复数的方根、乘幂与复变函数
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复数与复变函数的基本运算与性质复数是数学中的一种重要概念,可以用来描述平面上的点或向量。
复变函数则是一种将复数作为自变量和函数值的函数。
复数与复变函数都有其特定的基本运算与性质,本文将详细介绍。
一、复数的基本运算与性质1. 复数的表示复数可表示为 a + bi 的形式,其中 a 和 b 是实数,i 是虚数单位。
实部 a 表示复数在实轴上的投影,虚部 b 表示复数在虚轴上的投影。
2. 复数的加法和减法复数的加法和减法遵循实数的运算法则,即分别对实部和虚部进行相应的运算。
3. 复数的乘法复数的乘法按照分配律进行,即将每个部分相乘后再进行合并。
4. 复数的除法复数的除法可以通过乘以倒数的方式进行,即将除数的倒数乘以被除数。
5. 共轭复数共轭复数是指保持实部不变而虚部取负的两个复数。
共轭复数的乘积为实数,而共轭复数的和差仍为复数。
6. 模和辐角复数的模表示它与原点的距离,辐角表示其与实轴正向的夹角。
二、复变函数的基本运算与性质1. 复变函数的定义复变函数将复数作为自变量和函数值,可以表示为 f(z) = u(x, y) +iv(x, y),其中 u 和 v 分别是 x 和 y 的实函数,i 是虚数单位。
2. 复变函数的连续性复变函数 f(z) 连续的充要条件是 u 和 v 在 z 的实部和虚部上都连续。
3. 复变函数的导数对于复变函数 f(z),如果其在某一点 z 处存在导数,那么导数表示为 f'(z) = u_x(x, y) + iv_x(x, y),其中 u_x 和 v_x 分别是 u 和 v 对 x 的偏导数。
4. 柯西—黎曼方程柯西—黎曼方程是复变函数的一个重要性质,即 u_x = v_y 和 u_y = -v_x。
柯西—黎曼方程保证了复变函数可导的充分必要条件。
5. 复变函数的积分复变函数的积分可以用路径积分的方法进行,路径积分表示了函数在不同路径下的变化。
路径积分不依赖于具体的路径选择,而只取决于路径的起点和终点。
复数的幂与根的运算复数是由实部和虚部组成的数,可以表示为a + bi的形式,其中a为实部,b为虚部,i为虚数单位。
在复数运算中,我们经常会遇到复数的幂与根的运算,本文将详细讨论这两种运算及其特性。
一、复数的幂运算复数的幂运算是将一个复数自乘若干次。
设有一个复数z = a + bi,其中a为实部,b为虚部。
1. 复数的平方运算将复数z自乘一次,即z^2 = (a + bi)(a + bi)。
展开得到z^2 = a^2 + 2abi - b^2,整理后可得z^2 = (a^2 - b^2) + 2abi。
可以看出,复数的平方仍旧是一个复数,实部为a^2 - b^2,虚部为2ab。
2. 复数的立方运算将复数z自乘两次,即z^3 = z^2 * z = (a^2 - b^2 + 2abi)(a + bi)。
展开得到z^3 = (a^3 + 3a^2bi - 3ab^2 - b^3i),整理后可得z^3 = (a^3- 3ab^2) + (3a^2b - b^3)i。
同样地,复数的立方仍旧是一个复数,实部为a^3 - 3ab^2,虚部为3a^2b - b^3。
3. 复数的n次幂运算将复数z自乘n次,即z^n = z^(n-1) * z = ((a + bi)^(n-1))(a + bi)。
根据二项式定理展开后可得z^n = (a^n + na^(n-1)bi + C(n, 2)a^(n-2)b^2i^2 + ... + C(n, n-1)ab^(n-1)i^(n-1) + b^n * i^n)。
在上述展开式中,可以观察到幂次大于1的i项会相互抵消,因为i^2 = -1,而i^3 = -i,i^4 = 1,i^5 = i,以此类推。
因此,最终复数的n次幂展开式可简化为z^n = (a^n + C(n, 2)a^(n-2)b^2 - C(n, 4)a^(n-4)b^4 + ... + (-1)^(n/2)b^n) + (na^(n-1)b - C(n, 3)a^(n-3)b^3 + ... + (-1)^((n-1)/2)ab^(n-1))i。
第一章复数与复变函数1.1复数1.1.1复数及其代数运算1.复数概念,i虚数单位复数:z=x+iy(x,y),x,y分别称为实部与虚部,x=Re(z),y=Im(z)x=0,y,z=iy,纯虚数;y=0,z=x实数复数的相等,复数等于零,复数不可比较大小,只能说相等与否。
共轭复数:实部相等,虚部互为相反数,及x+iy与x-iy互为共轭复数,记。
2.复数的代数运算:加减乘除满足定理:(1)交换律(2)结合律(3)分配律注意:(1)z+0=z ,0*z=0 (2)z*1=z ,z*=1(3)若,则,中至少有一个为零,反之亦然;(4)(5)共轭复数运算性质:(1)(2)(3)(4)1.1.2复数的几何表示1.复平面:x轴定义为实轴,y轴虚轴;z=x+iy与一对有序实数(x,y)唯一确定。
