第3.4讲 复变函数 解析函数
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(9) ln z 1 , (z 0) z
(10) [sin z] cos z ;
(11) cos z sin z ;
(12) [tan z] 1 ; cos2 z
(13) [sh z] ch z ; (14) [ch z] sh z .
例 2.2.2 研究函数w 1 的解析性. z
f
(z0
z) z
f
(z0 )
如果函数 w f (z) 在区域 D 中处处可导,则称 f (z) 在 D 内可 导,f (z) 称为 f (z) 在 D 内的导函
数,简称为导数.
2. 求复变函数导数实例
例 2.1.1 用导数的定义证明公式:
(zn ) nzn1 (n 为正整数)
如果 f (z) 在 z0点不解析,那么称 z0 点为 f (z) 的奇点。
注意:复变函数的可导、连续与解析之间的关系
我们知道:若复变函数在某点连续,则该函数在该点极 限一定存在,反之不一定成立.那么可导与连续有何关系? 若函数在某点可导,必在该点连续.但反之不一定成立.
如上例 f (z) z ,显然在复平面上处处连续.但在复平面
ux 1, v y 1, uy 0, v x 0
即 ux v y ,显然在复平面处处不满足C-R条件,故 原函数在复平面处处不可导。
说明:上述例题告诉我们,用C-R条件来判断函数不可导是方 便的.但当满足C-R条件时,函数就一定可导吗?
P27. 有另解
注意: C-R条件只是复变函数可导的必要条件, 而非充分条件。
(4) {f [g(z)]} f (w)g(z); 其中w g(z) ;
(5) 若 z (w ) 是函数w f (z) 的反函数,且 f (z) 0, 则
dz (w ) 1 ;
dw
f [(w )]
(6) (c) 0 ,其中 c 为复常数; (7) (zn ) nzn1 ,其中 n 为正整数; (8) [ez ] ez ;
y 0
iy
= 1 u v i u v i y y y y
两者应该相等,故有
u i v i u v x x y y
u v , x y
v u x y
可以简写为: ux v y , vx uy
定理3.1 若函数 w f (z) u(x, y) iv(x, y) 在区域D内有定 义,于点 z x iy 可导的充要条件是
u 2x x
v x y
v y
u 0
x
y
容易看出,这四个偏导数处处连续,但是仅当 x y 0
时, 它们才满足柯西-黎曼方程,因而函数 w z Re(z)
仅在 z 0 可导, 但在复平面内任何地方都不解析.
3.3 初等解析函数
可以将复变数的初等函数作为实变数的初等函数在复数 域中的自然推广. 但当复数退化为实数时,要满足实数的性质, 而取复数时,复变函数可以具有与实变函数不同的性质. 我们 知道,实数域中的正弦、余弦函数是有界函数,但我们即将看 到复变函数的正弦、余弦函数却不再有界;实数域中负数无对 数,但在复数域中,对数函数不再受此限制.事实上,我们也希 望能找到定义域更加广阔的,且不受任何限制的数域及其与之 对应的函数. 复数域及其对应的初等解析函数(或称为初等复 变函数)为我们提供了方便.
如果函数 f (z) 在 z0 及其邻域内处处可导,那么称 f (z)在 z0 点处解析。如果 f (z) 在区域D内每一点解析,那么称 f (z) 在 D
内解析,或称 f (z) 是 D 内的一个解析函数
(又称为全纯函数或正则函数)。
解析函数这一重要概念是与区域密切联系的.我们说函 数 f (z) 在某点 z0 解析, 其意义是指 f (z在 ) z0 点及其邻域内可 导.
小量,而 f (z0)z是函数 w f (z) 的改变量w 的线性
部分. 我们称 f (z0)z 为函数 w f (z) 在点z0 的微分,
记作
dw f (z0)z
如果函数在 z0 的微分存在,则称函数在该点可微。
3.1解析函数的概念
1.解析函数概念 定义 2.2.1 解析函数 奇点
第三讲 解析函数
解析函数:将微积分的理论用于复变量的函数, 就形成了所谓的解析函数论---它是实数变量的 函数的推广。
本质:是两个复数集合之间的一种对应关系,它 是复变函数研究的主要对象。
3.1 复变函数的导数与微分 1.复变函数导数概念 定义 2.1.1 复变函数的导数
设函数w f (z)定义于区域 D,z0为D 内一点,且点
去分母为零的点)在 D 内解析.
