1知识点回顾
1.1 复数和平面点集
- 1.
复数的四则运算.
- 2.
共轭复数的性质.
- 3.
复数的几何表示.
注将复数表示成指数式时应注意两点:
- (a).
模长必须为正. 如不能写成.
- (b).
注意通过复数处于第几象限判断辐角主值的取值范围,这是因为反正切函数默认值域为. 因此当位于第一、四象限时,当位于第二、四象限时. 如的辐角主值为.
- (a).
- 4.
复数的乘方和开方.
注只有当复积分化为实积分时才考虑用三角式,其他时候都采用更简洁的指数式或更直观的一般式.
- 5.
复数列极限的等价定义以及无穷远点.
- 6.
区域和闭域、简单曲线、单连通域和多连通域.
1.2 复变数函数
- 1.
函数的极限与连续性:设, 对,总,使得当时,. 若,则在处连续.
- 2.
可微和解析:在的邻域内有定义且极限存在,则在点可微.
若在内可微,则在内解析;若在的某个邻域内可微,则在点解析. 奇点即使不解析的点.
- 3.
可微的充要条件:记,则在可微的充要条件如下.
- (a).
在点可微.
- (b).
满足Cauchy-Riemann方程:.
注对于区域的边界,若在至少一个区域内不解析,则在上不解析.
- (a).
- 4.
初等函数.
- (a).
幂函数:,通常取角域.
- (b).
根式函数:,支点为和,通常取负实轴为其支割线.
注若函数,其中为次多项式,且,则其支点为令或的点.
- (c).
指数函数:.
- i.
,因此,即.
- ii.
不存在.
- iii.
周期为.
- i.
- (d).
对数函数:,其主值为.
注可满足,但,这源于的多值性.
- (e).
三角函数:余弦,正弦,正切.
- i.
周期、零点、导数、平方和为1的结论与实函数情形一致.
- ii.
无界.
- i.
- (f).
双曲函数:双曲余弦,双曲正切.
- i.
,由此可求其零点、导数,周期为.
- ii.
,两角和差的正余弦公式与三角函数的极其相似,请自行查阅.
- i.
- (g).
一般幂函数:,其中. 若为无理数或一般复数,则该函数无穷多值.
- (h).
反三角函数:利用三角函数的定义反解关于的一元二次方程.
- (a).
1.3 解析函数的积分表示
- 1.
常用积分形式:,如取时常令.
- 2.
积分性质:
- (a).
.
- (b).
- (c).
长大不等式:.
- (d).
充分小时,记圆弧,若,则
(1)注此结论的证明过程很重要.
- (a).
- 3.
Cauchy积分定理:对于复闭路围成的单连通域,在上解析,则. 若为多连通域,记内部“空洞”的正向边界为,则
(2)由此可证,对任意包含的复闭路,均有.
注此积分的证明思路应熟记.
- 4.
Newton-Leibniz公式1:.
- 5.
Cauchy积分公式:对复闭路,. 特别地,.
- 6.
解析函数的性质.
- (a).
平均值公式:在闭圆内解析,则.
- (b).
最大模原理:在内解析且非常数,在的边界上连续,则.
注若在内无零点,即严格正,则.
- (c).
Cauchy不等式:在闭圆内解析,闭路为的边界,则.
- (d).
Liouville定理:有界的整函数2为常数.
- (e).
代数学基本定理:任何复系数多项式必有零点.
1.4 调和函数
- (a).
共轭调和函数:满足Cauchy-Riemann方程的一对调和函数,满足.
- (b).
若已知调和函数或,则
(3)(4)计算路径积分时,通常取折线.
注实际求解这类题时,更便捷的做法是计算或,将其表示成的形式(令)后利用Newton-Leibniz公式求解.
- (c).
调和函数的性质.
- i.
平均值原理:在闭圆内调和,则.
- ii.
极值原理:在内调和且非常数,在的边界上连续,则的最值均在上取到.
- i.
- (a).
