[华工]复变函数1
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复变函数第一章复数与复变函数第二章解析函数第三章复变函数的积分第四章级数第五章留数理论及其应用第六章保形映射第一章复数与复变函数§1.1 复数§1.2 复变函数§1.1 复数复数的概念虚单位i _____21i =−复数z x iy =+,其中实数x 、y 分别称为z 的实部与虚部,记为Re z x =,Im z y =,注意:(1) 1112221212z x iy z x iy x x y y =+==+←⎯→==且; (2) 000z x iy x y =+=←⎯→==且; (3) 复数一般情况下不能比较大小。
复数的运算设复数111z x iy =+,222z x iy =+,则 (1)121212()()z z x x i y y ±=±+±; (2)1212122112()()z z x x y y i x y x y =−++;(3)112122112222222222z x x y y x y x y i z x y x y +−=+++,20z ≠. 注意:复数的加法运算满足交换律、结合律;复数的乘法运算满足交换律、结合律以及乘法对于加法的分配律。
复数的共轭运算复数zx iy =+的共轭复数z x iy =−,且满足:(1)z z =,22zz x y =+,2z z x +=,2z z iy −=;(2)设复数111z x iy =+,222z x iy =+,则1212z z z z ±=±,1212z z z z =,1122z z z z ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠,20z ≠; (3)112222z z z z z z =,20z ≠.复数的几何表示复数zx iy =+←⎯→xoy 平面上的点(,)x yx 轴________实轴,y 轴________虚轴xoy 平面________复平面(或z 平面)复数zx iy =+←⎯→起点在原点终点为(,)x y 的平面向量复数z x iy =+的模||z =,且||||||z x y ≤+,||||x z ≤,||||y z ≤非零复数z 的幅角Ar g z 为x 轴正向到向量z 的转角,Ar g z 有无穷多值,其主值arg (,]z ππ∈−,且有arg 2Ar g z z k π=+ (k 为整数)其中arctan 00,020,0arg 2arctan 0,0arctan 0,00,0yx xx y x y z y x y x y x y xx y πππππ⎧>⎪⎪⎪=>⎪⎪⎪−=<⎪=⎨⎪+<>⎪⎪⎪−<<⎪⎪<=⎪⎩注意:(1)复数z 与其共轭复数z 关于实轴对称,且||||z z =,Ar g z =Ar g z −,22||||zz z z ==(2)设复数111z x iy =+,222z x iy =+,则12||z z −=1212||||||z z z z −≥−1212||||||z z z z +≤+复数的三角表示设z x iy =+,||r z =,Ar g z θ=,即cos ,sin x r y r θθ==则有复数的三角表示式(cos sin )z r i θθ=+若记cos sin i e i θθθ=+则有复数的指数表示式i z reθ=例设34z i =−−,则|34|5i −−==44arg(34)arctan arctan 33i ππ−−−=−=−−44345cos arctan sin arctan 33i i ππ⎡⎤⎛⎞⎛⎞−−=−+−⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦4arctan 35i eπ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠=复数的运算(续)(1)复数的乘积1212||||||z z z z =,1212()Arg z z Argz Argz =+ (2)复数的商2211||||z z z z =,2211z Arg Argz Argz z ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠,10z ≠(3)复数的幂设(cos sin )z r i θθ=+,对于任意正整数n ,有(cos sin )n n z r n i n θθ=+令01z =,1nn z z−=,有 1n n z z −=1cos sin (cos sin )n n n i n r n i n r θθθθ−==+ ()cos()sin()n r n i n θθ−=−+−从而对于任意整数n ,有(cos sin )n n z r n i n θθ=+.棣莫弗公式: (cos sin )cos sin n i n i n θθθθ+=+(4)复数的根对于巳知复数z 以及正整数n ,方程n w z =的根称为z 的n次根,记为w =,则当0z =时唯一地有0w =,当0z ≠时,设()||cos(arg )sin(arg )z z z i z =+,(cos sin )w i ρϕϕ=+,有 (cos sin )n n w n i n ρϕϕ=+()||cos(arg )sin(arg )z z i z =+,则||nz ρ=,arg 2n z k ϕπ=+, (k 为整数)即w =有n 个不同的值 111||cos (arg 2)sin (arg 2)nk w z z k i z k n n ππ⎛⎞=+++⎜⎟⎝⎠(0,1,,1)k n =−例 1212cos sin 44i i ππ⎛⎞+=+⎜⎟⎝⎠ 16112cos 2sin 