复变函数要点速览
第一部分 · 第 1 份 · 2023.02.25 · 24 页 · Complex Analysis · A Quick Reference
1复数和平面点集
1.1 复数
1.1.1 复数的四则运算
- 1.
加减法:z1±z2=(x1±x2)+i(y1±y2).
- 2.
乘法:z1z2=(x1x2−y1y2)+i(x1y2+x2y1).
- 3.
除法:z2z1=x22+y22(x1x2+y1y2)+i(x2y1−x1y2).
1.1.2 共轭复数
性质:
- 1.
z+zˉ=2Rez, z−zˉ=2iImz.
- 2.
z1±z2=zˉ1±zˉ2.
- 3.
z1z2=zˉ1zˉ2, z2z1=zˉ2zˉ1.
- 4.
∣z∣2=x2+y2=zzˉ.
1.1.3 复数的几何表示、模与辐角
- 1.
z=x+iy=reiθ,其中r=∣z∣=x2+y2, θ=Argz=arctanxy,argz为辐角主值.
- 2.
∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣, Arg(z1z2)=Argz1+Argz2.
- 3.
Euler公式:eiθ=cosθ+isinθ.
- 4.
不等关系:∣x∣,∣y∣⩽∣z∣⩽∣x∣+∣y∣.
注
注意方程arg(z−a)=const在复平面内表示的射线不包含点a.
1.1.4 复数的乘方和开方
- 1.
乘方:zn=rneinθ.
- 2.
de Moive公式:(cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ.
- 3.
开方:[n]z=[n]rexp(inθ+2kπ) (k=0,1,2,⋯,n−1).
1.1.5 复数序列的极限、无穷远点
- 1.
定义:设z1,z2,⋯,zn,⋯是一个复数序列,z0是已知复数,若
则称复数z0是复数列{zn}的极限,记作n→∞limzn=z0或zn→z0 (n→∞).
- 2.
n→∞limzn=z9的两种等价描述:
- (1)
n→∞limxn=x0, n→∞limyn=y0.
- (2)
z0=0时,n→∞lim∣zn∣=∣z0∣, n→∞limArgzn=Argz0.
1.2 平面点集
1.2.6 区域与曲线
- 1.
区域:具有连通性(D中任意两点能用一条全在D中的折线相联)的开集D.
闭域Dˉ=C+D,其中C为D的边界.
- 2.
Jordan曲线:对于曲线z(t) (α⩽t⩽β),若∀t1,t2∈(α,β)当t1=t2时,总有z(t1)=z(t2),则z(t)为Jordan曲线;
若z(α)=z(β),则z(t)为Jordan闭曲线.
- 3.
若区域D内任一闭曲线所围成的区域均在D内,则D为单连通区域;
否则为多连通区域.
2复变数函数
2.1 复变数函数的概念
- 1.
定义:设复平面上有点集E,对∀z∈E,若总能找到对应的复数w,则称在E上定义了复变数函数w=f(z).
- 2.
多值函数:每个点z对应的w不止一个的函数.
- 3.
一一映照(双方单值映照):z1=z2时,w1=w2.
2.2 函数极限和连续性
- 1.
极限:函数f(z)在0<∣z−z0∣<ρ内有定义,对∀ε>0,总∃δ>0,使得当0>∣z−z0∣<δ⩽ρ时,∣f(z)−w0∣<ε,则称f(z)当z趋于z0时以w0为极限,记作
- 2.
f(z)在点z0连续:z→z0limf(z)=f(z0).
等价描述:u(x,y),v(x,y)在点(x0,y0)连续.
2.3 导数和解析函数的概念
- 1.
导数:若极限Δz→0limΔzf(z+Δz)−f(z)存在,则称f(z)在点z可导,记作f′(z)或dzdf.
- 2.
f(z+Δz)−f(z)=f′(z)Δz+o(∣Δz∣).
- 3.
解析:若f(z)在点z0的某个邻域内可微,则称f(z)在点z0解析;
不解析的点称为奇点.
2.4 柯西-黎曼方程
- 1.
函数f(z)=u(x,y)+iv(x,y)在点z=x+iy可微的充要条件:
- (1)
u,v在点(x,y)可微.
- (2)
u,v在点(x,y)满足C-R方程:
∂x∂u=∂y∂v,∂y∂u=−∂x∂v.
- 2.
导数:f′(z)=∂x∂u+i∂x∂v=C-R方程⋯.
2.5 初等函数
若w=f(z)是区域D内的一一解析映照,则称f(z)是D内的单叶函数,D称为其单叶性区域.
