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讲解一些复变函数的基础概念
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2022.07.06 江苏

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复变函数积分的定义

代数式: z = x + i y z=x+iy z=x+iy
三角式: z = r ( c o s φ + i s i n φ ) z=r(cos\varphi+isin\varphi) z=r(cosφ+isinφ)
指数式: z = r e i φ z=r e^{i\varphi} z=re

复函数的几何意义

复数的运算

若 z 1 = r 1 e i φ 1 z_1=r_1e^{i\varphi_1} z1=r1e1和 z 2 = r 2 e i φ 2 z_2=r_2e^{i\varphi_2} z2=r2e2,则
积: z = z 1 + z 2 = r 1 r 2 e i ( φ 1 + φ 2 ) z=z_1+z_2=r_1r_2e^{i(\varphi_1+\varphi_2)} z=z1+z2=r1r2ei(φ12)
商: z = z 1 z 2 = r 1 r 2 e i ( φ 1 − φ 2 ) z=\frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}e^{i(\varphi_1-\varphi_2)} z=z2z1=r2r1ei(φ1−φ2)
若 z = r e i φ z=re^{i\varphi} z=re,则
乘方: z n = r n e i n φ z^n=r^ne^{in\varphi} zn=rneinφ
方根: z n = r n e i ( φ n + 2 k π n ) \sqrt[n]{z}=\sqrt[n]{r}e^{i(\frac{\varphi}{n}+\frac{2k\pi}{n})} nz =nr ei(nφ+n2kπ)
对数: l n z = l n ( r e i φ ) = l n ∣ r ∣ + i φ lnz=ln(re^{i\varphi})=ln|r|+i\varphi lnz=ln(re)=ln∣r+
幂函数: z n = ( r e i φ ) n = r n e i n φ = r n ( c o s n φ + i s i n n φ ) z^n=(re^{i\varphi})^{n}=r^ne^{in\varphi}=r^n(cosn\varphi+isinn\varphi) zn=(re)n=rneinφ=rn(cosnφ+isinnφ)
z n = e n L n z = e n ( l n ∣ z ∣ + i A r g z ) , k = 0 , ± 1 , ± 2... z^n=e^{nLnz}=e^{n(ln|z|+iArgz)},k=0,\pm1,\pm2... zn=enLnz=en(ln∣z∣+iArgz),k=0,±1,±2...

共轭复数

若 z = x + i y = r e i φ z=x+iy=re^{i\varphi} z=x+iy=re,则 z z z的共轭复数定义 z ∗ = x − i y = r e − i φ z^*=x-iy=re^{-i\varphi} z=xiy=re−iφ为复数 z z z的共轭复数, ∣ z ∣ 2 = z z ∗ \lvert z\rvert^2=zz^* z2=zz

欧拉公式

e i φ = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! ( i φ ) n = ∑ k = 0 ∞ i 2 k 2 k ! φ 2 k + ∑ k = 0 ∞ i 2 k + 1 2 k + 1 ! φ 2 k + 1 e^{i\varphi}=\sum^{\infty}_{n=0}{\frac{1}{n!}(i\varphi)^n}=\sum^{\infty}_{k=0}{\frac{i^{2k}}{2k!}\varphi^{2k}}+\sum^{\infty}_{k=0}{\frac{i^{2k+1}}{2k+1!}\varphi^{2k+1}} e=n=0n!1(iφ)n=k=02k!i2kφ2k+k=02k+1!i2k+1φ2k+1
= ∑ k = 0 ∞ ( − 1 ) k 2 k ! φ 2 k + ∑ k = 0 ∞ ( − 1 ) k 2 k + 1 ! φ 2 k + 1 =\sum^{\infty}_{k=0}{\frac{(-1)^{k}}{2k!}\varphi^{2k}}+\sum^{\infty}_{k=0}{\frac{(-1)^{k}}{2k+1!}\varphi^{2k+1}} =k=02k!(−1)kφ2k+k=02k+1!(−1)kφ2k+1
= c o s φ + i s i n φ =cos\varphi+isin\varphi =cosφ+isinφ

三角函数

s i n φ = 1 2 i ( e i φ − e − i φ ) sin\varphi=\frac{1}{2i}(e^{i\varphi}-e^{-i\varphi}) sinφ=2i1(ee−iφ)
c o s φ = 1 2 ( e i φ + e − i φ ) cos\varphi=\frac{1}{2}(e^{i\varphi}+e^{-i\varphi}) cosφ=21(e+e−iφ)

复变函数的定义

若在复数平面上存在点集 E E E,对 E E E的每个点 z = x + i y z=x+iy z=x+iy都有复数 w = u + i v w=u+iv w=u+iv与之对应,则称 w w w为 z z z的函数, z z z为 w w w的变量,定义域为 E E E,记为:
w = f ( z ) = u ( x , y ) + i v ( x , y ) , z ∈ E w=f(z)=u(x,y)+iv(x,y), z\in E w=f(z)=u(x,y)+iv(x,y),zE
也即: f : z = x + i y ⟶ w = u + i v f: z=x+iy\longrightarrow w=u+iv f:z=x+iyw=u+iv
定义了一个复变函数实际上定义了两个相关联的实二元函数,因此复函数将具有独特的性质。
例如:
w = f ( z ) = z 2 = ( x + i y ) 2 = x 2 − y 2 + 2 i x y w=f(z)=z^2=(x+iy)^2=x^2-y^2+2ixy w=f(z)=z2=(x+iy)2=x2y2+2ixy
这样 { u ( x , y ) = x 2 − y 2 v ( x , y ) = 2 x y