3. 判断函数解析的实例 例 2.2.4 判定下列函数在何处可导, 在何处解析:
(1) w z Re(z) 2) 练 习
(2 f (z) ex (cos y isin y) .
【解】 (1) 由 w z Re(z) x2 i xy ,得 u x2,v xy ,所以
来定义指数函数. ez exi y ex (cos y i sin y)
(1) u(x, y), v(x, y)在点(x, y)处可微
(2)在点 (x, y) 满足 柯西(Cauchy)-黎曼(Riemann)
方程,或柯西-黎曼条件(简称为C-R条件):
u v , x y
v u x y
➢ 定理:函数 w f (z) u(x, y) iv(x, y) 在区域D内解析的充要 条件是 (x, y)和(x, y) 在D内可微,并且满足C—R 条件
z0 z D如, 果极限
lim f (z0 z) f (z0)
z0
z
存在,则称函数w f (z) 在点 z0 可导,此极限值称 为 f (z) 在点 z0 的导数,记为
f (z0 ) 或
dw dz
|z z0
即
dw dz
| zz0
f
(
z0
)
lim
z z0
【证明】设 f (z) zn ,故
f (z z) f (z) (z z)n zn
z[nzn1 n(n 1) zn2z (z)n1] 2
lim f (z z) f (z) nzn1
z 0
z
例 2.1.2 讨论函数 f (z) z 在复平面上的可导性.
x0
x
= u i v x x
(2)沿平行于虚轴的方向趋于零 (x 0, z iy 0 )
f (z) lim f (z z) f (z)
z 0
z
lim u(x, y y) u(x, y) i[v(x, y y) v(x, y)]
(1) [ f (z) g(z)] f (z) g(z);
(2) [ f (z) g(z)] f (z)g(z) f (z)g(z);
(3) [ f (z)] f (z)g(z) f (z)g(z) , (Hale Waihona Puke Baidug(z) 0 );
g(z)
g 2 (z)
处处不可导.
思考题:
f (z)在D内解析 f (z)在D内可导 f (z)在 z0 内解析 f (z)在 zo 内可导
f (z)在 zo 连续
函数解析与可导、连续、极限的关系
由解析函数定义可知,函数在区域内解析与在区域内 可导是等价的. 但是,函数在一点处解析和在一点处可导是 不等价的两个概念. 就是说,函数在一点处可导,不一定在 该点处解析. 但函数在一点解析,则一定在该点可导(而且 在该点及其邻域均可导). 函数在一点处解析比在该点处可 导的要求要严格得多.
➢ 推论:设 w f (z) u(x, y) iv(x, y) 在区域D内有定义, 如果在D内 (x, y)和(x, y) 的偏导数都存在 并且连续,同时又满足C—R条件,则 f (z) 在D内解析 (因为二元实函数的偏导数的连续性蕴含着函数的可微性)
3.柯西—黎曼条件的应用
例2.1.3 讨论函数 f (z) z 在复平面上的可导性。 【解】 注意到 u x, v y ,判断 C-R条件是否成立
1. 柯西—黎曼条件
即已知一个函数可导,得出其必须满足的条件.
设 w f (z) u(x, y) iv (x, y) 在区域 D 内可导,则
由函数可导的定义,使用直角坐标,考察沿两个不同的方
向 z 0 ,得到的极限值应该相等.
注意到:
f (z z) f (z) z
u(x x, y y) iv (x x, y y) [u(x, y) x iy
推论 2.1.1 若 f (z) 可导,则 f (z) 的导数可
写成以下四种形式
f (z) ux iv x v y iuy
(2.1.9)
ux iuy v y iv x
2.1.5.求导法则 当 f (z), g(z) 都是复变数的可导函数时,可以证明下列求导公
式与法则成立:
3.1 复变函数的微分概念
定义:复变函数的微分
复变函数的微分概念在形式上与一元实变函数的微分
概念类似。
设函数 w f (z)在 z0可导,则可得
w f (z0 z) f (z0) f (z0)z (z)z
其中lim (z。) 0 因此,(z)z 是 z 的高阶无穷 z0
如同初等实变函数是高等数学的主 要研究对象一样,初等复变函数是复变函 数论的主要研究对象. 初等复变函数虽 然是初等实变函数的自然推广,但在性质 上却有许多本质的区别. 我们在学习中 既要注意彼此间的联系,也要特别注意它 们之间的本质区别.