1.5 解析函数的级数展开
1.5.1 基本性质
- 1.
收敛 均收敛 部分和存在极限.
- 2.
Cauchy收敛准则(一般用不到) 收敛的必要条件:.
- 3.
绝对收敛 均绝对收敛 收敛.
- 4.
Weierstrass判别法3:若对均有且收敛,则在上绝对一致收敛.
- 5.
一致收敛级数的性质.
- (a).
连续:.
- (b).
可积:.
- (c).
可导:若解析,则.
- (a).
1.5.2 幂级数
- 1.
定义:,其中.
- 2.
收敛半径4:. 当时级数收敛,当时级数发散,当时情况不定.
计算幂级数的和函数时,最常见的为形如的形式. 可通过积分(前者)或求导(后者)的方式将各项凑成(或等)的形式,求和后再进行逆运算,如
1.5.3 解析函数的Taylor展开
- 1.
收敛半径:若将函数在点展开,则以为中心作圆并不断扩大,直至圆的边界首次包含的奇点. 即若以表示的全体奇点,则. 可在内唯一展开.
注千万别用幂级数中的定义硬怼. 以及书写展开式时别忘了带上收敛域.
- 2.
在内解析 能在内任一点将作Taylor展开.
- 3.
常用Taylor展开:
- (a).
.
- (b).
. .
- (c).
.
- (d).
.
注将函数作Taylor展开时有两类常见形式.
- (a).
对于形如的函数,在处展开时可先将有理分式改写成
(7)利用一致收敛级数的可微性,将在内展开后求导,最后再乘上.
- (b).
对于容易展开的函数构成的形如的复杂函数,求解其Taylor展开级数前有限项时,通常设
(8)此时将展开,对比系数解方程组,可得到的值. 求解过程中可利用如的“奇偶性”5减少需要求解的系数数目.
- (a).
- 4.
是的阶零点等价于:
- (a).
.
- (b).
在附近,,其中在附近解析且.
- (a).
1.5.4 Laurent级数
- 1.
定义:, 其中,为解析域内一闭路.
- 2.
收敛域:,其中.
- 3.
通常计算Laurent级数采用的是变量代换的方法,即令或,使得. 那么对展开后,Laurent级数的主要部分与正则部分均收敛.
1.5.5 解析函数的孤立奇点
- 1.
定义:函数在点的某个邻域内除点均解析,则为孤立奇点.
注依定义,不是的孤立奇点. 这是因为有奇点,在的任意邻域内,均,使得当时,均有.
- 2.
分类.
- 3.
对于点,作代换,类似地可研究即处的奇点种类.
2作业题讲解
- 1.
Ch2 T1 (5) 函数把平面上的变为平面上的什么曲线?
注习惯上我们会设,然后利用,对比实虚部得到,再代入满足的条件. 但有时候满足的方程并不那么容易代入,这时我们会反解再将解代入——实际上这种方法更普适.
- 2.
Ch2 T9 (2) 设在平面的区域内有直到二阶连续的偏导数,是内的单叶函数. 求证
(10)解将多元函数偏微分的链式法则写成矩阵形式:
(11)由C-R方程,,且,因此
(12)其中为单位矩阵,从而
(13)即,结论得证.
注感谢马梓州同学的解法. 不过也不用太担心考试碰到类似的题,毕竟这类题基本在淑芬B2就考得差不多了.
- 3.
Ch2 T16 (2) 判断下列极限是否存在:.
注这类求时函数极限的题,若函数中含项(包括三角函数、双曲三角函数),则基本朝着发散的方向去证明. 如对取,对取,再利用的震荡发散性证得结论.
- 4.
Ch2 T23 求下列值:.
注这题和上一题一样,也只是一个小知识点. 反三角函数直接代入的公式并不常用,背起来会有些麻烦. 再者从实用的角度来看也没必要为了可能的几分特意准备. 关键在于明白反三角的计算思路,即利用三角函数的定义反解关于的一元二次方程,得到两根.