{u(x,y)amp;=x2y2v(x,y)amp;=2xy
{u(x,y)v(x,y)=x2y2=2xy

导数的定义

设 w = f ( z ) w=f(z) w=f(z)是在区域 B B B的定义的单值函数。若在 B B B内的某点 Z Z Z,极限:
lim ⁡ △ z → 0 △ w △ z = lim ⁡ △ z → 0 f ( z + △ z ) − f ( z ) △ z \lim \limits_{\triangle z\rightarrow0}\frac{\triangle w}{\triangle z}=\lim \limits_{\triangle z\rightarrow0}\frac{f(z+\triangle z)-f(z)}{\triangle z} z→0limzw=z→0limzf(z+z)f(z)
存在,且与 △ z → 0 \triangle z\rightarrow0 z0的方向无关,则称函数 w = f ( z ) w=f(z) w=f(z)在 z z z点可导,称该极限为函数 f ( z ) f(z) f(z)在 z z z点的导数,记为 f ′ ( z ) f'(z) f(z)或 d f d z \frac{df}{dz} dzdf
1、当 △ z \triangle z z沿实轴 x x x趋于 0 0 0,即 △ y = 0 , △ z = △ x → 0 \triangle y=0,\triangle z=\triangle x\rightarrow0 y=0,z=△x0时,有
lim ⁡ △ z = △ x → 0 f ( z 0 + △ z ) − f ( z 0 ) △ z = = lim ⁡ △ x → 0 u ( x 0 + △ x , y 0 ) + i v ( x 0 + △ x , y 0 ) − u ( x 0 , y 0 ) − i v ( x 0 , y 0 ) △ x = ∂ u ∂ x + i ∂ v ∂ x

limz=x0f(z0+z)f(z0)zamp;=amp;=limx0u(x0+x,y0)+iv(x0+x,y0)u(x0,y0)iv(x0,y0)xamp;=ux+ivx
z=△x→0limzf(z0+△z)−f(z0)==△x→0lim△xu(x0+△x,y0)+iv(x0+△x,y0)−u(x0,y0)−iv(x0,y0)=xu+ixv

2、当 △ z \triangle z z沿虚轴 y y y趋于 0 0 0,即 △ x = 0 , △ z = △ y → 0 \triangle x=0,\triangle z=\triangle y\rightarrow0 △x=0,z=y0时,有
lim ⁡ △ z = △ y → 0 f ( z 0 + △ z ) − f ( z 0 ) △ z = = lim ⁡ △ y → 0 u ( x 0 , y 0 + △ y ) + i v ( x 0 , y 0 + △ y ) − u ( x 0 , y 0 ) − i v ( x 0 , y 0 ) i △ y = ∂ v ∂ y − i ∂ u ∂ y

limz=y0f(z0+z)f(z0)zamp;=amp;=limy0u(x0,y0+y)+iv(x0,y0+y)u(x0,y0)iv(x0,y0)iyamp;=vyiuy
z=△y→0limzf(z0+△z)−f(z0)==y→0limi△yu(x0,y0+△y)+iv(x0,y0+△y)−u(x0,y0)−iv(x0,y0)=yviyu
柯西黎曼方程(Cauchy-Riemann,C_R方程)是函数在一点可微的必要条件。

f ′ ( z ) = ∂ u ∂ x + i ∂ v ∂ x = ∂ v ∂ y − i ∂ u ∂ y = ∂ u ∂ x − i ∂ u ∂ y = ∂ v ∂ y + i ∂ v ∂ x
\begin{array}{ll} f'(z)&=\frac{\partial u}{\partial x}+i\frac{\partial v}{\partial x}\\ &=\frac{\partial v}{\partial y}-i\frac{\partial u}{\partial y}\\ &=\frac{\partial u}{\partial x}-i\frac{\partial u}{\partial y}\\ &=\frac{\partial v}{\partial y}+i\frac{\partial v}{\partial x} \end{array}
f(z)=xu+ixv=yviyu=xuiyu=yv+ixv
也可写成:
{ ∂ u ∂ x = ∂ v ∂ y ∂ v ∂ x = − ∂ u ∂ y
{ux=vyvx=uy
{xu=yvxv=yu

{ ∂ u ∂ r = 1 r ∂ v ∂ φ 1 r ∂ u ∂ φ = − ∂ v ∂ r
{ur=1rvφ1ruφ=vr
{ru=r1φvr1φu=rv

解析函数的定义

若函数 f ( z ) f(z) f(z)在 z 0 z_0 z0点及其邻域上处处可导,则称 f ( z ) f(z) f(z)字 z 0 z_0 z0解析,在区域E上每点都解析,则称 f ( z ) f(z) f(z)在区域上的解析函数。

解析函数的性质

解析函数的实部和虚部通过柯西黎曼(C-R)方程相互联系:知其中一个函数,可求另一个函数。


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