复变函数基础
实数域到复数域的扩充
从实数域 到复数域 的扩充,是为了使代数方程总有解、使开方、指数、三角函数等运算在更大范围内封闭。
扩充动机
实数域中,方程
无解。为使这类方程有解,引入虚数单位 ,满足
扩充步骤
复数的定义 1. 引入符号 ,定义 。
2. 定义复数为 ,其中 。
3. 规定复数的加法与乘法运算满足交换律、结合律、分配律。
4. 当 时,,即实数是复数的特例。
5. 当 时, 为纯虚数。
扩充后的封闭性
复数域的封闭性 扩充后的复数域 具有以下重要性质:
- 复数域是代数闭域:任意次数的复系数多项式方程在 内必有根。
- 加、减、乘、除(除数非零)运算封闭。
- 开方、指数、对数、三角函数、反三角函数均可合理定义。
定义与性质
复变函数定义 复变函数是定义在复数集上的函数,记为
其中 为复自变量, 为复因变量。
将 , 代入,则复变函数可表示为
即一个复变函数等价于两个二元实变函数的有序组合。
初等函数
指数函数
复指数函数定义为
满足:
- 周期性:周期为 ;
- ;
- 。
对数函数
复对数函数是指数函数的反函数,定义为多值函数:
主值分支为
三角函数
由欧拉公式定义复三角函数:
性质:
- 周期仍为 ;
- 在复平面上无界;
- 实三角函数公式全部形式保留。
反三角函数
以反正弦函数为例,由 解出:
一般幂函数
利用复对数统一定义: