作者语文能力低下,错别字可能有些多,如有发现,请及时私信我,会改的!
前言
本片文章需用到求导,如果你还不会求导,你可以参考这篇文章,已征求该文章作者的同意。
本篇文章还同时要用到积分,不会积分的话可以参考...没有发现什么速成的文章,还是去看高数吧!
这篇文章本来是证明欧拉公式的,但是作者写完这篇文章是发现了一个更为简洁的方法,并不需要用到泰勒级数,但是我写了 5kb 的实函数的泰勒级数啊!!于是将这一段单独写成了一篇泰勒级数,然后把这篇文章改成了复分析,这样就可以水两篇文章啦!
坏了,那篇泰勒级数没过审。算了,就这样了。
经过了一系列重新排版后,欧拉公式的证明放在了导论 - 指数函数中。
导论
考虑到必修二中的复数过于粗糙,于是在这里重新给出复数得概念。
基本概念与运算
我们定义复数为一个二元组 \((x,y),(x,y\in\mathbb{R})\),两个复数 \((x_1,y_1),(x_2,y_2)\) 是相等的,是说当且仅当有 \(x_1=x_2\),\(y_1=y_2\),我们通常使用 \(z\) 来代表一个复数。
下面定义复数的两个运算。
- 加法,是说 \((x_1,y_1)+(x_2,y_2)=(x_1+x_2,y_1+y_2)\)。
- 乘法,是说 \((x_1,y_1)\times(x_2,y_2)=(x_1x_2-y_1y_2,x_1y_2+x_2y_1)\)。
容易证明,复数关于这两个运算能够构成域,我们称这个域为复数域,并记作 \(\mathbb{C}\)。
根据运算我们定义两个元 \(1=(1,0),i=(0,1)\),于是我们能将任意一个复数表示为:
我们称 \(x\) 为 \(z\) 的实部,\(y\) 为 \(z\) 的虚部,记作:
通常,我们像实数域那样,将 \(1\) 省略掉,于是复数就有了必修二那样的形式,并且还能得到:
注意到,\(1,i\) 是线性无关的,于是我们可以用这两个向量作为基,做出一个二维空间,称作复平面,形式如下图:
如图像所示,每一个复数都对应了复平面上的一个向量,那么复数的模长就被定义为对应向量的模长,记作:
它的俯角被定义为对应向量的俯角,记作:
一个向量有三角表示法,那么对应的复数也存在三角表示法,我们令 \(r=|z|,\theta=\arg(z)\),则
复数有比向量更多的关系,如我们称两个复数 \(z_1=(x_1,y_1),z_2=(x_2,y_2)\) 是
- 共轭的,是说有 \(x_1=x_2,y_1=-y_2\),并记为 \(z_1=\overline{z_2}\)。
容易发现,紧密型定理在复数域上不再成立,也就是复数不满足完备性,我们会将复平面上的点映射到一个球面上,但是我不想写了(懒),如果想要了解可以阅读沙巴特的《复分析导论》。
复变函数 \(w:\mathbb{C}\to\mathbb{C}\),是定义在复数域上,映射到复平面的一个法则,一般可以把一个复变函数拆成两个定义在复数域上的实函数,如:
其中 \(x,y,u(x,y),v(x,y)\in\mathbb{R}\)。
指数函数
我们考虑像实数域上定义
那么我们考虑这个极限是否存在。
我们注意到有
于是这个极限就是存在的,并且有
令 \(x=0\),于是就得到了欧拉公式,接下来我会在后面的部分把它当作一个熟知结论。
幂函数
有了欧拉公式,一个复数就可以被表示为:
一个更为简洁的式子。这样的形式是好的,这会让幂函数更为直观。
考虑 \(z=r e^{i\theta}\),则
就是俯角乘了 \(n\),模长 \(n\) 次方,几何意义也就更直观了。
三角函数,双曲函数
有了欧拉公式,三角函数也可以用欧拉公式来表示了。
发现了吗,这个长得就和双曲函数一样,那么我们可以得到这样一个表达式:
然后再用 \(\sin,\cos,\sinh,\cosh\) 去定义其余的函数即可。
导数
在纯实数域上,导数一般被表示为变化量,但是这个在复数域上还成立吗?换句话说,复数域上还有导数吗?如果是有的,那存在条件是什么?
我们还是像实数那样定义一个复变函数的导数:
好像和实数是一样的!但是这里出现了一个问题,\(z\) 应该从那个方向逼近 \(z_0\)?