2.5.1 幂函数
- 1.
常见:w=zn (n∈N∗).
- 2.
变换:角域α⩽argz⩽βw=zn角域nα⩽argw⩽nβ.
若β−α⩽n2π则前一角域为w=f(z)的单叶性区域1.
2.5.2 根式函数
- 1.
常见:w=[n]z=[n]rexp(inθ+2kπ) (n∈N∗,k=0,1,2,⋯,n−1).
- 2.
支点:对某函数f(z)而言,在点z=a充分小邻域内取闭曲线C,当z绕C一周而使f(z)变化时,称a为f(z)的支点.
- 3.
支割线:以w=[n]z为例,其支点为0,∞,则连接0与∞点的“线段”(实为射线)为支割线.
其中一个单值函数称为单值连续分支.
- 4.
导数:dzdwk=n1z1/n−1=nzwk.
2.5.3 指数函数
- 1.
定义:初值问题dzdw=w,w(0)=1的解.
- 2.
性质:
- (1)
∣ez∣=ex=0.
- (2)
z→∞limez不存在.
- (3)
ez以2πi为周期.
- 3.
变换:
- (1)
条形域a<Imz<bw=ez角域a<argw<b.
- (2)
条形域a<Rez<bw=ez圆环域ea<∣w∣<eb.
2.5.4 对数函数
- 1.
定义:Lnz=ln∣z∣+iArgz=ln∣z∣+iargz+2kπi (k∈Z).
- 2.
性质:Ln(z1z2)=Lnz1+Lnz2.
注
注意,通常Lnz+Lnz=2Lnz,原因是等号前两个Lnz的k值可能不同.
- 3.
变换:
- (1)
角域a<argz<bw=Lnz条形域2kπ+a<Imw<2kπ+b (k∈Z),其中b−a⩽2π.
- (2)
圆环域0⩽a<∣z∣<bw=Lnz条形域lna<w<lnb.
- 4.
导数:dzdw=z1.
2.5.5 三角函数
- 1.
定义:cosz=2eiz+e−iz,sinz=2ieiz−e−iz,tanz=coszsinz.
- 2.
性质:
- (1)
sinz,cosz以2π为周期.
- (2)
sinz=0当且仅当zm=mπ (m∈Z),cosz=0当且仅当zn=(n+21)π (n∈Z).
- (3)
sinz,cosz无界.
- 3.
导数:同实数情形.
2.5.6 双曲函数
- 1.
定义:coshz=2ez+e−z,sinhz=2ez−e−z,tanhz=coshzsinhz.
- 2.
性质:
- (1)
sinhz,coshz以2πi为周期.
- (2)
cos(iz)=coshz,sin(iz)=isinhz.
- 3.
导数:同实数情形.
2.5.7 一般幂函数
- 1.
定义:对∀α∈C,w=zα=ΔeαLnz=eα[ln∣z∣+i(argz+2kπ)] (k∈Z).
- 2.
特殊情形:
- (1)
α=n∈N∗时,zn为单值函数.
- (2)
α=nm∈Q (m,n∈N∗)时,zm/n可分出n个单值连续分支.
- (3)
α为无理数或一般复数2时,zα是无穷多值的.
3解析函数的积分表示
3.1 复变函数的积分
- 1.
定义:∫Cf(z)dz=Δλ→0limk=1∑nf(ζk)Δzk,其中λ=kmax∣Δzk∣.
- 2.
两种形式:
- (1)
∫Cf(z)dz=∫C(u+iv)(dx+idy).
- (2)
∫Cf(z)dz=∫abf′(z(t))z′(t)dt.
- 3.
性质:
- (1)
∫C−f(z)dz=−∫Cf(z)dz.
- (2)
∫∣z−a∣=R(z−a)ndz={2πi,0,n=1,n=1.
- (3)
∫Cf(z)dz⩽∫C∣f(z)∣ds.
- (4)
当ρ∈R+充分小时,f(z)在圆弧Cρ:z=a+ρeiθ (α⩽θ⩽β)上连续,且z→alim(z−a)f(z)=k,那么
ρ→0lim∫Cρf(z)dz=i(β−α)k.
3.2 柯西积分定理
- 1.
Cauchy积分定理:设D是由闭路围成的单连通区域,f(z)在闭域C+D内解析,则∫Cf(z)dz.
- 2.
推论:若f(z)在单连通域D内解析,C是自点z0至点z的任一曲线,则积分值∫Cf(z)dz仅依赖于起始点z0,z,不依赖路径C的选择.
