好的最后讨论一下。
令:
$t = \frac{b}{a},t\in(0,+\infty)$(28)
$a = R$(29)
$C(t) = 4\pi\varepsilon R A(t)$(30)
其中
$A(t) = \begin{cases}
\frac{\sqrt{1-t^2}}{\arcsin(\sqrt{1-t^2})},t\in(0,1)\\
1,t\in\{1\}\\
\frac{2\sqrt{t^2-1}}{\ln(\frac{t+\sqrt{t^2-1}}{t-\sqrt{t^2-1}})},t\in(1,+\infty)\\
\end{cases}$(31)
最后一式子,在没设t的时候这个形式是比较对称且比较好看的,不过现在就不太好看了改一下,分母中对数内的部分分母有理化一下:
$A(t) = \begin{cases} \frac{\sqrt{1-t^2}}{\arcsin(\sqrt{1-t^2})},t\in(0,1)\\ 1,t\in\{1\}\\ \frac{\sqrt{t^2-1}}{\ln(t+\sqrt{t^2-1})},t\in(1,+\infty)\\ \end{cases}$ (32)
A代表我老婆娅雷斯塔(Aleister Crowley)
我们现在只用讨论这个函数。
先画个图吧
看上去就是一个函数啊。
那我们先讨论1处的极限。
显然,1处该函数为“$\frac{0}{0}$”未定式,用重要极限或者,洛!
左极限:
$\lim\limits_{t\to 1^-}A(t) = \lim\limits_{t\to 1^-}\frac{\sqrt{1-t^2}}{\arcsin(\sqrt{1-t^2})}= \lim\limits_{u\to 0^-}\frac{u}{\arcsin(u)} = \lim\limits_{v\to 0^-}\frac{\sin(v)}{v} = 1$ (33)
右极限
$\lim\limits_{t\to 1^+}A(t) = \lim\limits_{t\to 1^+}\frac{\sqrt{t^2-1}}{\ln(t+\sqrt{t^2-1})} = \lim\limits_{u\to 0^+}\frac{u}{\ln(u+\sqrt{u^2+1})} = \lim\limits_{u\to 0^+}\frac{1}{\frac{1}{u+\sqrt{u^2+1}}(1+\frac{u}{\sqrt{u^2+1}})} = \lim\limits_{u\to 0^+}\sqrt{u^2+1} = 1$ (34)
综上我们有:
$\lim\limits_{t\to 1}A(t) = A(1) = 1$(35)
即,函数A在1处连续。
接下来讨论在复数域上解析延拓这个函数的两个表达式。
非常抱歉,复变函数这块我仅仅在学数理方法时随便学了一点皮毛,以下过程可能不严谨,请多包涵。如果有大佬能帮忙严谨化的化非常感谢。
为了简便,后面默认辐角取主值(不区分ln和Ln了),变量在定义域中(大家可自行验证无误)。
先看:
$t\in(1,+\infty)$时,若用另一表达式:
$A(t) = \frac{\sqrt{1-t^2}}{\arcsin(\sqrt{1-t^2})} = \frac{\sqrt{t^2-1}i}{\arcsin(\sqrt{t^2-1}i)}$(36)
分子好说,分母就有点麻烦了。
联想到欧拉公式:
$e^{ix} = \cos(x)+i\sin(x),x\in R$(37)
我们用其变型:
$\sin(x) = \frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}$(38)
有:
$x = \arcsin(\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i})$(39)
令:
$\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i} = \sqrt{t^-1}i$(40)
可化为:
$e^{2ix}+2\sqrt{t^2-1}e^{ix}-1 = 0$(41)
这是一个关于$e^{ix}$的二次方程,解得:
$e^{ix} = \pm t-\sqrt{t^2-1}\in R$(42)
可知:
$ix \in R,e^{ix}\in(0,+\infty)$(43)
故:
$e^{ix} = t-\sqrt{t^2-1},x = -\ln(t-\sqrt{t^2-1})i = \ln(\frac{1}{t-\sqrt{t^2-1}})i = \ln(t+\sqrt{t^2-1})i$(44)
故:
$A(t) = \frac{\sqrt{t^2-1}}{\ln(t+\sqrt{t^2-1})}$(45)
(45)式即是(32)式中第三式。
再看:
$t\in (0,1)$时,若用另一表达式:
$A(t) = \frac{\sqrt{t^2-1}}{\ln(t+\sqrt{t^2-1})} = \frac{\sqrt{1-t^2}i}{\ln(t+\sqrt{1-t^2}i)}$ (46)
依旧是分母麻烦。从欧拉公式入手:
$ix = \ln(cos(x)+isin(x))$(47)
对比分子形式,令:
$t =\cos(x),\sqrt{1-t^2} = \sin(x)$(48)
此时$t\in(0,1),x\in(0,\frac{\pi}{2})$
有:
$x = \arcsin(\sqrt{1-t^2})$(49)
则:
$A(t) = \frac{i\sin(x)}{ix} = \frac{sin(x)}{x} = \frac{\sqrt{1-t^2}}{\arcsin(\sqrt{1-t^2})}$(50)
以上,我们就讨论完毕了,这个函数是正实数范围内连续函数(类似可证它是个“好函数”,无穷阶连续可导),利用复数的话,除了补充1处的可去间断点外这个函数可以用一个解析式表达,这很符合物理直觉。因为物理上电容有实际意义,直觉上应该是其定义域内无穷阶连续可导的。唯一的小问题就是只用实数的话会让这个函数的解析式变得很丑陋,但是跳出实数的限制,在复数范围内看,并略微牺牲一点数学的严谨,用函数的极限代替间断点,物理的和谐之美又回来了。
好了,本文完。如果有错误希望各位大佬指出,谢谢。