这里给出柯西-黎曼条件:这个函数可导,当且仅当有
那么此时,\(w'=\frac{\partial u}{\partial x}+i\frac{\partial v}{\partial x}\),证明显然。
若一个函数在定义域内处处可导,则称这个函数为全纯函数,之后我们讨论函数的都是全纯函数。
积分
在复数域上,积分是定义在路径上的,一般被称作曲线积分,或者围道积分。
设一条路径 \(\gamma=\gamma(t)=x(t)+i\cdot y(t),t\in[a,b]\),那么积分就被定义为:
更具这个定义,我们就可以推导出如下几条简单的性质:
- 路径可加性 若 \(\gamma=\gamma_1+\gamma_2\),则有\[\int_\gamma f(z)\,dz=\int_{\gamma_1} f(z)\,dz+\int_{\gamma_2} f(z)\,dz \]
- 反向路径 对于任意一条路径,都有\[$$\int_{-\gamma} f(z)\,dz=-\int_\gamma f(z)\,dz \]
单连通区域,在沙巴特的复分析导论中,它使用了路径的通论来严谨的定义了一个单连通区域,但是作者语文能力低下,无法组织好语言严谨的表述,再加上本身理解难度极高,所以这里用一个通俗易懂的方式定义单连通区域。
对于一个区域若中间是没有洞的,那么称其为单连通区域,反之则成为复连通区域。
那单连通区域有什么神奇的性质吗?肯定是有的,不然我也没必要特别提一嘴。
定理1 若 \(f(z)\) 在单连通区域 \(D\) 内全纯,则对于任意的闭合曲线 \(\gamma\subset D\),恒有
在撬棍上套了个圈就是对闭合曲线进行积分。
这条定理其实告诉我们对于单连通区域的积分,积分值只与积分的起始点有关,与路径无关。这是一个很强的结论,这直接告诉我们在单连通区域内,我们只要考虑起始点即可,大大简化的计算的复杂度,比如我们可以把诡异的积分路径变成一条线段,线段的积分就是普通的积分啦~
定理2 若 \(z_0\) 在闭合曲线 \(\gamma\) 内,则有
这是一个极其重要的定理,我们可以将大量的积分转换成函数值,将函数值转换成闭合曲线的积分。
高阶导数与积分的关系
这是特别特别重要的一部分,所以我把它单独放了一栏来说明这件事情。
一个函数的高阶导数与积分存在这样的关系:
我们采用数学归纳法进行证明。
证明
当 \(n=0\) 时,则退化成柯西定理,即命题成立。
若 \(n=k\) 时,命题成立,则有:
我们对它进行求导,得到
于是对于 \(\forall n\in\mathbb{N}\),命题均成立。
我们将会在复数域上的泰勒展开中用到。
复变函数的展开
泰勒级数
我们掏出之前推导出的柯西定理
我们考虑展开它的核心,运用熟知结论,得:
带入回原式,得
后面那一半是否有有些眼熟?这是我们刚刚推导得高阶导数的公式,于是带入,得到了:
这与我们在纯实数域内得到的结果是相同的!但是还没结束,我们还要讨论泰勒级数的收敛条件。
显然,我们在实函数展开的方法已经不再适用,于是我们这里给出一个更好的方法。
柯西 - 阿达马定理
这是一个更加优秀的判定收敛的方法,他得到的是一个收敛半径。
柯西 - 阿达马定理 对于级数 \(\displaystyle\sum_{n=0}^\infty c_n(z-z_0)^n\),其的收敛半径满足如下关系:
特别的,我们定义:
- \(R=\infty\),当 \(\frac1R=0\)。
- \(R=0\),当 \(\frac1R=\infty\)。
证明
这里仅证明 \(z_0=0\) 的情形,其余情况可以有此情况换元得到。
我们令 \(L=\displaystyle\varlimsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|c_n|}\),考虑计算
我们进行分类讨论一下:
- \(|z|\cdot L=0\),则显然,复平面上任意的 \(z\),级数都收敛。
- \(|z|\cdot L\in(0,1)\) 即 \(|z|<\frac1L\),则级数绝对收敛。
- \(|z|\cdot L=1\) 判别法失效。
- \(|z|\cdot L\in(1,\infty)\),即 \(|z|>\frac1L\),则级数发散,因为此时 \(|c_nz^n|>1\)。
- \(|z|\cdot L=\infty\) 则仅有 \(z=0\) 时收敛。
综上,除了边界情况,命题均成立。
洛朗级数
我们从这里开始,就要讨论那些在存在奇点从而不再全纯的函数了。
假设函数 \(f(z)\) 在 \(r\le|z-z_0|\le R\) 上为全纯函数,那么就有级数:
其中
再其中 \(r\le\rho\le R\)。我们称这个级数为洛朗级数。
我们发现当 \(0\le n\) 时,级数的系数与泰勒级数是相同的,但是他不能被写成 \(c_n=\frac{f^{(n)}(z_0)}{n!}\) 的形式。
它同样可以使用柯西 - 阿达马定理判定收敛性,同时,它的系数满足柯西不等式:
其中 \(M\ge\sup(f)\)。
傅里叶级数
回顾傅里叶级数在实数域上的定义:
其中:
我们套用前面的欧拉公式,并定义新的系数,使得:
简单推导,就可以得到:
注意到,我们令 \(z=e^{int}\) 会得到:
和
这是在单位圆上的洛朗级数,反过来,函数在单位圆上的洛朗级数也可以通过换元得到傅里叶级数。
孤立奇点
我们定义一个点 \(z_0\) 是函数 \(f\) 的孤立奇点是说对于函数 \(f\) 在 \(0<|z-z_0|<r\) 的区域内全纯。
我们称孤立奇点 \(z_0\) 是
- 可去奇点,是说存在极限 \(\displaystyle\lim_{z\to z_0} f(z)=A\)。
- 极点,是说极限 \(\displaystyle\lim_{z\to z_0}f(z)=\infty\)。
- 本性奇点,是说不存在极限 \(\displaystyle\lim_{z\to z_0}f(z)\)。
这段话应该很有外国教材独有的倒装风味了,如果最上面写成:“关于孤立奇点 \(z_0\),我们称它是...”会不会更像一点。
这里给两个实例。对于函数:
显然 \(z_0=0\) 为 \(f_1\) 的可去奇点,\(f_2\) 的本性奇点。
定理 3 若 \(z_0\) 为函数 \(f\) 的可去奇点,当且仅当 \(f\) 关于 \(z_0\) 的洛朗级数的系数 \(c_n\) 满足:
请读者自证,可以尝试用柯西不等式来证明。
定理 4 若 \(z_0\) 为函数 \(f\) 的极点,当且仅当 \(f\) 关于 \(z_0\) 的洛朗级数的系数 \(c_n\) 满足:
请读者自证 again。
定理 4' 若 \(z_0\) 为函数 \(f\) 的极点,当且仅当函数 \(\varphi=\frac1f\) 满足其在 \(z_0\) 领域内全纯并且有 \(\varphi(z_0)=0\)。
定理 5 若 \(z_0\) 为函数 \(f\) 的可去奇点,当且仅当 \(f\) 关于 \(z_0\) 的洛朗级数的系数 \(c_n\),满足有无穷多个 \(n\) 使得 \(c_n\ne0\)。
从定理 \(3\) 到定理 \(5\),我们能看出孤立奇点和洛朗级数的关系。
留数定理
我们开始考虑那些全纯函数上不再全纯的点。
假设函数 \(f\) 在区域 \(D\) 上除了奇点外处处全纯,因此有一个可数的奇点集。设区域 \(G\subseteq D\),\(a_1,\cdots,a_n\) 代表着领域 \(G\) 的奇点,\(\gamma_\nu=\{|z-a_\nu|=r\}\),其中 \(r\) 为充分小的数,使得奇点不相交,令 \(\gamma_\nu\) 逆时针定向,\(G_r=G\setminus \bigcup _{\nu=1}^n \gamma_\nu\)。
复分析的图很好。
那么我们显然有
我们定义 \(\mathrm{res}_\nu f=\displaystyle\frac{1}{2\pi i}\int_{\gamma_\nu}f(z)\,dz=0\),称其为奇点的留数,那么原式就变成了:
然后是留数定理 函数 \(f\) 在孤立奇点 \(a\in D\) 的留数为函数 \(f\) 在 \(a\) 点展开的洛朗级数的 \(-1\) 的项系数,即:
证明过于显然。读者自证不难。
这里给一个求积分的经典实例吧。考虑计算拉普拉斯积分
先构造闭合路径表示一个半径为 \(R>b\) 半圆 \(\gamma\),像这样:
围绕这个路径,考虑积分:
这里有一个一阶奇点在 \(ib\),于是我们对它使用留数定理,于是得到:
于是就有:
根据前面的性质,我们把它拆成两部分:
我们现在让 \(R\to\infty\),那么前面的就是拉普拉斯积分,对于后面的部分,我们有:
但是这只对 \(a>0\) 的时候成立,于是当 \(a<0\) 时,我们取下半圈作围道积分,使用同样的方法,最终得到:
将两个结果合并之后,得到:
解析延拓
我们有了复数域后,自然有将实函数拓展到复数域的想法,那么这个过程就被称为解析延拓。
更为严谨的说,一个全纯函数 \(f_0\) 定义域在 \(M\) 上,那么对于另一个全纯函数 \(f\) 定义在 \(D\supset M\) 上,并且存在关系:
那么 \(f\) 就是 \(f_0\) 解析延拓后的结果。
解析延拓有一些较为常用的方法,其中之一就是前面进行的大量铺垫的泰勒级数。
对于一般的函数,在复数域上是没有定义的,但是它的泰勒级数在复数域上是收敛的,那么,我们就可以用它的泰勒级数来代替原函数,以达到解析延拓的效果。
剩下的待以后再专门出一个文章介绍。
一些闲话
这篇文章是作者在 ZR 集训摸鱼时写的,你完全可以把剩下的这段文字当成游记来看。
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现在是 ZR 的最后一天,总计是 \(10\) Kb,更了两个星期了还没更完,我是鸽王。
现在是开学第一天,已经更了一个月了。转到了新学校,成为强省弱校的 OIER 了,打了一个月 CF 分涨的挺快。
劳资终于写完辣!!!!!
在写的期间补的期间补完了 13 部番,也是神人了。
不写闲话了,怕再写就过不了审核了。
没找到分类,不交了审核了。
参考资料
沙巴特复分析导论。太蒻了,看不懂英文文献。
结束了?