- 3.
多连通区域的Cauchy定理:设f(z)在闭路C=C0+C1−+C2−+⋯+Cn−围成的多连通域内解析,则∫Cf(z)dz=0或
∫C0f(z)dz=∫C1f(z)dz+∫C2f(z)dz+⋯+∫Cnf(z)dz.
- 4.
对任意包含点a的复闭路C,∫C(z−a)ndz={2πi,0,n=1,n=1.
3.3 原函数
- 1.
定义:若f(z)是单连通域D内的解析函数,则对∀z0,z∈D,F(z)=∫z0zf(z)dz在D内解析,且F′(z)=f(z).
- 2.
Newton-Leibniz公式:∫z0zf(z)dz=F(z)−F(z0).
- 3.
若D为多连通区域,此变上限积分是一个多值函数,如
3.4 柯西积分公式
- 1.
Cauchy积分公式:设f(z)在闭路C及其所围成的区域D内解析,则对∀z∈D,
进一步,此条件下f(z)在C+D内的n阶导数为
f(n)(z)=2πin!∫C(ζ−z)n+1f(ζ)dζ.
3.5 解析函数的性质
- 1.
平均值公式:f(z)在闭圆∣z−a∣⩽R内解析,则f(z)=2πR1∫∣z−a∣=Rf(z)ds.
- 2.
最大模原理:f(z)在闭路C及其所围成的区域D内连续,在D内解析,且f(z)不为常数,那么∣f(z)∣最大值只能在边界C上取到.
若对∀z∈D,f(z)=0,则∣f(z)∣最小值也只能在边界C上取到.
- 3.
Cauchy不等式:f(z)在D内解析,D内圆周C:∣z−a∣⩽R,记M(R)=z∈Cmax∣f(z)∣,则
- 4.
Liouville定理:如果整函数3在全平面有界,则f(z)为常数.
- 5.
代数学基本定理:任何复系数多项式必有零点.
- 6.
Morera定理:f(z)在域D中连续,且对任意闭路C∈D均有∫Cf(z)dz=0,则f(z)在D内解析.
4调和函数
4.1 解析函数与调和函数的关系
- 1.
共轭调和函数:满足C-R方程的一对调和函数.
- 2.
共轭调和函数u,v的等值曲线族u(x,y)=C1,v(x,y)=C2在交点处正交.
- 3.
若已知u(x,y),则v(x,y)=∫(x0,y0)(x,y)−∂y∂udx+∂x∂udy+v(x0,y0).
- 4.
Δu=Δv=∇u⋅∇v=∣∇u∣2−∣∇v∣2=0.
4.2 调和函数的性质和狄利克雷问题
- 1.
平均值定理:u(z)是闭圆Dˉ:∣z−z0∣⩽R内的调和函数,则u(z)=2πR1∫Cu(z)ds,其中C为Dˉ的边界.
- 2.
极值原理:u(z)在有界域D内为调和函数,在C+D内解析,且u(z)不为常数,那么u(z)在边界C上取到最值.
- 3.
Poisson积分公式:u(z)是闭圆Dˉ:∣z−z0∣⩽R上的调和函数,则对z=z0+reiφ (r<R),有
u(r,φ)=2π1∫02πu(R,θ)R2−2Rrcos(θ−φ)+r2R2−r2dθ.
这说明若已知一闭圆内调和函数在圆周上的值,则函数在圆内的值被唯一确定.
- 4.
u1(z),u2(z)在有界域D内调和,在有界闭域Dˉ=C+D上解析,若在C上满足∣u1(z)−u2(z)∣⩽ε,则在Dˉ内也有∣u1(z)−u2(z)∣⩽ε.
应用:如稳定温度场(可证为调和场)外围测量温度误差不超过ε,则内部温度测量误差也不超过ε.
5解析函数的级数展开
5.1 复级数的基本性质
5.1.1 复数项级数
- 1.
复数项无穷级数:k=1∑∞zk=z1+z2+⋯+zn+⋯.
- 2.
收敛:部分和Sn=k=1∑nzk存在极限.
等价描述:k=1∑∞xk,k=1∑∞yk均收敛.
- 3.
Cauchy收敛准则:对∀ε>0,总∃N(ε)∈N∗,使得当n>N,p∈N∗时,满足
∣Sn+p−Sn∣=∣zn+1+zn+2+⋯+zn+p∣<ε.
收敛的必要条件:n→∞limzn=0.
- 4.
绝对收敛:k=1∑∞∣zk∣=∣z1∣+∣z2∣+⋯+∣zn∣+⋯收敛.
