UA MATH524 复变函数3 复变函数的极限与可微性
UA MATH524 复变函数3 复变函数的极限与可微性
- 复数域上的集合
- 复变函数的极限
- 连续性
- 复变函数的可微性
- Cauchy-Riemann方程
- Laplace方程与调和函数
复数域上的集合
概念 | 定义 |
---|---|
开圆盘(open disk) | B(z0,r)={z:∥z−z0∥<r}B(z_0,r)=\{z:\left\| z-z_0\right\|<r\}B(z0,r)={z:∥z−z0∥<r} |
w0w_0w0为集合DDD的内点(interior point) | ∃z0∈D,r>0,w0∈B(z0,r)\exists z_0 \in D,r >0,w_0 \in B(z_0,r)∃z0∈D,r>0,w0∈B(z0,r) |
DDD为开集(open set) | DDD中的所有点都是它的内点 |
p0p_0p0为集合SSS的边界点(boundary point) | ∀r>0,B(p0,r)∩S≠∅,B(p0,r)∩S∁≠∅\forall r>0,B(p_0,r) \cap S \ne \varnothing,B(p_0,r) \cap S^{\complement} \ne \varnothing∀r>0,B(p0,r)∩S=∅,B(p0,r)∩S∁=∅ |
集合SSS的边界(boundary)∂S\partial S∂S | SSS的所有边界点的集合 |
SSS为闭集(closed set) | ∂S⊂S\partial S \subset S∂S⊂S |
集合VVV的闭包(closure)V‾\overline VV | V‾=V∪∂V\overline V=V \cup \partial VV=V∪∂V |
集合VVV的内部(interior)intV\text{int} VintV | intV=V‾∖∂V\text{int} V=\overline V \setminus \partial VintV=V∖∂V |
折线(polygonal curve) | P1P2⋯PnP_1P_2\cdots P_nP1P2⋯Pn代表依次经过点P1,⋯,PnP_1,\cdots,P_nP1,⋯,Pn的折线 |
DDD为连通集(connected set) | ∀p,q∈D\forall p,q \in D∀p,q∈D,存在折线pP1⋯PnqpP_1 \cdots P_n qpP1⋯Pnq为DDD的子集 |
DDD为凸集(convex set) | ∀p,q∈D\forall p,q \in D∀p,q∈D,折线pqpqpq 为DDD的子集 |
- ∥z−z0∥\left\| z-z_0\right\|∥z−z0∥其实就是z−z0z-z_0z−z0的模,只是它正好是(Re,Im)(Re,Im)(Re,Im)坐标系中两个点的距离,所以写成这样,在这一篇的所有表格中,∥∥\left\| \right\|∥∥都是如此
- 开集的另一种判断方法:D∩∂D=∅D \cap \partial D=\varnothingD∩∂D=∅,则DDD为开集
- 闭集的另一种判断方法:S∁S^{\complement}S∁为开集,则SSS为闭集
复变函数的极限
f:C→Cf:\mathbb{C} \to \mathbb{C}f:C→C被称为复变函数(因为自变量维数为1,所以也叫单复变函数,这个课程只讨论单复变函数)。与实变函数类似,它是一种多对一(比如eze^zez)或者一对一(比如f(z)=zˉf(z)=\bar zf(z)=zˉ)的映射,因此z1n,log(z)z^{\frac{1}{n}},\log(z)zn1,log(z)都不是函数,并且基于log(z)\log(z)log(z)定义的反三角函数也不是函数。
考虑复数序列{zn}\{z_n\}{zn}与定义在SSS上的函数f(z)f(z)f(z),下表列出了与它们相关的极限的定义。
符号 | 定义 |
---|---|
limn→∞zn=A\lim_{n \to \infty}z_n=Alimn→∞zn=A | ∀ϵ>0,∃N(ϵ)∈Z,∥zn−A∥<ϵ,∀n≥N(ϵ)\forall \epsilon>0,\exists N(\epsilon) \in \mathbb Z, \left\| z_n-A\right\|<\epsilon,\forall n \ge N(\epsilon)∀ϵ>0,∃N(ϵ)∈Z,∥zn−A∥<ϵ,∀n≥N(ϵ) |
