複分析

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複分析是研究函數,特別是亞純函數和複解析函數數學理論。

研究中常用的理论、公式以及方法包括柯西积分定理柯西积分公式留数定理洛朗级数展开等。复分析的应用领域较为广泛,在其它数学分支和物理学中也起着重要的作用。包括数论应用数学流体力学热力学电动力学

复变函数[编辑]

复变函数,是自变量和因变量都为复数的函数。更确切的说,复函数的值域与定义域都是复平面的子集。在复分析中,自变量又称为函数的“宗量”[1]

对于复函数,自变量和因变量可分成实部和虚部:

z = x + iy\,
w = f(z) = u(x,y) + iv(x,y)\,
其中x,y \in \mathbb{R}\,u(x,y), v(x,y)\,是实函数。

用另一句话说,就是函数 f(z)的成分,

u = u(x,y)\,
v = v(x,y),\,

可以理解成变量 xy的二元实函数。

全纯函数[编辑]

全纯函数holomorphic function)是定义在复平面C的开子集上的,在复平面C中取值的,在每点上皆复可微的函数。[2]

复变函数为全纯函数的充分必要条件是复变函数的实部和虚部同时满足柯西-黎曼方程[3]

{ \partial u \over \partial x } = { \partial v \over \partial y }

{ \partial u \over \partial y } = -{ \partial v \over \partial x } .

通过上面的这个方程组也可以由全纯函数的实部或者虚部之一来求解另一个[4]

柯西积分定理[编辑]

柯西积分定理指出,如果全纯函数的闭合积分路径没有包括奇点,那么其积分值为0;如果包含奇点,则外部闭合路径正向[5]积分的值等于包围这个奇点的内环上闭合路径的正向积分值。

柯西积分公式[编辑]

假设 U复平面C的一个开子集f : UC 是一个在闭圆盘D上复可微的方程,
并且闭圆盘 D = { z : | zz0| ≤ r} 是U的子集。 设CD边界。则可以推得每个在D 内部的点a:

f(a) = {1 \over 2\pi i} \oint_C {f(z) \over z-a}\, dz

其中的积分为逆时针方向沿着C的积分。

亚纯函数[编辑]

在复分析中,一个复平面的开子集D上的亚纯函数是一个在D上除一个或若干个孤立点集合之外的区域全纯的函数,那些孤立点称为该函数的极点。

复变函数的级数展开[编辑]

複函數的可微性有比實函數的可微性更強的性質。例如:每一個正則函數在其定義域中的每個開圓盤都可以冪級數來表示:


f(z) = \sum_{n=0}^\infty a_n (z-z_0)^n = a_0 + a_1 (z-z_0) + a_2 (z-z_0)^2 + a_3 (z-z_0)^3 + \cdots

特別地,全纯函數都是無限次可微的[6],性質對實可微函數而言普遍不成立。大部分初等函數(多項式指數函數三角函數)都是全纯函數。常用的方法有泰勒级数展开等。

洛朗级数[编辑]

复变函数f(z)的洛朗级数,是幂级数的一种,它不仅包含了正数次数的项,也包含了负数次数的项。有时无法把函数表示为泰勒级数,但可以表示为洛朗级数。

f(z)=\sum_{n=-\infty}^\infty a_n(z-c)^n

奇点的情况[编辑]

对于复变函数的孤立奇点,有如下三类。

本质奇点[编辑]

复变函数在某孤立奇点邻域的洛朗级数展开,如果存在无穷个负幂项,那么这个点称为“本质奇点”[7]

对复平面 C 上的给定的开子集 U,以及 U 中的一点 a,亚纯函数 f : U\{a} → Ca 处有本质奇点当且仅当它不是极点也不是可去奇点。

极点[编辑]

复变函数在某孤立奇点邻域的洛朗级数展开,如果存在有限个负幂项,那么这个点称为“极点”[7]

亚纯函数的极点是一种特殊的奇点,它的表现如同z-a = 0时1/(z-a)n的奇点。这就是说,如果当z趋于a时,函数f(z)趋于无穷大,那么f(z)在z = a处便具有极点。

可去奇点[编辑]

复变函数在某孤立奇点邻域的洛朗级数展开,如果没有负幂项,那么这个点称为“极点”[7]

如果 U 是复平面 C 的一个开集,aU 中一点,f : U - {a} → C 是一个全纯函数,如果存在一个在 U - {a} 与 f 相等的全纯函数 g : UC,则 a 称为 f 的一个可去奇点。如果这样的 g 存在,我们说 fa 是可全纯延拓的。

留数[编辑]

定义[编辑]

在复分析中,留数是一个复数,描述亚纯函数在奇点周围的路径积分的表现。

亚纯函数f孤立奇点a的留数,通常记为Res(f,a),是使

f(z)-{R \over (z-a)}

圆盘0<|z-a|<\delta内具有解析原函数的唯一值R

留数定理[编辑]

Residue theorem illustration.png

复分析中,留数定理是用来计算解析函数沿着闭曲线的路径积分的一个有力的工具,也可以用来计算实函数的积分。它是柯西积分定理柯西积分公式的推广。

假设U复平面上的一个单连通开子集a1、……、an是复平面上有限个点,f是定义在U \ {a1、……、an}的全纯函数。如果γ是一条把a1、……、an包围起来的可求长曲线,但不经过任何一个ak,并且其起点与终点重合,那么:

\oint_\gamma f(z)\, dz =
2\pi i \sum_{k=1}^n \operatorname{I}(\gamma, a_k) 
\operatorname{Res}( f, a_k ).

一些难于计算的实函数的积分可以通过转化为复变函数,然后利用留数定理来进行计算[8]

注释及参考文献[编辑]

  1. ^ 梁昆淼 等. 数学物理方法(第四版). 高等教育出版社. : 6页. ISBN 978-7-04-028352-5. 
  2. ^ 全纯函数有时也被称作解析函数,但后者有几个其他的含义。
  3. ^ 梁昆淼 等. 数学物理方法(第四版). 高等教育出版社. : 13. ISBN 978-7-04-028352-5. 
  4. ^ 在积分的时候需要一定的初始条件才能得到确定的解。
  5. ^ 沿积分路径前进时,闭合路径包围的区域总在前进方向左侧。定义这个方向为“正向”。
  6. ^ 梁昆淼 等. 数学物理方法(第四版). 高等教育出版社. : 12页. ISBN 978-7-04-028352-5. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 梁昆淼 等. 数学物理方法(第四版). 高等教育出版社. : 48页. ISBN 978-7-04-028352-5. 
  8. ^ 梁昆淼 等. 数学物理方法(第四版). 高等教育出版社. : 56页. ISBN 978-7-04-028352-5. 

参考书目[编辑]