等价描述:k=1∑∞xk,k=1∑∞yk均绝对收敛.
- 5.
绝对收敛性质:
- (1)
级数各项可重排次序,其和不变.
- (2)
记k=1∑∞z1k=A,k=1∑∞z2k=B,且
zk=z11z2k+z12z2,k−1+⋯+z1kz21,
那么
(k=1∑∞z1k)(k=1∑∞z2k)=k=1∑∞zk=AB.
5.1.2 复变函数项级数
- 1.
复变函数项级数:k=1∑∞fk(z)=f1(z)+f2(z)+⋯+fn(z)+⋯.
- 2.
一致收敛:部分和Sn(z)=k=1∑nfk(z),若对∀ε>0,总存在与z无关的N(ε)∈N∗,使得当n>N(ε)时,满足∣Sn(z)−f(z)∣<ε,则称该级数一致收敛于f(z).
- 3.
Cauchy一致收敛准则:基本同复数项级数.
- 4.
Weierstrass判别法:若对∀z∈E均有∣fk(z)∣⩽Mk (k=1,2,⋯)且k=1∑∞Mk收敛,则k=1∑∞fk(z)在E上绝对一致收敛.
- 5.
一致收敛级数性质:连续性、可积性、可导性(此处要求解析).
5.2 幂级数
- 1.
定义:n=0∑∞an(z−a)n.
- 2.
Abel定理:
- (1)
幂级数在点z0 (=a)收敛⟹幂级数在圆域∣z−a∣<∣z0−a∣内绝对收敛,在闭圆域∣z−a∣⩽ρ<∣z0−a∣内一致收敛.
- (2)
幂级数在点z0发散⟹幂级数在圆外域∣z−a∣>∣z0−a∣内发散.
- 3.
设幂级数收敛半径为R,则其在∣z−a∣<R内绝对收敛,在∣z−a∣>R内处处发散.
- 4.
收敛半径:R1=n→∞limanan+1=n→∞lim[n]∣an∣.
- 5.
性质:
- (1)
和函数f(z)=n=0∑∞an(z−a)n在∣z−a∣<R内解析,且
f(k)(z)=n=k∑∞n(n−1)⋯(n−k+1)an(z−a)n−k=n=0∑∞n!(n+k)!an+k(z−a)n.
- (2)
ak=k!f(k)(a).
5.3 解析函数的泰勒展开
- 1.
Taylor展开收敛域:函数f(z)在点a解析,若以点a为中心作一个圆,让圆的半径不断扩大直至碰上第一个奇点a′,则R=∣a′−a∣,且f(z)在∣z−a∣<R内可展开成Taylor级数f(z)=n=0∑∞an(z−a)n,其中an=n!f(n)(a).
- 2.
Taylor展开式唯一.
- 3.
f(z)在D内解析的充要条件:f(z)能在D内任一点a可以展开成(z−a)的幂级数.
注
目前f(z)在D内解析的3个等价描述:⎩⎨⎧C-R方程Cauchy积分定理与Morera定理Taylor展开
- 4.
常用Taylor展开:
ez=n=0∑∞n!zn=1+z+2!z2+⋯,
cosz=n=0∑∞(2n)!(−1)nz2n=1−2!z2+4!z4−⋯,
sinz=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nz2n+1=z−3!z3+5!z5−⋯,
1−z1=n=0∑∞zn=1+z+z2+⋯ (∣z∣<1),
Lnk(1+z)=2kπi+n=0∑∞n(−1)nzn (∣z∣<1).
注
求Taylor展开的两个技巧:
- (1)
对于(1−z)n+11,(z2+a2)2z等类型的函数,可变形为n!1dzndn(1−z1),−21dzd(z2+a21),将被求导函数作展开后再求导.
- (2)
对于f(z)=tanzez等初等函数复合的函数,可设展开后f(z)=n=0∑∞an(z−a)n,再考虑ez=f(z)tanz的前若干项展开.
这里要求f(z)绝对收敛.
- 5.
点z0是f(z)的m阶零点的2个等价描述:
- (1)
f(z0)=f′(z0)=⋯=f(m−1)(z0)=0,f(m)(z0)=0.
- (2)
在点z0附近有f(z)=(z−z0)mg(z),其中g(z)在点z0解析且g(z0)=0.
5.4 罗朗级数
- 1.
定义:
n=−∞∑∞an(z−a)n=n=−∞∑−1an(z−a)n+n=0∑∞an(z−a)n
=n=−1∑∞(z−a)na−n+n=0∑∞an(z−a)n.