limz→z0f(z)=L\lim_{z \to z_0}f(z)=Llimz→z0f(z)=L | ∀ϵ>0,∃δ(ϵ)>0,∥f(z)−L∥<ϵ,∀z∈B(z0,δ(ϵ))\forall \epsilon>0,\exists \delta(\epsilon)>0,\left\| f(z)-L \right\|<\epsilon,\forall z \in B(z_0,\delta(\epsilon))∀ϵ>0,∃δ(ϵ)>0,∥f(z)−L∥<ϵ,∀z∈B(z0,δ(ϵ)) |
limz→∞f(z)=L\lim_{z \to \infty}f(z)=Llimz→∞f(z)=L | ∀ϵ>0,∃δ(ϵ)>0,∥f(z)−L∥<ϵ,∀zs.t.∥z∥≥δ(ϵ)\forall \epsilon>0,\exists \delta(\epsilon)>0,\left\| f(z)-L \right\|<\epsilon,\forall z\ s.t.\left\| z \right\| \ge \delta(\epsilon)∀ϵ>0,∃δ(ϵ)>0,∥f(z)−L∥<ϵ,∀z s.t.∥z∥≥δ(ϵ) |
性质
- 如果zn=xn+iynz_n=x_n+iy_nzn=xn+iyn,则{zn}\{z_n\}{zn}收敛的充要条件是{xn},{yn}\{x_n\},\{y_n\}{xn},{yn}收敛
- 如果{zn}\{z_n\}{zn}收敛,则{∣zn∣}\{|z_n|\}{∣zn∣}收敛,反之不一定成立
- 如果zn→A,wn→Bz_n \to A,w_n \to Bzn→A,wn→B,则zn+λwn→A+λBz_n+\lambda w_n \to A+\lambda Bzn+λwn→A+λB, znwn→ABz_nw_n \to ABznwn→AB,如果B≠0B \ne 0B=0,则zn/wn→A/Bz_n/w_n \to A/Bzn/wn→A/B
- 如果limz→z0f=L,limz→z0g=M\lim_{z \to z_0}f=L,\lim_{z \to z_0}g=Mlimz→z0f=L,limz→z0g=M,则z→z0z \to z_0z→z0时,f+λg→L+λMf+\lambda g \to L+\lambda Mf+λg→L+λM, fg→LMfg \to LMfg→LM,如果M≠0M \ne 0M=0,则f/g→L/Mf/g \to L/Mf/g→L/M
评注 这几个性质的证明与实数与实变函数序列极限四则运算的证明类似,以第三条为例,
∣znwn−AB∣=∣(zn−A)B+(wn−B)zn∣|z_nw_n-AB|=|(z_n-A)B+(w_n-B)z_n|∣znwn−AB∣=∣(zn−A)B+(wn−B)zn∣
根据极限的定义,∃Nz(ϵ′),Nw(ϵ′)∈Z,∀ϵ′∈(0,1)\exists N_z(\epsilon'),N_w(\epsilon') \in \mathbb Z,\forall \epsilon' \in (0,1)∃Nz(ϵ′),Nw(ϵ′)∈Z,∀ϵ′∈(0,1),
∣zn−A∣<ϵ′,∀n≥Nz(ϵ′)∣wn−B∣<ϵ′,∀n≥Nw(ϵ′)|z_n-A|<\epsilon',\forall n\ge N_z(\epsilon') \\ |w_n-B|<\epsilon',\forall n \ge N_w(\epsilon')∣zn−A∣<ϵ′,∀n≥Nz(ϵ′)∣wn−B∣<ϵ′,∀n≥Nw(ϵ′)
根据三角不等式,∣zn∣≤ϵ′+∣A∣<1+∣A∣|z_n| \le \epsilon'+|A|<1+|A|∣zn∣≤ϵ′+∣A∣<1+∣A∣,考虑ϵ=ϵ′(1+∣A∣+∣B∣)\epsilon=\epsilon'(1+|A|+|B|)ϵ=ϵ′(1+∣A∣+∣B∣), ∀N(ϵ)=Nz(ϵ′)+Nw(ϵ′)\forall N(\epsilon)=N_z(\epsilon')+N_w(\epsilon')∀N(ϵ)=Nz(ϵ′)+Nw(ϵ′),
∣(zn−A)B+(wn−B)zn∣<ϵ′∣B∣+ϵ′(1+∣A∣)=ϵ\begin{aligned} & |(z_n-A)B+(w_n-B)z_n| < \epsilon'|B|+\epsilon'(1+|A|)=\epsilon\end{aligned}∣(zn−A)B+(wn−B)zn∣<ϵ′∣B∣+ϵ′(1+∣A∣)=ϵ
