为了撑过期末考试的复变函数,我之前曾经进行了部分归纳。但是我和我的朋友们在突击过程中明显觉得,简单的堆砌很难在最短时间内记忆并掌握考试内容。所以有了这篇blog。
本篇假设需要急救包的受众有着最基本的复数运算基础。那么我们先从复变函数的两种写法说起:简单来说,就是f(z),u(x,y)+iv(x,y)。这两者实际上是一体两面。当涉及到f(z)这种写法时,关于连续和可导和实变情况下完全一样。复变函数1里有三个很好的例子。当写作后者那样的写法时,我们需要记忆柯西黎曼方程,根据柯西黎曼方程的条件,可以计算函数在哪里可导,继而推出哪里解析,例如对f(z)=2x3+3y3i,我们只需要计算C−R方程:
∂u∂x=6x2,∂v∂y=9y2,∂u∂x=∂v∂y,2x2=3y2∂u∂y=0,∂v∂x=0,∂u∂y=−∂v∂x 可知在那两条直线上可导,所以在复平面处处不解析。
在f(z)写法下,我们需要掌握初等函数在复变函数下的情形。其中对数和指数其实是好记忆的,只要记住核心的欧拉公式:
eix=cosx+isinx 所以指数,对数,幂函数即自成体系。我们无需进行特殊记忆,例如计算(1+i)i:
=eiln√2⋅e−(π4+2kπ)=e−(π4+2kπ)(cosln22+isinln22),k=0,±1,... 值得注意的是,在这个问题里2kπ仿佛不影响结果,但我们不应该认为这个周期性一直不影响结果,实际上对数函数Ln的将乘方拿下来的性质不满足,正是由于周期性。
三角函数的情形,也可以由欧拉公式推出,只需写出一个−x时的情形,作和作差即可。但最好额外记忆,即:
cosz=eiz+e−iz2,sinz=eiz−e−iz2i 上式取纯虚数时,可以推出双曲正弦和双曲余弦。双曲函数的性质,到时候现推吧。例如找出sinz=0,cosz=0,sinz+cosz=0的全部解,我们只需直接计算:
sinz=eiz−e−iz2i=0→e2iz=1→2z=2kπ→z=kπcosz=eiz+e−iz2=0→e2iz=−1→2z=(2k+1)π→z=π2+kπsinz+cosz=0→eiz+e−iz2+eiz−e−iz2i=0→e2iz=−i→z=kπ−π4 然后到了第三章的内容,关于求解复变函数下的积分,这里的题型有两种,第一种是曲线积分的直接应用,设出参数方程即可,利用与实积分时类似的牛顿-莱布尼茨公式。第二种是指对于闭合圆周的积分。第三章中我们会利用柯西-古萨定理,继而有复合闭路定理。将这个积分归结为在特定几个不解析的点的积分,然后用柯西积分公式以及高阶导数公式来计算。计算过程中涉及一些构造,并不是特别容易实施。实际上我们可以直接将第五章的留数定理应用上来:
∮Cf(z)dz=2πin∑k=1Res[f(z),zk] 其中留数的计算规则为:如果z0为f(z)的m级极点,那么:
Res[f(z),z0]=1(m−1)!limz→z0dm−1dzm−1{(z−z0)mf(z)} 至于极点的m如何确定,只需要考虑1/f(z)的零点的阶数,下面是一些例题:
1):∮Cezz−2dz,C:|z−2|=1z−2ez,z0=2,m=1→2πilimz→2(z−2)ezz−2=2πie22):∮Ceizz2+1dz,C:|z−2i|=32z2+1eiz=(z+i)(z−i)eiz,z0=i,m=1→2πilimz→i(z−i)eiz(z−i)(z+i)=πe3):∮Cdz(z2−1)(z3−1),C:|z|=r<1(z2−1)(z3−1)→无零点→04):∮Csinzdz(z−π2)2,C:|z|=2(z−π2)2sinz,2(z−π2)cosz→z0=π2,m=2→2πilimz→π2[(z−π2)2sinz(z−π2)2](1)=2πicosπ2=05):∮Cezdzz5,C:|z|=1z5ez→z0=0,m=5→14!2πilimz→0[z5ezz5](4)=πi126):∮Cdz(z2+1)(z2+4),C:|z|=32(z2+1)(z2+4)→z0=−i,z1=i,z2=−2i,z3=2i(均是一级零点)→2πi(i6−i6+i12−i12)=0 这样一些求积分的简单例题就得到了解决,留数定理法稍微增加了复杂度,但是免去了对于不能直接套柯西积分公式和高阶导数公式时的配凑。