- 2.
收敛半径:r<∣z−a∣<R,其中r,R分别为主要部分(带负幂次项)、正则部分(幂级数项)的收敛半径.
- 3.
系数确定:an=2πi1∫C(ζ−a)n+1f(ζ)dζ (n∈Z),其中C为D内闭路.
- 4.
系数唯一性:利用积分∫C(ζ−a)ndζ={2πi,0,n=1,n=1.的正交性可证.
5.5 解析函数的孤立奇点
- 1.
孤立奇点:函数f(z)在点a的某个邻域∣z−a∣<ρ内除a点外均解析,则称a为f(z)的孤立奇点.
注
∞点并非tanz的孤立奇点,因其奇点为an=(n+21)π (n∈Z),对于∞点的任一邻域,均存在绝对值足够大的整数N,使得aN被包含在内.
- 2.
分类:
- (1)
可去奇点:
- i.
f(z)在环域0<∣z−a∣<ρ内有界.
- ii.
z→alimf(z)=a0(有限).
- (2)
m级极点:
- i.
f(z)=(z−a)mφ(z),其中φ(z)在点a的邻域内解析且φ(a)=04.
- ii.
a是函数1/f(z)的m级零点5.
- (3)
本性奇点:
- i.
Laurent展开中的主要部分有无穷多项.
- ii.
z→alimf(z)不存在.
- (4)
a是f(z)的解析点和g(z)的本性奇点,则a是f(z)g(z),g(z)f(z),f(z)g(z)的本性奇点.
特别地,若a是f(z)的本性奇点,则a也是1/f(z)的本性奇点.
- (5)
对于∞点,作代换ζ=1/z,类似可研究ζ=0处奇点种类.
6留数及其应用
6.1 留数定理
- 1.
留数:Res[f(z,a)]=2πi1∫Cf(z)dz.
- 2.
留数定理:f(z)在闭路C所围闭域内除去a1,a2,⋯,an均解析,则
∫Cf(z)dz=2πik=1∑nRes[f(z),ak].
- 3.
Res[f(z),a]=a−1,其中a−1为Laurent展开中(z−a)−1的系数6.
- 4.
当a为f(z)的m级极点时,Res[f(z),a]=(m−1)!1z→alimdzm−1dm−1[(z−a)mf(z)].
特别地,当m=1时,Res[f(z),a]=z→alim(z−a)f(z).
- 5.
设P(z),Q(z)在点a解析,且P(a)=0,Q(a)=0,Q′(a)=0,则Res[f(z),a]=Q′(a)P(a).
6.2 积分计算
6.2.1 ∫02πR(cosθ,sinθ)dθ型积分
记z=eiθ,则
∫02πR(cosθ,sinθ)dθ=∫∣z∣=1R[21(z+z1),2i1(z−z1)]izdz.
注
- 1.
Poisson积分:∫02π1−2pcosθ+p2dθ=1−p22π (0<p<1).
- 2.
出现coskx形式,别换成21(zk+z−k),而应考虑Re(zm),避免倍增多项式次数.
6.2.2 有理函数的积分∫−∞∞R(x)dx
设R(x)=Q(x)P(x)为有理函数的比值,假定Q(x)在实轴上无零点Q(x)比P(x)高两次,则
v.p.∫−∞∞R(x)dx=2πik=1∑nRes[f(z),ak],
其中ak (k=1,2,⋯,n)为R(z)在上半平面的奇点.
三个引理:
- 1.
f(z)在圆弧CR:z=Reiθ (α⩽θ⩽β)上连续,若z→∞limzf(z)=0,则
- 2.
f(z)在圆弧Cρ:z=a+ρeiθ (α⩽θ⩽β)上连续,若z→alim(z−a)f(z)=k,则
ρ→0lim∫Cρf(z)dz=i(β−α)k.
特别地,若点a为f(z)的1级极点,则ρ→0lim∫Cρf(z)dz=i(β−α)Res[f(z),a].
- 3.
Jordan引理:g(z)在圆弧CR:∣z∣=R,Imz>−a (a>0)上连续,且z→∞limg(z)=0,则对∀λ>0,均有
R→∞lim∫CRg(z)eiλzdz=0.
6.2.3 I1=∫−∞∞R(x)cosmxdx及I2=∫−∞∞R(x)sinmxdx,m>0型积分
设R(z)是有理函数,分母比分子至少高一次且在实轴上有单极点x1,x2,⋯,xm,则
v.p.∫−∞∞R(x)eimxdx=I1+iI2=2πik=1∑nRes[f(z),ak]+πik=1∑mRes[f(z),xk].
