讲解一些复变函数的基础概念

本文深入探讨了复变函数的基本概念,包括复数的各种表示形式、复数的运算、复函数的定义及几何意义。详细介绍了复变函数的导数定义、柯西黎曼方程,并解释了解析函数的概念及其重要性质。

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复变函数积分的定义

代数式:z=x+iyz=x+iyz=x+iy
三角式:z=r(cosφ+isinφ)z=r(cos\varphi+isin\varphi)z=r(cosφ+isinφ)
指数式:z=reiφz=r e^{i\varphi}z=reiφ

复函数的几何意义

在这里插入图片描述

复数的运算

z1=r1eiφ1z_1=r_1e^{i\varphi_1}z1=r1eiφ1z2=r2eiφ2z_2=r_2e^{i\varphi_2}z2=r2eiφ2,则
积:z=z1+z2=r1r2ei(φ1+φ2)z=z_1+z_2=r_1r_2e^{i(\varphi_1+\varphi_2)}z=z1+z2=r1r2ei(φ1+φ2)
商:z=z1z2=r1r2ei(φ1−φ2)z=\frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}e^{i(\varphi_1-\varphi_2)}z=z2z1=r2r1ei(φ1φ2)
z=reiφz=re^{i\varphi}z=reiφ,则
乘方:zn=rneinφz^n=r^ne^{in\varphi}zn=rneinφ
方根:zn=rnei(φn+2kπn)\sqrt[n]{z}=\sqrt[n]{r}e^{i(\frac{\varphi}{n}+\frac{2k\pi}{n})}nz=nrei(nφ+n2kπ)
对数:lnz=ln(reiφ)=ln∣r∣+iφlnz=ln(re^{i\varphi})=ln|r|+i\varphilnz=ln(reiφ)=lnr+iφ
幂函数:zn=(reiφ)n=rneinφ=rn(cosnφ+isinnφ)z^n=(re^{i\varphi})^{n}=r^ne^{in\varphi}=r^n(cosn\varphi+isinn\varphi)zn=(reiφ)n=rneinφ=rn(cosnφ+isinnφ)
zn=enLnz=en(ln∣z∣+iArgz),k=0,±1,±2...z^n=e^{nLnz}=e^{n(ln|z|+iArgz)},k=0,\pm1,\pm2...zn=enLnz=en(lnz+iArgz),k=0,±1,±2...

共轭复数

z=x+iy=reiφz=x+iy=re^{i\varphi}z=x+iy=reiφ,则zzz的共轭复数定义 z∗=x−iy=re−iφz^*=x-iy=re^{-i\varphi}z=xiy=reiφ为复数zzz的共轭复数,∣z∣2=zz∗\lvert z\rvert^2=zz^*z2=zz

欧拉公式

eiφ=∑n=0∞1n!(iφ)n=∑k=0∞i2k2k!φ2k+∑k=0∞i2k+12k+1!φ2k+1e^{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}}eiφ=n=0n!1(iφ)n=k=02k!i2kφ2k+k=02k+1!i2k+1φ2k+1
=∑k=0∞(−1)k2k!φ2k+∑k=0∞(−1)k2k+1!φ2k+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
=cosφ+isinφ=cos\varphi+isin\varphi=cosφ+isinφ

三角函数

sinφ=12i(eiφ−e−iφ)sin\varphi=\frac{1}{2i}(e^{i\varphi}-e^{-i\varphi})sinφ=2i1(eiφeiφ)
cosφ=12(eiφ+e−iφ)cos\varphi=\frac{1}{2}(e^{i\varphi}+e^{-i\varphi})cosφ=21(eiφ+eiφ)

