126.3.1齐次方程的解…………………………………………….3126.3.2求解格林函数…………………………………………….3136.3.3方程的通解………………………………………………3146.3.4无阻尼的情况…………………………………………….3146.3.5 边界条件对格林函数的影响………………………………… 3156.4 二阶常微分方程的格林函数……………………………………3166.4.1 格林函数的对称性………………………………………..3176.4.2 二阶微分方程边值问题的解………………………………… 3186.4.3广义格林函数…………………………………………….3206.4.4 求解二阶微分方程边值问题的实例……………………………3266.5 高维空间的格林函数………………………………………….3336.5.1 二阶微分方程与格林函数…………………………………..3336.5.2 二维格林函数求解实例…………………………………….3366.5.3 三维格林函数求解实例…………………………………….3516.5.4光的小孔衍射…………………………………………….3546.5.5 三维空间中粒子散射的问题………………………………… 3626.6 镜像法求解格林函数………………………………………….3636.6.1 镜像法的基本理论………………………………………..3636.6.2二维空间实例…………………………………………….3666.6.3三维空间实例…………………………………………….3716.7 一阶微分方程的格林函数……………………………………..3736.7.1 非齐次方程边值问题………………………………………3736.7.2 齐次方程边值问题………………………………………..3736.7.3 非齐次方程与格林函数…………………………………….3746.7.4 边值问题的通解………………………………………….3756.8 非自伴微分方程的格林函数……………………………………3766.8.1伴随格林函数…………………………………………….3766.8.2 非齐次微分方程的解………………………………………378习题……………………………………………………………..379参考文献…………………………………………………………382第7章范数………………………………………………………..3837.1 巴拿赫空间………………………………………………….3837.1.1巴拿赫空间………………………………………………3837.1.2赫尔德不等式…………………………………………….3867.1.3 闵可夫斯基不等式………………………………………..3897.2向量范数…………………………………………………….3907.2.1向量范数………………………………………………..3907.2.2 向量范数的等价性………………………………………..3937.3矩阵范数…………………………………………………….3947.3.1矩阵范数………………………………………………..3947.3.2 矩阵的谱范数和谱半径…………………………………….4007.3.3矩阵测度………………………………………………..4037.4算子范数…………………………………………………….4077.4.1算子的范数………………………………………………4077.4.2伴随算子………………………………………………..4117.4.3投影算子………………………………………………..4147.5 全连续算子………………………………………………….4177.5.1 线性积分变换用有限秩线性积分变换逼近…………………….. 4177.5.2全连续算子………………………………………………419习题……………………………………………………………..424参考文献…………………………………………………………426第8章积分方程……………………………………………………4288.1 积分方程的基础理论………………………………………….4288.1.1 积分方程的定义和分类…………………………………….4288.1.2 积分方程与微分方程的关系………………………………… 4308.1.3 关于齐次积分方程的理论…………………………………..4338.2 线性积分方程的迭代技术……………………………………..4378.2.1 弗雷德霍姆线性积分方程…………………………………..4378.2.2 沃尔泰拉线性积分方程…………………………………….4478.3 非线性方程的迭代技术……………………………………….4488.3.1迭代步骤………………………………………………..4488.3.2利普希茨条件…………………………………………….4508.3.3 利用收缩的概念………………………………………….4528.3.4 弹簧的非谐振动………………………………………….4538.4 退化核的弗雷德霍姆线性积分方程……………………………. 4558.4.1 可分核………………………………………………….4558.4.2有限秩核………………………………………………..4628.4.3 核按特征系的展开………………………………………..4718.5 卷积型积分方程的求解……………………………………….4738.5.1 弗雷德霍姆卷积型积分方程………………………………… 4738.5.2 沃尔泰拉卷积型积分方程…………………………………..4768.6 多项式类型的积分方程……………………………………….4798.6.1 只含多项式的弗雷德霍姆积分方程的解法…………………….. 4798.6.2母函数法………………………………………………..481习题……………………………………………………………..483参考文献…………………………………………………………488第9 章数论在物理逆问题中的应用………………………………….. 4909.1陈–莫比乌斯变换…………………………………………….4909.1.1引言……………………………………………………4909.1.2莫比乌斯变换…………………………………………….4929.1.3陈–莫比乌斯变换…………………………………………4979.2 晶体中声子态密度的逆问题……………………………………5009.2.1逆变换公式………………………………………………5009.2.2低温近似………………………………………………..5029.2.3高温近似………………………………………………..5059.3 晶体内原子间相互作用势的逆问题……………………………. 5079.3.1一维情况………………………………………………..5089.3.2二维情况………………………………………………..5129.3.3三维情况………………………………………………..5169.4 加性莫比乌斯变换及其应用……………………………………5239.4.1 函数的加性莫比乌斯变换及其应用……………………………5239.4.2 数列的加性莫比乌斯变换及其应用……………………………5299.5 与表面和界面有关的对势反演问题……………………………. 5329.5.1 孤立原子与半无限大晶体内原子的对势………………………..5329.5.2 晶体表面原子弛豫………………………………………..5349.5.3 界面原子间作用势的逆问题………………………………… 535习题……………………………………………………………..539附录9a黎曼ζ函数的数值………………………………………541附录9b倒易系数的计算…………………………………………543参考文献…………………………………………………………544第10章任意维空间的基本方程………………………………………54710.1任意维欧几里得空间…………………………………………54710.1.1 直角坐标系与球坐标系……………………………………54710.1.2 梯度、散度和拉普拉斯算子……………………………….. 55110.2 拉普拉斯方程和亥姆霍兹方程的格林函数…………………….. 55310.2.1 拉普拉斯方程的格林函数………………………………….55310.2.2 亥姆霍兹方程的格林函数………………………………….55510.3有心势下的径向方程…………………………………………55710.3.1 高维空间有心势下的径向方程……………………………… 55710.3.2 亥姆霍兹方程…………………………………………..55810.3.3 无限深球方势阱…………………………………………55910.3.4 有限深球方势阱…………………………………………56010.3.5 库仑势…………………………………………………56110.3.6谐振子势……………………………………………….56310.3.7 两项负幂次分子势……………………………………….56510.3.8 正负幂次分子势…………………………………………56610.3.9 指数衰减吸引势…………………………………………56610.3.10 径向方程具有解析解的条件………………………………. 56710.4 角向方程的解……………………………………………….56810.4.1四维空间……………………………………………….56910.4.2五维空间……………………………………………….57310.4.3 n 维空间………………………………………………57410.4.4 总角动量的线性无关分量………………………………….57710.5 赝球坐标系…………………………………………………58010.5.1 四维空间赝球坐标系……………………………………..58010.5.2 拉普拉斯方程的解……………………………………….58110.5.3 五维和六维空间…………………………………………58410.6 非欧几里得空间…………………………………………….58510.6.1度规张量……………………………………………….58510.6.2 五维闵可夫斯基空间和四维德西特空间……………………… 589习题……………………………………………………………..596附录10a超几何方程与超几何函数……………………………….598参考文献…………………………………………………………599外国人名英汉对照表…………………………………………………..600索引…………………………………………………………………602