连续性
称定义在SSS上的函数在z0∈Sz_0 \in Sz0∈S处连续,如果
limz→z0f(z)=f(z0)\lim_{z \to z_0}f(z)=f(z_0)z→z0limf(z)=f(z0)
如果fff在SSS中的每一点处连续,则称fff在SSS上连续,记为f∈C(S)f \in C(S)f∈C(S)。
性质
- 如果f,gf,gf,g在z0z_0z0处连续,则f+λgf+\lambda gf+λg, fgfgfg在z0z_0z0处连续,如果g(z0)≠0g(z_0) \ne 0g(z0)=0,则f/gf/gf/g在z0z_0z0处也连续
- 如果∃r>0,h∈C(B(f(z0),r))\exists r>0,h \in C(B(f(z_0),r))∃r>0,h∈C(B(f(z0),r)),则h(f(z))h(f(z))h(f(z))在z0z_0z0处连续
复变函数的可微性
复变函数可微性的相关概念:
概念 | 定义 |
---|---|
fff在其定义域DDD内的点z0z_0z0处可微 | 存在极限limh→0f(z0+h)−f(z0)h\lim_{h \to 0}\frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h}limh→0hf(z0+h)−f(z0),记为f′(z0)f'(z_0)f′(z0) |
fff为全纯函数(holomorphic function) | fff在其定义域DDD内的所有点处可微 |
fff为整函数(entire function) | fff在整个复平面C\mathbb CC上可微 |
性质
- f(z)=zn,∀n∈Nf(z)=z^n,\forall n \in \mathbb Nf(z)=zn,∀n∈N为整函数,f′(z)=nzn−1f'(z)=nz^{n-1}f′(z)=nzn−1,
- 如果f,gf,gf,g均在z0z_0z0处可微,则(f+λg)′(z0)=f′(z0)+λg′(z0)(fg)′(z0)=f′(z0)g(z0)+f(z0)g′(z0)(fg)′(z0)=f′(z0)g(z0)−f(z0)g′(z0)[g(z0)]2(f+\lambda g)'(z_0)=f'(z_0)+\lambda g'(z_0) \\ (fg)'(z_0)=f'(z_0)g(z_0)+f(z_0)g'(z_0) \\ \left( \frac{f}{g}\right)'(z_0)=\frac{f'(z_0)g(z_0)-f(z_0)g'(z_0)}{[g(z_0)]^2}(f+λg)′(z0)=f′(z0)+λg′(z0)(fg)′(z0)=f′(z0)g(z0)+f(z0)g′(z0)(gf)′(z0)=[g(z0)]2f′(z0)g(z0)−f(z0)g′(z0)
- 如果ggg在z0z_0z0处可微,fff在g(z0)g(z_0)g(z0)处可微,则[f(g(z0))]′=f′(g(z0))g′(z0)[f(g(z_0))]'=f'(g(z_0))g'(z_0)[f(g(z0))]′=f′(g(z0))g′(z0)
- 根据1,2可知,多项式函数是整函数,有理函数在除了奇异点之外所有点可微
Cauchy-Riemann方程
Cauchy-Riemann方程 f=u(x,y)+iv(x,y)f=u(x,y)+iv(x,y)f=u(x,y)+iv(x,y)是其定义域DDD上的全纯函数,则
∂u∂x=∂v∂y,∂u∂y=−∂v∂x\frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial v}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial y}=-\frac{\partial v}{\partial x}∂x∂u=∂y∂v,∂y∂u=−∂x∂v
证明:取任意z0∈Dz_0 \in Dz0∈D,h∈Rh \in \mathbb Rh∈R,根据全纯函数的定义,
f′(z0)=limh→0f(z0+h)−f(z0)h\begin{aligned}f'(z_0) & =\lim_{h \to 0} \frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h}\end{aligned}f′(z0)=h→0limhf(z0+h)−f(z0)