6.2.4 杂例
辅助函数的F(z)选取原则:z=x时,F(x)=f(x),或ReF(x)=f(x),或ImF(x)=f(x).
- 1.
I=∫0∞xcosx−e−xdx.
- 2.
∫0∞cosx2dx,∫0∞sinx2dx.
- 3.
I=∫0∞e−ax2cosbxdx (a>0).
6.2.5 多值函数的积分
- 1.
∫0∞R(x)lnxdx型:R(x)是在实轴上无奇点的偶有理函数,且分母比分子至少高2次.
辅助回路:圆弧Cρ:z=ρeiθ (0⩽θ⩽π)、圆弧CR:z=Reiθ (0⩽θ⩽R)与实轴围成的半圆环.
利用圆弧上∣lnz∣=(lnr)2+θ2⩽(lnr)2+π2,经放缩计算得
∫0∞R(x)(2lnx+πi)dx=2πik=1∑nRes[f(z),ak],
取实部可得
∫0∞R(x)lnxdx=πRe{ik=1∑nRes[f(z),ak]}.
- 2.
∫0∞xpR(x)dx型:假定p∈/Z,R(z)是在实轴上无奇点的有理函数,且满足
z→0limzp+1R(z)=0,z→∞limzp+1R(z)=0,
辅助回路:圆弧Cρ:z=ρeiθ (0<θ<2π)、圆弧CR:z=Reiθ (0<θ<2π)与正实轴上岸、下岸连接成的闭路.
计算可得
∫0∞xpR(x)dx=1−e2pπi2πik=1∑nRes[zpR(z),zk],
其中zk (k=1,2,⋯,n)为f(z)在全平面的奇点.
6.3 辐角原理
- 1.
设a,b分别是函数f(z)的m级零点和n级极点,则a,b都是f(z)f′(z)的1级极点,且
Res[f(z)f′(z),a]=m,Res[f(z)f′(z),b]=−n.
- 2.
f(z)在闭路C围成的闭域内除有限个极点外解析,在C上无零点,则
2πi1∫Cf(z)f′(z)dz=N−P,
其中N=∑零点级数,P=∑极点级数.
- 3.
辐角原理:接上一条,N−P=2π1ΔCargf(z).
- 4.
Roucheˊ定理:设函数f(z),φ(z)在闭路C及其内部解析,且在C上有不等式∣f(z)∣>∣φ(z)∣,则在C内部f(z)+φ(z)与f(z)同零点数.
- 5.
设多项式P(z)=k=0∑nakzk在虚轴上无零点,若在点z沿虚轴从−∞到∞的过程中,P(z)绕原点转过k圈,则P(z)在左半平面共有(2n+k)个零点.
7解析开拓
7.1 唯一性定理和解析开拓的概念
- 1.
唯一性定理:设域D内点列{αn},满足f(αk)=g(αk) (k=1,2,⋯,n)且n→∞limαn=a∈D,则f(z)≡g(z), ∀z∈D.
- (1)
f(z)=g(z)在D内某一段曲线上成立,则f(z)≡g(z), ∀z∈D.
- (2)
f(x)≡g(x), ∀x∈R,则f(z)≡g(z), ∀z∈C.
- 2.
D=D1∩D2,且D内f1(z)=f2(z),则称f2(z)为f1(z)在D2内的直接解析开拓,称f1(z),f2(z)互为直接解析开拓,可定义
f(z)={f1(z),z∈D1,f2(z),z∈D2.
8保形变换及其应用
8.1 导数的几何意义
- 1.
保角性:在变换w=f(z)下,通过z0的任意两条曲线交角不变7.
- 2.
伸张系数:∣f′(z0)∣=Δz→z0lim∣Δz∣∣Δw∣.
8.2 保形变换的概念
首先要求变换是双方单值的.
- 1.
f(z)是D内的单叶函数,则f′(z)=0,∀z∈D.
- 2.
保形变换:域D内单叶函数所确定的变换.
保形变换的乘积仍是保形变换.
- 3.
黎曼定理:如果D是闭复平面上的一个边界至少包含两个点的单连通区域,则不存在单叶函数w=f(z)将D变为单位圆内部.
若进一步要求
f(z0)=w0,argf′(z0)=α0,
则此变换唯一.
8.3 分式线性变换
- 1.
定义:w=cz+daz+b (ad−bc=0),并规定w(∞)=ca,w(−d/c)=∞.
若c=0,则称为整线性变换.