3.3.1 指数函数(单值函数)
1.定义2.3.1 指数函数 对于任何复数 z x i,y 我们用关系式
【解】 因为w 在复平面内除点 z 0 外处处可导,
且
dw 1
dz z2 所以在除 z 0 外的复平面内,函数 w 1 处处解析,
z 而 z 0 是它的奇点.
2.2.2 解析函数的法则 定理 2.2.1 在区域 D 内解析的两 个函数 f (z) 与 g(z) 的和、差、积、商(除
【解】由
f (z z) f (z)
lim
z 0
z
(x x) i( y y) (x iy)
lim
z 0
z
x iy lim
z0 x iy
设z沿着平行于x轴的方向趋向于零,因而 y 0, z x
,这时极限
lim f (z z) f (z) lim x 1
区域解析区域可导 在某点解析该点可导该点连续该点
极限存在,反之均不一定成立。
复变函数在某点解析 某点极限存在
某点可导 某点连续
2.1.3 函数解析的一个充分必要条件
思考:如何判别一个复变函数是否解析? 方法:根据解析函数的定义是可以判断的,但比 较困难。因此,我们需要寻找判定函数解析的简 便方法,哪就是考察其实部与虚部
u(x x, y y) u(x, y) i[v (x x, y y) x iy
(1)沿平行于实轴的方向趋于零 ( ) y 0, z x 0
f (z) lim f (z z) f (z)
z 0
z
lim u(x x, y) u(x, y) i[v(x x, y) v(x, y)]
z 0
z
x x0
设z沿着平行于y轴的方向趋向于零,因而 x , 0 z iy
,这时极限
f (z z) f (z) iy
lim
lim 1
z 0
z
y0 iy
因此 f (z) z导数不存在,原函数在复平面上处处不可导。
证明 f (z) Re z 在复平面处处不可导.
(10) [sin z] cos z ;
(11) cos z sin z ;
(12) [tan z] 1 ; cos2 z
(13) [sh z] ch z ; (14) [ch z] sh z .
例 2.2.2 研究函数w 1 的解析性. z
f
(z0
z) z
f
(z0 )
如果函数 w f (z) 在区域 D 中处处可导,则称 f (z) 在 D 内可 导,f (z) 称为 f (z) 在 D 内的导函
数,简称为导数.
2. 求复变函数导数实例
例 2.1.1 用导数的定义证明公式:
(zn ) nzn1 (n 为正整数)
如果 f (z) 在 z0点不解析,那么称 z0 点为 f (z) 的奇点。
注意:复变函数的可导、连续与解析之间的关系
我们知道:若复变函数在某点连续,则该函数在该点极 限一定存在,反之不一定成立.那么可导与连续有何关系? 若函数在某点可导,必在该点连续.但反之不一定成立.
如上例 f (z) z ,显然在复平面上处处连续.但在复平面
ux 1, v y 1, uy 0, v x 0
即 ux v y ,显然在复平面处处不满足C-R条件,故 原函数在复平面处处不可导。
说明:上述例题告诉我们,用C-R条件来判断函数不可导是方 便的.但当满足C-R条件时,函数就一定可导吗?
P27. 有另解
注意: C-R条件只是复变函数可导的必要条件, 而非充分条件。
(4) {f [g(z)]} f (w)g(z); 其中w g(z) ;
(5) 若 z (w ) 是函数w f (z) 的反函数,且 f (z) 0, 则
dz (w ) 1 ;
dw
f [(w )]
(6) (c) 0 ,其中 c 为复常数; (7) (zn ) nzn1 ,其中 n 为正整数; (8) [ez ] ez ;
y 0
iy
= 1 u v i u v i y y y y
两者应该相等,故有
u i v i u v x x y y
u v , x y
v u x y
可以简写为: ux v y , vx uy
定理3.1 若函数 w f (z) u(x, y) iv(x, y) 在区域D内有定 义,于点 z x iy 可导的充要条件是
u 2x x
v x y
v y
u 0
x
y
容易看出,这四个偏导数处处连续,但是仅当 x y 0
时, 它们才满足柯西-黎曼方程,因而函数 w z Re(z)
仅在 z 0 可导, 但在复平面内任何地方都不解析.