- 5.
Ch3 T5 计算积分,并由此证明
(14)注利用这类复积分证明实积分结论时,若积分区间长度为,用对称性时有如下两种方式:(1) 取积分区间为,利用; (2) 取积分区间为,利用. 两者不能混用.
- 6.
Ch3 T7 设在域内连续,且存在极限
(15)设是位于内的圆弧,试证明
(16)注这类题有很明显的特征:积分路径是圆(弧)形8,有已知函数极限(趋于点或无穷),证明函数积分的极限. 其通常解题步骤是:
- (a).
将极限形式改写成,再用极限的-语言将函数极限写成模的不等式. 如此处令,则对,总,使得当时,满足.
- (b).
将需证明的积分极限右侧值利用改写成积分形式,其中且,与用表示的被积函数分母保持一致. 如此处被积函数为,因此.
- (c).
等式两端作差取模,利用长大不等式和极限的定义证明结论. 如此处作差后得到
(17)其中第二个不等式处代入了.
- (a).
- 7.
Ch4 T2 (1) 设是解析函数,证明:是调和函数 ().
注证明实函数调和时,若能构造解析的复变函数使得该实函数为其实部或虚部,则避免了直接计算二阶偏导而使证明过程极大简化. 类似的题还有Ch4 T5. 这里感谢几位同学提供的思路(可惜当时忘了记录下来),构造,使得. 因为是关于的初等函数,而解析,故解析,结论得证.
- 8.
Ch4 T4 (3) 求解析函数,使其分别满足下列条件:虚部为,且.
注概括一下这类用调和实函数构造解析函数的题的步骤:
- (a).
证明实函数调和.
- (b).
利用或计算. 再令,将写成以为变量的形式9.
- (c).
利用Newton-Leibniz公式计算.
- (a).
3其他习题补充
- 1.
2019-2020期末 T1 (4) 10设,给出的全体奇点(不包括),并指出每个奇点的类型(极点指出阶数):.
解显然和分别是的3阶极点和本性奇点. 由于,故5是的1阶极点.
- 2.
2019-2020期末 T1 (7) 设函数在处的Taylor展开式为,那么幂级数的收敛半径.
解的全部奇点满足,即. 由于在处展开,因此.
- 3.
2019-2020期末 T1 (10) 设,那么在右半平面解析并以为它的实部的函数为.
解结合C-R方程,先给出的表达式:
(18)其中. 由于,故. 在右半平面内,任取,这里取. 由Newton-Leibniz公式,
(19)其中已将中的项并入. 利用解得,即
(20) - 4.
2019-2020期末 T2 (1) 求幂级数的和函数,并计算.
解幂级数的收敛半径为,在内该级数收敛. 记和函数,则
(21)进而可得.
- 5.
2019-2020期末 T2 (4) 计算积分.
解记,则,从而
(22)因此取正向闭曲线,代入,实积分转化为复平面上的环路积分:
(23)其中已利用Cauchy积分公式,并注意到所包围的区域内仅有奇点.
- 6.
2019-2020期末 T3 (1) 设为定义在上半平面内的解析函数,则为定义在下半平面上的复变函数,请问:在下半平面上是否为解析函数? 给出你的答案,如果“是”,给出证明;“否”,举个反例.
解是. 证明如下:设,那么. 可微,显然也可微,且
(24)代入满足的Cauchy-Riemann方程,可证满足Cauchy-Riemann方程,因此解析
- 7.
2019-2020期末 T3 (5) (压轴)设,表示的个零点模的最小值,证明:
(25)解对,当时,级数一致收敛于. 则由Cauchy收敛准则,对,总,使得当时,令,满足
(26)确定后,不妨取,这样也确定了. 另一方面,由于,故,因此
(27)因此在内无零点,即. 综上,对,总,使得当时,总有,即.
- 8.
2020-2021期末 T2 (1) 求函数在处Taylor展开前5项(即展开到为止),并且给出所得幂级数的收敛半径.
