数学 复变函数

复变函数:复数域与扩充复平面

复数及其运算, 共轭复数, 复数的模等定义与高中相同。

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复数域与复数的几何表示 #

复数域 #

定义

复数及其运算, 共轭复数, 复数的模等定义与高中相同.

按照数域的定义, 可以验证全体复数组成数域, 称之为复数域, 记作 C\mathbb{C}.

关于模和共轭复数的一些性质(涉及除法时均假定 z2≠0z_2\ne 0):

∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣;∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣;∣z∣=∣z‾∣;∣z∣2=zz‾;(z‾)‾=z;(z1±z2)‾=z1‾±z2‾;(z1z2)‾=(z1)‾(z2)‾;(z1z2)‾=z1‾z2‾;Re(z)=z+z‾2;Im⁡(z)=z−z‾2i\begin{aligned} |z_1z_2|=|z_1||z_2|;\quad \left|\dfrac{z_1}{z_2}\right|=\dfrac{|z_1|}{|z_2|};\\ |z|=|\overline{z}|;\quad |z|^2=z\overline{z};\\ \overline{(\overline{z})}=z;\quad \overline{(z_1\pm z_2)}=\overline{z_1}\pm\overline{z_2};\\ \overline{(z_1z_2)}=\overline{(z_1)}\overline{(z_2)};\quad \overline{\left(\dfrac{z_1}{z_2}\right)}=\dfrac{\overline{z_1}}{\overline{z_2}};\\ \t{Re} (z)=\dfrac{z+\overline{z}}{2};\quad \tIm(z) = \dfrac{z-\overline{z}}{2\t{i}} \end{aligned}
例

∣z1−z2∣2=∣z1∣2+∣z2∣2−2Re(z1z2‾)|z_1-z_2|^2=|z_1|^2+|z_2|^2-2\t{Re}(z_1\overline{z_2}).

例

证明实系数多项式的非实根成共轭对出现。

证明

考虑 α\alpha 是实系数多项式 P(z)P(z) 的一个根, 那么

P(α‾)=a0α‾n+⋯+an=a0αn‾+⋯+an=a0αn+⋯+an‾=P(α)‾=0‾=0.\begin{aligned} P(\overline{\alpha}) &= a_0\overline{\alpha}^n+\cdots+a_n\\ &=a_0\overline{\alpha^n}+\cdots+a_n\\ &=\overline{a_0\alpha^n+\cdots+a_n}\\ &=\overline{P(\alpha)}=\overline{0}=0. \end{aligned}

复数的几何表示 #

定义

考虑平面直角坐标系上的点 (x,y)(x,y) 对应到复数 z=x+yiz=x+y\text{i} 那么就称之为复平面. 并称 xx 轴为实轴, yy 轴为虚轴.

对非零复数 z=x+yiz=x+y\text{i},从原点指向对应点 P(x,y)P(x,y) 的向量 OP→\overrightarrow{OP} 与实轴正方向的有向夹角称为 zz 的 辐角。若 θ0\theta_0 是其中一个辐角,则所有辐角为 θ0+2kπ (k∈Z)\theta_0+2k\pi\ (k\in\mathbb Z)。零没有辐角。

注

非零复数的辐角是有向角. 即这是一个周期值, 与圈数有关. 并定义逆时针旋转为正值.

为了统一辐角, 我们规定 −π<θ⩽π-\pi<\theta\leqslant\pi. 并称在这个范围内辐角为辐角主值, 记作 arg⁡(z)\arg(z).

有了辐角的定义, 设 θ\theta 是复数 zz 的辐角, 则有

z=∣z∣(cos⁡θ+isin⁡θ).z=|z|(\cos\theta+\text{i}\sin\theta).

三角不等式:

∣∣z1∣−∣z2∣∣⩽∣z1−z2∣⩽∣z1∣+∣z2∣||z_1|-|z_2||\leqslant|z_1-z_2|\leqslant|z_1|+|z_2| ∣∣z1∣−∣z2∣∣⩽∣z1+z2∣⩽∣z1∣+∣z2∣||z_1|-|z_2||\leqslant|z_1+z_2|\leqslant|z_1|+|z_2|

乘除法的几何意义: [leftmargin=3cm]

  • 乘法: 模长相乘, 辐角相加.
  • 除法: 模长相除, 辐角相减.
定理 棣莫弗 (De Moivre)

对整数 n∈Zn\in\mathbb Z,有 (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡nθ+isin⁡nθ(\cos\theta+\text{i}\sin\theta)^n=\cos n\theta+\text{i}\sin n\theta。

有了上述定理下面考虑计算复数的开方:

设 nn 为正整数,z2≠0z_2\ne 0,并取 z2z_2 的一个辐角 θ\theta。方程 z1n=z2z_1^n=z_2 的全部解为

z1,k=∣z2∣1/n(cos⁡θ+2kπn+isin⁡θ+2kπn),k=0,1,…,n−1.z_{1,k}=|z_2|^{1/n}\left(\cos\frac{\theta+2k\pi}{n}+\text{i}\sin\frac{\theta+2k\pi}{n}\right),\qquad k=0,1,\ldots,n-1.

这些解两两不同,共 nn 个。式中的角不必落在辐角主值区间内;若 z2=0z_2=0,则只有解 z1=0z_1=0(按重数计为 nn 重根)。

无穷远点与扩充复平面 #

定义

把复平面的无穷远设想为一个点, 称之为无穷远点, 并记作 ∞\infty.

我们约定, ∞\infty 的模是无穷, 而其辐角没有意义.

无穷远点的计算:

  • (1) 加法: α+∞=∞+α=∞(α≠∞)\alpha+\infty=\infty+\alpha=\infty\quad (\alpha\neq\infty).
  • (2) 减法: α−∞=∞−α=∞(α≠∞)\alpha-\infty=\infty-\alpha=\infty\quad (\alpha\neq\infty).
定义

添加了无穷远点的复平面称为扩充复平面或黎曼球面, 记作 C‾\overline{\mathbb{C}}.

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