xOy定义为复平面2.复数的模与辐角复数的向量表示;复数的模:向量z的长度为复数z的模,记(1)(2),z(3),,(4)(5)推论:(6)复数的辐角:Argz,无穷多个,相差2π的整数倍。
辐角主值:-π,称为辐角主值,记argz1.1.3复数四则运算的几何意义直角坐标与极坐标的关系:z=x+iy,z=r(),复数z的三角表达式。
讲解例题:复数乘除法的几何表达:(),()()()()定理1.1 两个非零复数乘积的模它们模的乘积,乘积的辐角等于它们辐角的和。
定理1.2 两个非零复数商的模它们模的商,商的辐角等于被除数与除数的辐角差。
复数的代数表达:z=x+iy复数的三角表达:z=r()欧拉公式:复数的指数表达:z=r()()习题讲解:1.1.4扩充复平面1.复数的球面表示(概念的理解)2. “无穷远点”的概念。
扩充复平面:包含无穷远点在内的复平面称为扩充复平面。
无穷远点是唯一的。
3.复数复数与扩充复平面上的无穷远点相对应。
复数的实部、虚部、辐角均无意义。
z=的运算规定(了解)1.2复数的乘幂与方根1.2.1复数的乘幂复数的指数表达:z=r,对于任何整数n,复数z的乘幂下列公式都成立:当r=1时,()欧拉公式:即可得出:()()1.2.2复数的方根(w,),复数w为复数z的n次根,记作w=,或者w=。
复变函数复习重点(一)复数的概念 1.复数的概念:zx iy =+,,x y 是实数, ()()Re ,Im x z y z ==.21i =-.注:一般两个复数不比较大小,但其模(为实数)有大小. 2.复数的表示1)模:22z x y =+;2)幅角:在0z ≠时,矢量与x 轴正向的夹角,记为()Arg z (多值函数);主值()arg z 是位于(,]ππ-中的幅角。
3)()argz 与arctanyx之间的关系如下: 当0,x > arg arctan yz x=;当0,arg arctan 0,0,arg arctan yy z x x y y z xππ⎧≥=+⎪⎪<⎨⎪<=-⎪⎩; 4)三角表示:()cos sin z z i θθ=+,其中arg z θ=;注:中间一定是“+”号。
5)指数表示:i zz e θ=,其中arg z θ=。
(二) 复数的运算 1.加减法:若111222,z x iy z x iy =+=+,则()()121212z z x x i y y ±=±+±2.乘除法: 1)若111222,z x iy z x iy =+=+,则()()1212122112z z x x y y i x y x y =-++;()()()()112211112121221222222222222222x iy x iy z x iy x x y y y x y x i z x iy x iy x iy x y x y +-++-===+++-++。
2)若121122,i i z z e z z e θθ==, 则()121212i z z z z e θθ+=;()121122i z z e z z θθ-= 3.乘幂与方根1) 若(cos sin )i z z i z e θθθ=+=,则(cos sin )n nn in z z n i n z e θθθ=+=。
复变函数教案课程性质《复变函数》是高等师范院校数学与应用数学专业的一门必修专业课,是数学分析的后续课程。
它在数学学科众多分支中都有着广泛的应用。
它的理论和方法,对于其它数学学科,对于物理、力学及工程技术中某些二维问题,都有广泛的应用.通过本课程的教学,使学生掌握复变函数论的基本理论和方法,提高分析问题和解决问题的能力,培养学生独立地分析和解决某些有关的理论和实际问题的能力.章节名称:第一章复数与复变函数学时安排:10学时教学要求:使学生掌握复数的概念,理解复数的几何意义及熟悉平面点集系列概念。
教学内容:复数及其代数运算;复数的乘幂与方根;平面点集;复变函数;复变函数的极限与连续教学重点:复数几何意义及复变函数的极限与连续。
教学难点:理解扩充复平面的相关概念。
教学手段:课堂讲授教学过程:一、引言复数的产生和复变函数理论的建立1,1545年,意大利数学家Cardan在解三次方程时,首先产生了负数开平方的思想。
后来,数学家引进了虚数,这在当时是不可接受的。
这种状况随着17、18世纪微积分的发明和给出了虚数的几何解析而逐渐好转。
2,1777年,瑞士数学家Euler建立了系统的复数理论,发现了复指数函数和三角函数之间的关系,创立了复变函数论的一些基本定理,并开始把它们应用到水力学和地图制图学上.用符号i表示虚数单位,也是Euler 首创的。
3,19世纪,法国数学家Cauchy 、德国数学家 Riemann 和Weierstrass 经过努力,建立了系统的复变函数理论,这些理论知直到今天都是比较完善的.4,20世纪以来,复变函数理论形成了很多分支,如整函数与亚纯函数理论、解析函数的边值问题、复变函数逼近论、黎曼曲面、单叶解析函数论等等,并广泛用于理论物理、弹性物理和天体力学、流体力学、电学等领域。
5,复变函数课程主要任务为研究复变数之间的相互依赖关系.其中许多概念、理论和方法是实变函数在复变函数领域内的推广和发展,在学习过程中要注意它们相似之处和不同之处的比较。