解函数的全部奇点满足,即. 由于在附近展开,故收敛半径. 设在附近的Taylor展开式为,则
(28)对比系数可知
(29)(30)(31)(32)(33)从中解得,即
(34) - 9.
2020-2021期末 T2 (2) 将函数在区域内展开成Laurent级数.
解先变形再对正弦函数展开:
(35) - 10.
2020-2021期末 T2 (5) 计算积分.
解记,则
(36)因此取正向曲线,实积分改写成:
(37)由于,的奇点满足
(38)并且
(39)(40)因此在内仅有2阶极点,从而
(41) - 11.
2020-2021期末 T3 (1) 设函数在有界区域内解析,在有界闭域上连续,这里为的边界. 证明:如果函数没有零点,并且对于有(为常数),那么存在实数使得.
解由于在闭路围成的区域内解析,由最大模原理,. 另一方面,令,由于在内无零点,且对于,极限
(42)存在,因此在内也解析,由最大模原理,,即. 综上分析,,从而对,均,使得.
- 12.
2020-2021期末 T3 (4) (压轴)设在内解析,,证明:
- (a).
.
- (b).
设,则.
- (c).
,其中.
解- (a).
由于在内解析,故在处的Taylor级数一致收敛于. 记该级数为. 由共轭运算的线性性与保持模不变的性质,对,总,使得当时,满足
(43)故级数也一致收敛于,从而该积分和无穷求和可交换. 而在上,,因此
(44)由于,故,因此,证得
(45) - (b).
利用上一问的结论和Cauchy积分公式,当时,将Taylor级数的系数改写为:
(46) - (c).
沿用第(1)问的结果,,且
(47)当时,由Cauchy积分公式,
(48)因此
(49)
- (a).
- 13.
2021-2022期末 T1 (2) 曲线在函数下的像为(写出表达式).
解记,其中,则,曲线方程化为:
(50)即,为平面上的直线.
- 14.
2021-2022期末 T1 (4) 如果函数是区域到区域的解析函数,那么(填写“是”或“否”)为调和函数.
解由于解析,且,即,则也解析,从而其虚部为调和函数.
- 15.
2021-2022期末 T2 (3) 设,设为区域内从0到1的不经过的任意简单曲线,计算积分.
解记为从0到的直线段,闭路为与相连形成的正向曲线,则
(51)被积函数的奇点和前者在内,后者不在,即所包围的区域内至多包含奇点. 以下分两种情况讨论:
- (a).
点不在所围成的区域内,则由Cauchy积分定理,
(52) - (b).
点在所围成的区域内,此时必定有. 由Cauchy积分公式,
(53)
- (a).
- 16.
2021-2022期末 T2 (4) 计算积分,其中为不过点0和1的简单闭曲线.
解记所包围的区域为,则分四种情况讨论.
- (a).
,则记此时闭路为,由Cauchy积分定理,
(54) - (b).
且,则记此时闭路为,由Cauchy积分公式,
(55) - (c).
且,则记此时闭路为,由Cauchy积分公式,
(56) - (d).
,则记此时闭路为,由多连通域的Cauchy积分定理,
(57)
- (a).
- 17.
2021-2022期末 T2 (5) 计算积分.
解注意到
(58)因此
(59)即. 记,则取正向闭曲线,由Cauchy积分公式,
(60)因此原积分为
(61) - 18.
2021-2022期末 T3 (4) (压轴)设函数在内解析,且满足. 证明:
(62)解在上,考虑解析函数或,希望分别在和两个区间内取值,且. 这样两个函数的模在对应区间上的最大值分别为2和3,乘积恰好为待证结论中的上限. 有两种考虑:和. 前者可构造,对应解析函数为. 但后续证明较繁琐,请同学们自行尝试. 后者可构造,对应解析函数为. 显然在内解析,由最大模原理,
(63)即,上式第二个等号成立当且仅当存在模为1的,使得或.