3.3 初等解析函数
可以将复变数的初等函数作为实变数的初等函数在复数 域中的自然推广. 但当复数退化为实数时,要满足实数的性质, 而取复数时,复变函数可以具有与实变函数不同的性质. 我们 知道,实数域中的正弦、余弦函数是有界函数,但我们即将看 到复变函数的正弦、余弦函数却不再有界;实数域中负数无对 数,但在复数域中,对数函数不再受此限制.事实上,我们也希 望能找到定义域更加广阔的,且不受任何限制的数域及其与之 对应的函数. 复数域及其对应的初等解析函数(或称为初等复 变函数)为我们提供了方便.
如果函数 f (z) 在 z0 及其邻域内处处可导,那么称 f (z)在 z0 点处解析。如果 f (z) 在区域D内每一点解析,那么称 f (z) 在 D
内解析,或称 f (z) 是 D 内的一个解析函数
(又称为全纯函数或正则函数)。
解析函数这一重要概念是与区域密切联系的.我们说函 数 f (z) 在某点 z0 解析, 其意义是指 f (z在 ) z0 点及其邻域内可 导.
小量,而 f (z0)z是函数 w f (z) 的改变量w 的线性
部分. 我们称 f (z0)z 为函数 w f (z) 在点z0 的微分,
记作
dw f (z0)z
如果函数在 z0 的微分存在,则称函数在该点可微。
3.1解析函数的概念
1.解析函数概念 定义 2.2.1 解析函数 奇点
第三讲 解析函数
解析函数:将微积分的理论用于复变量的函数, 就形成了所谓的解析函数论---它是实数变量的 函数的推广。
本质:是两个复数集合之间的一种对应关系,它 是复变函数研究的主要对象。
3.1 复变函数的导数与微分 1.复变函数导数概念 定义 2.1.1 复变函数的导数
设函数w f (z)定义于区域 D,z0为D 内一点,且点
去分母为零的点)在 D 内解析.
3. 判断函数解析的实例 例 2.2.4 判定下列函数在何处可导, 在何处解析:
(1) w z Re(z) 2) 练 习
(2 f (z) ex (cos y isin y) .
【解】 (1) 由 w z Re(z) x2 i xy ,得 u x2,v xy ,所以
来定义指数函数. ez exi y ex (cos y i sin y)
(1) u(x, y), v(x, y)在点(x, y)处可微
(2)在点 (x, y) 满足 柯西(Cauchy)-黎曼(Riemann)
方程,或柯西-黎曼条件(简称为C-R条件):
u v , x y
v u x y
➢ 定理:函数 w f (z) u(x, y) iv(x, y) 在区域D内解析的充要 条件是 (x, y)和(x, y) 在D内可微,并且满足C—R 条件
z0 z D如, 果极限
lim f (z0 z) f (z0)
z0
z
存在,则称函数w f (z) 在点 z0 可导,此极限值称 为 f (z) 在点 z0 的导数,记为
f (z0 ) 或
dw dz
|z z0
即
dw dz
| zz0
f
(
z0
)
lim
z z0
【证明】设 f (z) zn ,故
f (z z) f (z) (z z)n zn
z[nzn1 n(n 1) zn2z (z)n1] 2
lim f (z z) f (z) nzn1
z 0
z
例 2.1.2 讨论函数 f (z) z 在复平面上的可导性.
x0
x
= u i v x x
(2)沿平行于虚轴的方向趋于零 (x 0, z iy 0 )
f (z) lim f (z z) f (z)
z 0
z
lim u(x, y y) u(x, y) i[v(x, y y) v(x, y)]
(1) [ f (z) g(z)] f (z) g(z);
(2) [ f (z) g(z)] f (z)g(z) f (z)g(z);
(3) [ f (z)] f (z)g(z) f (z)g(z) , (Hale Waihona Puke Baidug(z) 0 );
g(z)
g 2 (z)
处处不可导.
