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静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图


背景介绍

静电学中的一些结论,会涉及到一些复杂函数的使用。有时我们想要进行结果的可视化展示直观感受推导的正确性。这时可以使用Mathematica丰富的绘图支持和数学运算函数支持来完成该任务。

推导

Schwartz-Christoffel变换提供了一个从复数平面

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_mathematica

的封闭多边形内部到复数平面的无穷平行板的映射,正如下图所示。

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_函数_02

这种类型的一种共形映射可以用来推导平行平板的电势的近似公式(考虑边缘效应)。

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_函数_03

平面上点的电势容易计算出,并且可以通过反变换回到平面来得到应该的电势。

我们这里使用的共形变换是

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_静电_04

效果大致如下图。

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_绘图_05

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_静电_04

进行改写,

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_函数_07

其中,如果条件良好满足一些要求,可以确定。

总之,用Lambert W函数的形式来写,就是

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_Line_08

其中,

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_函数_09

,表示向下取整,Im表示取虚部。在点处的电势是

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_绘图_10

Mathematica绘图

\[Phi][{x_, y_}] :=
 With[{z = x + I y},
  Im[z - 1 - ProductLog[Ceiling[(y - Pi)/(2 Pi)], Exp[z - 1]]]]

 ContourPlot[\[Phi][{x, y}], {x, -2, 10}, {y, -20, 20},
 Epilog -> {Red, Thickness[0.02], Line[{{-2, Pi}, {0, Pi}}],
   Line[{{-2, -Pi}, {0, -Pi}}]}, ContourShading -> False,
 Contours -> 20]

静电学中LambertW函数的应用以及Mathematica绘图_绘图_11

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