复变函数的定义

若在复数平面上存在点集EEE,对EEE的每个点z=x+iyz=x+iyz=x+iy都有复数w=u+ivw=u+ivw=u+iv与之对应,则称wwwzzz的函数,zzzwww的变量,定义域为 EEE,记为:
w=f(z)=u(x,y)+iv(x,y),z∈Ew=f(z)=u(x,y)+iv(x,y), z\in Ew=f(z)=u(x,y)+iv(x,y),zE
也即:f:z=x+iy⟶w=u+ivf: z=x+iy\longrightarrow w=u+ivf: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)=z2=(x+iy)2=x2−y2+2ixyw=f(z)=z^2=(x+iy)^2=x^2-y^2+2ixyw=f(z)=z2=(x+iy)2=x2y2+2ixy
这样{u(x,y)=x2−y2v(x,y)=2xy \begin{cases} u(x,y)&=x^2-y^2\\ v(x,y)&=2xy \end{cases}{u(x,y)v(x,y)=x2y2=2xy

导数的定义

w=f(z)w=f(z)w=f(z)是在区域BBB的定义的单值函数。若在BBB内的某点ZZZ,极限:
lim⁡△z→0△w△z=lim⁡△z→0f(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}z0limzw=z0limzf(z+z)f(z)
存在,且与△z→0\triangle z\rightarrow0z0的方向无关,则称函数w=f(z)w=f(z)w=f(z)zzz点可导,称该极限为函数 f(z)f(z)f(z)zzz点的导数,记为f′(z)f'(z)f(z)dfdz\frac{df}{dz}dzdf
1、当△z\triangle zz沿实轴xxx趋于000,即△y=0,△z=△x→0\triangle y=0,\triangle z=\triangle x\rightarrow0y=0,z=x0时,有
lim⁡△z=△x→0f(z0+△z)−f(z0)△z==lim⁡△x→0u(x0+△x,y0)+iv(x0+△x,y0)−u(x0,y0)−iv(x0,y0)△x=∂u∂x+i∂v∂x \begin{array}{ll} \lim \limits_{\triangle z=\triangle x\rightarrow0}\frac{f(z_{0}+\triangle z)-f(z_0)}{\triangle z}&=\\ &=\lim\limits_{\triangle x\rightarrow0}\frac{u(x_0+\triangle x,y_0)+iv(x_0+\triangle x,y_0)-u(x_0,y_0)-iv(x_0,y_0)}{\triangle x}\\ &=\frac{\partial u}{\partial x}+i\frac{\partial v}{\partial x} \end{array} z=x0limzf(z0+z)f(z0)==x0limxu(x0+x,y0)+iv(x0+x,y0)u(x0,y0)iv(x0,y0)=xu+ixv

2、当△z\triangle zz沿虚轴yyy趋于000,即△x=0,△z=△y→0\triangle x=0,\triangle z=\triangle y\rightarrow0x=0,z=y0时,有
lim⁡△z=△y→0f(z0+△z)−f(z0)△z==lim⁡△y→0u(x0,y0+△y)+iv(x0,y0+△y)−u(x0,y0)−iv(x0,y0)i△y=∂v∂y−i∂u∂y \begin{array}{ll} \lim \limits_{\triangle z=\triangle y\rightarrow0}\frac{f(z_{0}+\triangle z)-f(z_0)}{\triangle z}&=\\ &=\lim\limits_{\triangle y\rightarrow0}\frac{u(x_0,y_0+\triangle y)+iv(x_0,y_0+\triangle y)-u(x_0,y_0)-iv(x_0,y_0)}{i\triangle y}\\ &=\frac{\partial v}{\partial y}-i\frac{\partial u}{\partial y} \end{array} z=y0limzf(z0+z)f(z0)==y0limiyu(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 \begin{cases} \frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial v}{\partial y}\\ \frac{\partial v}{\partial x}=-\frac{\partial u}{\partial y}\\ \end{cases} {xu=yvxv=yu

{∂u∂r=1r∂v∂φ1r∂u∂φ=−∂v∂r \begin{cases} \frac{\partial u}{\partial r}=\frac{1}{r}\frac{\partial v}{\partial \varphi}\\ \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial \varphi}=-\frac{\partial v}{\partial r} \end{cases} {ru=r1φvr1φu=rv

解析函数的定义

若函数f(z)f(z)f(z)z0z_0z0点及其邻域上处处可导,则称f(z)f(z)f(z)z0z_0z0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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