思考题:
f (z)在D内解析 f (z)在D内可导 f (z)在 z0 内解析 f (z)在 zo 内可导
f (z)在 zo 连续
函数解析与可导、连续、极限的关系
由解析函数定义可知,函数在区域内解析与在区域内 可导是等价的. 但是,函数在一点处解析和在一点处可导是 不等价的两个概念. 就是说,函数在一点处可导,不一定在 该点处解析. 但函数在一点解析,则一定在该点可导(而且 在该点及其邻域均可导). 函数在一点处解析比在该点处可 导的要求要严格得多.
➢ 推论:设 w f (z) u(x, y) iv(x, y) 在区域D内有定义, 如果在D内 (x, y)和(x, y) 的偏导数都存在 并且连续,同时又满足C—R条件,则 f (z) 在D内解析 (因为二元实函数的偏导数的连续性蕴含着函数的可微性)
3.柯西—黎曼条件的应用
例2.1.3 讨论函数 f (z) z 在复平面上的可导性。 【解】 注意到 u x, v y ,判断 C-R条件是否成立
1. 柯西—黎曼条件
即已知一个函数可导,得出其必须满足的条件.
设 w f (z) u(x, y) iv (x, y) 在区域 D 内可导,则
由函数可导的定义,使用直角坐标,考察沿两个不同的方
向 z 0 ,得到的极限值应该相等.
注意到:
f (z z) f (z) z
u(x x, y y) iv (x x, y y) [u(x, y) x iy
推论 2.1.1 若 f (z) 可导,则 f (z) 的导数可
写成以下四种形式
f (z) ux iv x v y iuy
(2.1.9)
ux iuy v y iv x
2.1.5.求导法则 当 f (z), g(z) 都是复变数的可导函数时,可以证明下列求导公
式与法则成立:
3.1 复变函数的微分概念
定义:复变函数的微分
复变函数的微分概念在形式上与一元实变函数的微分
概念类似。
设函数 w f (z)在 z0可导,则可得
w f (z0 z) f (z0) f (z0)z (z)z
其中lim (z。) 0 因此,(z)z 是 z 的高阶无穷 z0
如同初等实变函数是高等数学的主 要研究对象一样,初等复变函数是复变函 数论的主要研究对象. 初等复变函数虽 然是初等实变函数的自然推广,但在性质 上却有许多本质的区别. 我们在学习中 既要注意彼此间的联系,也要特别注意它 们之间的本质区别.
3.3.1 指数函数(单值函数)
1.定义2.3.1 指数函数 对于任何复数 z x i,y 我们用关系式
【解】 因为w 在复平面内除点 z 0 外处处可导,
且
dw 1
dz z2 所以在除 z 0 外的复平面内,函数 w 1 处处解析,
z 而 z 0 是它的奇点.
2.2.2 解析函数的法则 定理 2.2.1 在区域 D 内解析的两 个函数 f (z) 与 g(z) 的和、差、积、商(除
【解】由
f (z z) f (z)
lim
z 0
z
(x x) i( y y) (x iy)
lim
z 0
z
x iy lim
z0 x iy
设z沿着平行于x轴的方向趋向于零,因而 y 0, z x
,这时极限
lim f (z z) f (z) lim x 1
区域解析区域可导 在某点解析该点可导该点连续该点
极限存在,反之均不一定成立。
复变函数在某点解析 某点极限存在
某点可导 某点连续
2.1.3 函数解析的一个充分必要条件
思考:如何判别一个复变函数是否解析? 方法:根据解析函数的定义是可以判断的,但比 较困难。因此,我们需要寻找判定函数解析的简 便方法,哪就是考察其实部与虚部
u(x x, y y) u(x, y) i[v (x x, y y) x iy
(1)沿平行于实轴的方向趋于零 ( ) y 0, z x 0
f (z) lim f (z z) f (z)
z 0
z
lim u(x x, y) u(x, y) i[v(x x, y) v(x, y)]
z 0
z
x x0
设z沿着平行于y轴的方向趋向于零,因而 x , 0 z iy
,这时极限
f (z z) f (z) iy
lim
lim 1
z 0
z
y0 iy
因此 f (z) z导数不存在,原函数在复平面上处处不可导。
证明 f (z) Re z 在复平面处处不可导.