假设h∈Rh \in \mathbb Rh∈R,则
f′(z0)=limh→0[u(x0+h,y0)−u(x0,y0)h+iv(x0+h,y0)−v(x0.y0)h]=∂u∂x(x0,y0)+i∂v∂x(x0,y0)\begin{aligned}f'(z_0)& = \lim_{h \to 0} \left[ \frac{u(x_0+h,y_0)-u(x_0,y_0)}{h} + i \frac{v(x_0+h,y_0)-v(x_0.y_0)}{h} \right] \\ & = \frac{\partial u}{\partial x}(x_0,y_0)+ i\frac{\partial v}{\partial x}(x_0,y_0)\end{aligned}f′(z0)=h→0lim[hu(x0+h,y0)−u(x0,y0)+ihv(x0+h,y0)−v(x0.y0)]=∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0)
假设h=ikh=ikh=ik为纯虚数,则
f′(z0)=limh→0[u(x0,y0+k)−u(x0,y0)ik+iv(x0,y0+k)−v(x0.y0)ik]=−i∂u∂y(x0,y0)+∂v∂y(x0,y0)\begin{aligned}f'(z_0)& = \lim_{h \to 0} \left[ \frac{u(x_0,y_0+k)-u(x_0,y_0)}{ik} + i \frac{v(x_0,y_0+k)-v(x_0.y_0)}{ik} \right] \\ & =-i \frac{\partial u}{\partial y}(x_0,y_0)+\frac{\partial v}{\partial y}(x_0,y_0)\end{aligned}f′(z0)=h→0lim[iku(x0,y0+k)−u(x0,y0)+iikv(x0,y0+k)−v(x0.y0)]=−i∂y∂u(x0,y0)+∂y∂v(x0,y0)
根据极限的唯一性,
∂u∂x(x0,y0)+i∂v∂x(x0,y0)=−i∂u∂y(x0,y0)+∂v∂y(x0,y0)\frac{\partial u}{\partial x}(x_0,y_0)+ i\frac{\partial v}{\partial x}(x_0,y_0)=-i \frac{\partial u}{\partial y}(x_0,y_0)+\frac{\partial v}{\partial y}(x_0,y_0)∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0)=−i∂y∂u(x0,y0)+∂y∂v(x0,y0)
实部等于实部,虚部等于虚部,所以Cauchy-Riemann方程成立。
定理 根据Cauchy-Rienmann方程判断可微性
f=u(x,y)+iv(x,y)f=u(x,y)+iv(x,y)f=u(x,y)+iv(x,y)在z0z_0z0处可微,如果
- u,v,ux=∂u∂x,uy=∂u∂y,vx=∂v∂x,vy=∂v∂yu,v,u_x=\frac{\partial u}{\partial x},u_y=\frac{\partial u}{\partial y},v_x=\frac{\partial v}{\partial x},v_y=\frac{\partial v}{\partial y}u,v,ux=∂x∂u,uy=∂y∂u,vx=∂x∂v,vy=∂y∂v在z0z_0z0的某个邻域内连续
- u,vu,vu,v满足Cauchy-Riemann方程
证明:考虑一个模非常小的复数h=a+ibh=a+ibh=a+ib,在(x0,y0)(x_0,y_0)(x0,y0)附近对u,vu,vu,v做Taylor展开,