23434k w k i k ππππ⎡⎤⎛⎞⎛⎞==+++⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦, (0,1,2)k =,即 1602cos sin 1212w i ππ⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦, 161222cos sin 123123w i ππππ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=+++⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦ 162442cos sin 123123w i ππππ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=+++⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦的几何特征的n个不同的值是以原点为心,1||nz为半径的园内接正n边形的n个顶点。
复球面和无穷远点建立直角坐标系(,,)x y u ,并把xoy 平面取为z x iy =+平面,考察球面2221x y u ++=,则球面上异于(0,0,1)N 的点与复平面上的点(,,0)P x y 一一对应。
在复平面上增加一个假想的无穷远点与球面上的(0,0,1)N 点对应,记为∞,增加了∞的复平面称为扩充复平面,即球面2221x y u ++=上的点与扩充复平面上的点一一对应,称该球面为复球面。
注意:(1)扩充复平面上只有唯一的无穷远点;(2)复数∞的模约定为+∞,其实部、虚部及幅角均无意义,其余复数z 则称为有限复数,且有||z <+∞;(3)∞的四则运算,设a 为有限复数,则a a ±∞=∞±=∞, (0)a a a ⋅∞=∞⋅=∞≠, (0)0a a =∞≠,0a =∞,a ∞=∞ ∞±∞,0⋅∞,∞∞,00均无意义。
§1.2 复变函数1.平面点集全体复数作成的集合{}|,,z z x iy x y ==+∈设,0a r ∈> ,则有 {}(,)|,||B a r z z z a r =∈−< __________a 的r 邻域 {}(,)|,0||B a r z z z a r ∨=∈<−< _________a 的r 去心邻域 {}(,)|,||B a r z z z a r =∈−≤ ______a 为心r 为半径的闭圆盘设平面点集E ⊂ ,则有:E 的内点a ___________存在0r >使(,)B a r E ⊂;E 的外点b ___________存在0r >使(,)B b r E =∅∩; E 的边界点c _________对于任意0δ>,(,)B c δ内既有E 的点又有不属于E 的点E 的边界E ∂________ E 的全部边界点组成的集合注意:复平面 上的点被平面点集E 分成三类:E 的内点、E 的 外点、E 的边界点,E 的内点必属于E ,E 的外点必不属于E ,E 的边界点可能属于E 可能不属于E 。
开集E _________ E 的每个点都是其内点 闭集E _________ E 的所有边界点均属于E 有界集E _________存在0r >使(0,)B r E ⊃ 例{}(,)|,||B a r z z z a r =∈−< 是有界开集, {}(,)|,||B a r z z z a r =∈−≤ 是有界闭集,其边界为{}(,)|,||B a r z z z a r ∂=∈−=定义1.3 设平面点集E ⊂ ,a ∈ ,若对于任意0δ>,(,)B a E δ∨≠∅∩,则称a 为E 的聚点。
定理1.1 集合E 是闭集的充要条件是E 的聚点必属于E 。
注意: E 的聚点a 的意义是在a 的任意去心邻域内必有E 的点,E 的聚点不一定属于E 。
例{}{}1||20E z z =<≤∪,E 的聚点集为{}1||2z z ≤≤,E 的边界{}{}{}||1||20E z z z z ∂===∪∪2. 区域、曲线平面曲线:()()x x t a t b y y t =⎧≤≤⎨=⎩的复数形式为: ()()()z z t x t iy t a t b ==+≤≤例过两点111z x iy =+,222z x iy =+的直线的参数方程为:121121(),()x x t x x t y y t y y =+−⎧−∞<<+∞⎨=+−⎩其复数形式为: ()z z t =()()121121()()x t x x i y t y y =+−++−()()112211()()x iy t x iy x iy =+++−+()121z t z z =+−, ()t −∞<<+∞例以000z x iy =+为心,0r >为半径的圆周的参数方程为:00cos ,02sin x x r y y r θθπθ=+⎧≤≤⎨=+⎩其复数形式为:()z z t =()()00cos sin x r i y r θθ=+++()00cos sin x iy r i θθ=+++0i z re θ=+,(02)θπ≤≤注意:若平面曲线的方程为(,)0F x y =,则其复数形式一般为:,022z z z z F i ⎛⎞+−=⎜⎟⎝⎠但是,通常还可以根据曲线的特征求出其复数形式。
例如,以000z x iy =+为心,0r >为半径的圆周的方程为22200()()x x y y r −+−=,其复数形式为0||z z r −=,其实,利用()()00z z z z −−=220||z z r −=,该圆周还可以表示为20000z z z z z z r z z −−=−例 讨论方程0Az z B z B z C +++=所表示的曲线,其中,A C 为实数。