- 2.
特殊变换:
- (1)
平移变换 T:w=z+b.
- (2)
旋转变换 R:w=eiθz (θ∈R).
- (3)
相似变换 S:w=rz (r>0).
- (4)
倒数变换8 I:w=1/z.
- 3.
任何一个分式线性变换都可以表示成上述四类变换的乘积.
- 4.
保圆性:分式线性变换把圆周变为圆周(直线视为半径无穷大的圆周).
- 5.
圆周C:∣z−z0∣=R,若z1,z2在自z0出发的同一射线上,且∣z1−z0∣∣z2−z0∣=R2,则称z1,z2关于圆周C对称.
- 6.
分式线性变换将对称点变换为对称点.
- 7.
若w(zi)=wi (i=1,2,3),则存在唯一的分式线性变换:
w−w2w−w1w3−w1w3−w2=z−z2z−z1z3−z1z3−z2.
- 8.
若分式线性变换w(z)满足w(z1)=w1,w(z2)=w2,则
w−w2w−w1=kz−z2z−z1,
其中k为任意复常数,可利用z,w平面上圆周边界确定.
特别地,若w(z1)=0,w(z2)=∞,该变换简化为w(z)=kz−z2z−z1.
注
求解偏心圆环到同心圆环的分式线性变换时,应先求出一对公共对称点z1,z2,然后将对称点分别变换到圆心与∞点即可.
8.4 初等函数的映照
8.4.1 变换w=zn和w=[n]z,n⩾2是自然数
- 1.
角域α<argz<β (β−α⩽2π/n)w=zn角域nα<argw<nβ.
特别地,角域0<argz<π/nw=zn上半w平面,角域0<argz<2π/nw=zn去掉正实轴的w平面.
- 2.
角域α<argz<βw=[n]z第k个单值解析分支nα+2kπ<argw<nβ+2kπ.
常用第零支,即w(z)=[n]z,w(1)=1.
特别地,若取正实轴为支割线,z平面w=z,w(1)=1上半w平面.
注
双圆周围成区域变换为上半平面的步骤:
两个交点其一变为原点、其一变为∞点⟹得到角域,旋转使辐角小的一边与正实轴重合⟹用幂函数放大角域成上半平面.
8.4.2 变换w=ez和w=Lnz
- 1.
条形域a<Imz<bw=ez角域a<argw<b.
- 2.
角域0<a<argz<bw=Lnz条形域a+2kπ<Imw<b+2kπ (k∈Z),常取k=0.
注
双圆周围成区域变换为条形域的步骤:
前两步同上⟹作指数变换,得到条形域0<Imw<h⟹作伸缩变换与平移变换得到所需条形域.
9拉氏变换
9.1 拉氏变换的定义
- 1.
Laplace变换(像函数):F(p)=∫0∞f(t)e−ptdt,其中f(t)=f(t)h(t),复参变量p=σ+is.
该变换简记为F(p)=L[f(t)].
- 2.
附加条件:
- (1)
f(t)在t的任何有限区间上逐段光滑.
- (2)
f(t)是指数增长型的,即∣f(t)∣⩽Kect,c为f(t)的增长指数.
满足以上条件时,F(p)在半平面Rep>c上有意义,且∫0∞f(t)e−ptdt⩽σ−cK.
- 3.
σ→∞limF(p)=0.
- 4.
常用Laplace变换:
- (1)
L[eat]=p−a1.
- (2)
L[tα]=pα+1Γ(α+1).
特别地,L[tn]=pn+1n!,L[h(t)]=p1.
- (3)
L[cosωt]=p2+ω2p,L[sinωt]=p2+ω2ω,
L[coshωt]=p2−ω2p,L[sinhωt]=p2−ω2ω.
9.2 拉式变换的基本性质
- 1.
线性关系:L[αf(t)+βg(t)]=αL[f(t)]+βL[g(t)].
- 2.
相似定理:L[f(αt)]=α1F(αp).
- 3.
本函数的微分法:L[f′(t)]=pF(p)−f(+0).
推广:L[f(n)(t)]=pnF(p)−pn−1f(+0)−pn−2f′(+0)−⋯−f(n−1)(+0).
- 4.
本函数的积分法:L[∫0tf(ζ)dζ]=pF(p).
- 5.
像函数的微分法:F′(p)=L[−tf(t)],F(n)(p)=L[(−t)nf(t)].
- 6.
像函数的积分法:L[tf(t)]=∫p∞F(u)du.
推论:∫0∞tf(t)dt=∫0∞F(u)du(取p为0).