第三章还有一个调和函数的内容,考察的内容是给定一个调和函数u,求它的共轭调和函数v。用C−R方程直接构造即可,例如:设v=epxsiny,求p的值使得v为调和函数,并求出解析函数f(z)=u+iv。
先按照拉普拉斯方程的条件直接计算:
∂v∂x=pepxsiny,∂v∂y=epxcosy∂2v∂x2=p2epxsiny,∂2v∂y2=−epxsiny∂2v∂x2+∂2v∂y2=0→(p2−1)epxsiny=0p=±1 之后求解u:
∂u∂x=∂v∂y=epxcosy,∂u∂y=−∂v∂xu=∫∂u∂xdx=1pepxcosy+g(y)∂u∂y=−1pepxsiny+g′(y)=−pepxsiny(p=±1)g′(y)=0→g(y)=Cu(x,y)=1pepxcosy+Cf(z)=u+iv=1pepxcosy+C+iepxsiny(p=±1) 这实际上有个细节要做出解释:在大多数时候我们给出u+iv这样的表述,此时的柯西黎曼方程就是我们熟悉的那个样子,同时我们称v是u的共轭调和函数。这里的顺序并不能随意颠倒,如果我们说u是v的共轭调和函数,那么满足的C−R方程实际上是:
∂v∂x=∂u∂y,∂v∂y=−∂u∂x 即正好对调,很可惜我们将不会看到调和函数的应用。它将以一个类似于高数下求全微分方程的形式一样,被我们记住了,然后考试以后忘掉。
值得注意的是,我们刚才以留数定理来解决了第三章的积分问题,但我们仍然要记住在第三章讲授的理论,下面列举以作复习:
对于圆形线积分,一个重要的结论是:
∮|z−z0|=rdz(z−z0)n+1={2πi,n=00,n≠0 如果我们应用留数定理,当n=0时,是一级极点,无需求导:
Res[f(z),z0]=(z−z0)1(z−z0)=1,I=2πi 当n≠0时,求导后常数项变为0,导致积分值为零:
Res[f(z),z0]=dndzn[(z−z0)n+11(z−z0)n+1]=0 如果是直接积分,也是有办法的,我们利用复数的指数表示:
z=z0+reiθ,0⩽θ⩽2π,dz=riθeiθdθ∮|z−z0|=rdz(z−z0)n+1=∫2π0riθeiθrn+1ei(n+1)θdθ=irn∫2π0e−inθdθn=0:i∫2π0dθ=2πin≠0:irn∫2π0(cosnθ−isinnθ)dθ=0 柯西-古萨基本定理指出:如果f(z)在单连通域B内处处解析,那么f(z)沿B内任意一条封闭曲线C的积分值为零,即∮Cf(z)dz=0。定理经过推广,可以得到在B域内解析,边界上连续,也有上述等式。之后又通过复合闭路定理和闭路变形原理,计算一个积分归结为了考虑区域内不解析的点处的积分值,最终柯西积分公式和高阶导数公式给出了圆满的结果:
f(z0)=12πi∮Cf(z)z−z0dz,f(n)(z0)=n!2πi∮Cf(z)(z−z0)n+1dz 第四章涉及到级数,这一章需要复习一下高数中的级数知识,非常简单和粗糙的说:正项级数的敛散性可以由比值审敛法或根值审敛法得出,交错级数的敛散性由莱布尼茨定理给出(提取出级数中的(−1)n后,若un≥un+1,limn→∞un=0。则该交错级数收敛。若该级数的绝对值收敛,则它本身必收敛,记作绝对收敛。若该级数的绝对值发散而本身收敛,称作条件收敛。)
在复数项级数中,一个复数序列{αn}={an+ibn},可以视作是由两个独立的实数序列形成的。在这里要指出,我们说的复数级数收敛,是说级数{an},{bn}都收敛。同时绝对收敛时的绝对值,在这里即模长|αn|。简单证明可以得:{αn}绝对收敛的充要条件是{an},{bn}都绝对收敛。
下面选取了几个判断敛散性的例子,可以帮助我们体会复数项时的区别:
∞∑n=11+ni1−ni:1+ni1−ni=1−n21+n2+2n1+n2i=an+bnilimn→∞an=−1,limn→∞bn=0{αn}→−1
v1.5.2