{u(x0+a,y0+b)=u(x0,y0)+aux(x0,y0)+buy(x0,y0)+o(∣h∣)v(x0+a,y0+b)=v(x0,y0)+avx(x0,y0)+bvy(x0,y0)+o(∣h∣)\begin{cases} u(x_0+a,y_0+b)=u(x_0,y_0)+a u_x(x_0,y_0)+bu_y(x_0,y_0)+o(|h|) \\ v(x_0+a,y_0+b)=v(x_0,y_0)+a v_x(x_0,y_0)+bv_y(x_0,y_0)+o(|h|) \end{cases}{u(x0+a,y0+b)=u(x0,y0)+aux(x0,y0)+buy(x0,y0)+o(∣h∣)v(x0+a,y0+b)=v(x0,y0)+avx(x0,y0)+bvy(x0,y0)+o(∣h∣)
考虑z0=x0+iy0z_0=x_0+iy_0z0=x0+iy0,用Cauchy-Riemann方程计算,
f(z0+h)−f(z0)=[u(x0+a,y0+b)−u(x0,y0)]+i[v(x0+a,y0+b)−v(x0,y0)]=aux(x0,y0)+buy(x0,y0)+i[avx(x0,y0)+bvy(x0,y0)]+o(∣h∣2)=aux(x0,y0)−bvx(x0,y0)+i[−auy(x0,y0)+bux(x0,y0)]+o(∣h∣2)=[ux(x0,y0)+ivx(x0,y0)]h+o(∣h∣)\begin{aligned}f(z_0+h)-f(z_0) & =[u(x_0+a,y_0+b)-u(x_0,y_0)]+i[v(x_0+a,y_0+b)-v(x_0,y_0)] \\ & = a u_x(x_0,y_0)+bu_y(x_0,y_0)+i[a v_x(x_0,y_0)+bv_y(x_0,y_0)]+o(|h|^2) \\ & = au_x(x_0,y_0)-bv_x(x_0,y_0)+i[-au_y(x_0,y_0)+bu_x(x_0,y_0)]+o(|h|^2) \\ & = [u_x(x_0,y_0)+iv_x(x_0,y_0)]h+o(|h|)\end{aligned}f(z0+h)−f(z0)=[u(x0+a,y0+b)−u(x0,y0)]+i[v(x0+a,y0+b)−v(x0,y0)]=aux(x0,y0)+buy(x0,y0)+i[avx(x0,y0)+bvy(x0,y0)]+o(∣h∣2)=aux(x0,y0)−bvx(x0,y0)+i[−auy(x0,y0)+bux(x0,y0)]+o(∣h∣2)=[ux(x0,y0)+ivx(x0,y0)]h+o(∣h∣)
根据导数的定义,
f′(z0)=limh→0f(z0+h)−f(z0)h=ux(x0,y0)+ivx(x0,y0)f'(z_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h}=u_x(x_0,y_0)+iv_x(x_0,y_0)f′(z0)=h→0limhf(z0+h)−f(z0)=ux(x0,y0)+ivx(x0,y0)
Laplace方程与调和函数
Laplace方程 假设f=u+ivf=u+ivf=u+iv在z0=x0+iy0z_0=x_0+iy_0z0=x0+iy0处可微,则uuu在(x0,y0)(x_0,y_0)(x0,y0)处满足Laplace方程:
Δu=∂2u∂x2+∂2u∂y2=0\Delta u = \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial ^2 u}{\partial y^2}=0Δu=∂x2∂2u+∂y2∂2u=0
证明:用Cauchy-Riemann方程直接计算验证,
∂2u∂x2+∂2u∂y2=∂ux∂x+∂uy∂y=∂vy∂x−∂vx∂y=0\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial ^2 u}{\partial y^2} & = \frac{\partial u_x}{\partial x}+\frac{\partial u_y}{\partial y} = \frac{\partial v_y}{\partial x}-\frac{\partial v_x}{\partial y}=0\end{aligned}∂x2∂2u+∂y2∂2u=∂x∂ux+∂y∂uy=∂x∂vy−∂y∂vx=0
二阶导可交换次序,所以最后一个等号成立。
称二阶连续可微且满足Laplace方程的函数为Harmonic Function,上述推导说明holomorphic function的实部是harmonic function。
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