- 7.
延迟定理:L[f(t−τ)]=e−pτF(p).
- 8.
位移定理:L[eλtf(t)]=F(p−λ).
- 9.
周期函数的像函数:L[f(t)]=1−e−pT1∫0Tf(t)e−ptdt.
- 10.
卷积定理:L[(f1∗f2)t]=L[f1(t)]⋅L[f2(t)],注意fi(t)=fi(t)h(t) (i=1,2)
卷积:(f∗g)x=∫−∞∞f(x−ξ)g(ξ)dξ.
注
由此方法可计算得
L−1[pp+aa]=π2∫0ate−x2dx=Δerf(at).
9.3 由像函数求本函数
9.3.1 部分分式法
有理真分式F(p)=B(p)A(p)必定存在本函数:
记ak (k=1,2,⋯,m)为B(p)的mk级零点,则F(p)=k=1∑ms=1∑mk(p−ak)sAks,且
L−1[F(p)]=k=1∑ms=1∑mkL−1[(p−ak)sAks]=k=1∑ms=1∑mk(s−1)!Aksts−1eakt.
先在实数(而非复数)范围内分解,有些分母为二次的项可直接化为三角函数.
9.3.2 拉氏变换的反演公式
设F(p)在除半平面Rep⩽σ内各奇点p1,p2,⋯,pn外的p平面内处处解析,满足F(p)→0 (p→∞),且积分∫σ−i∞σ+i∞F(p)dp (σ>c)绝对收敛,则
- 1.
F(p)是f(t)=2πi1∫σ−i∞σ+i∞F(p)eptdp的像函数.
- 2.
f(t)=k=1∑nRes[F(p)ept,pk] (t>0).
9.3.3 其他方法
若F(p)在∞点解析且在∞点的邻域内有Laurent展开式F(p)=k=1∑∞pkck,则将其逐项求本函数:
L−1[F(p)]=k=1∑∞L−1[pkck]=k=1∑∞(k−1)!cktk−1.
答题要点
- 1.
含ez形式的函数极限,通常取z=Rez=x,再令x→±∞证明极限不存在;
有时也会令z=iImz=iy.
- 2.
讨论ez−1的零点时,别忘了除0之外的2kπi (k∈Z,k=0).
- 3.
若只考虑实函数g(x,y)的实部或虚部时,可联想ef(z)或Lnf(z),如:g(x,y)=u(z)时,构造ef(z),使得ef(z)=eu(z);
g(x,y)=argf(z)时,Im[Lnf(z)]=argf(z).
- 4.
利用u(x,y)(或v(x,y))求解v(x,y)(或v(x,y))以构造f(z)=u+iv时,要先证明u(x,y)是调和函数.
- 5.
展开成幂函数时要写收敛域.
- 6.
判定奇点时,可利用1/f(z)的零点类型判定.
- 7.
对于1级极点a,可利用Res[Q(z)P(z),a]=Q′(a)P(a).
- 8.
对于R(x)lnx与R(x)(lnx)2应该用R(x)lnx还是xpR(x)型积分的方法,判断依据是:看R(x)是否为偶函数,即是否有偏心.
若无偏心,为偶函数,则用前者;
否则用后者,此时应构造函数R(x)(lnx)2.
- 9.
作倒数变换w=1/z时,注意积分路径反向,原积分需添一负号.
- 10.
利用留数计算积分时,优先判断哪些奇点在闭路所围成的域内.
- 11.
对于奇点多或奇点留数难以计算的复杂有理函数的积分,可考虑利用Laurent展开求a−1,如1/(z2−1)(z3+1).
- 12.
对于含高次三角函数的积分,如∫0∞(xsinx)2dx,∫0∞(xsinx)3dx,利用倍角公式降次后,不能将原本无奇点的积分拆成两个有奇点的积分(没有任何定理保证两个主值的和或差等于原积分值).
将降次后的三角函数变为eimx形式后,先将新函数重新配成至多含单极点的函数,如
(xsinx)2⟶z21−e2iz,(xsinx)3⟶4z33eiz−e3iz−2,
再利用三个引理取半圆环围道进行讨论.
- 13.
对于∫0∞xpR(x)dx型积分,必须优先检验z→0limzp+1R(z)=0, z→∞limzp+1R(z)=0.
- 14.
唯一性定理中,除去要求f(αn)=g(αn) (∀n∈N∗),还要求a=n→∞limα∈D,如sinz1在αk=1/kπ (k∈Z)上恒为0,但k→∞lim(1/kπ)=0不在其定义域内.