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复变函数基本定义
2025-09-28 00:25:59 责编:小OO
文档
定义

邻域-定义1.1 点的邻域指: 

聚点、内点、孤立点-定义1.2 给定点集,及点。称为的聚点或极限点指:的任一邻域内都有的无穷多个点。 若,但非的聚点,则称为的孤立点; 若,又非的聚点,则称为的外点。若有一邻域全含于内,则称为的内点。若的任一邻域内,同时有属于和不属于的点,则称为的边界点。边界点的全体称为的边界。记作。

开集、闭集-定义1.3 若点集的每个聚点都属于,则称为闭集;若点集的点皆为内点,则称为开集。

有界性-定义1.4 点集称为有界集,若使有。

区域-定义1.5 非空开集称为区域,若是连通的,即:中任意两点可用全在中的折线连接。 

闭域-定义1.6 区域加上它的边界称为闭域,记为:。

约当曲线-定义1.7 设是实变数的两个实函数,在闭区间上连续,则由方程

          

所决定的点集,称为复平面上的一条连续曲线。上式称为的参数方程分别称为的起点和终点 。 

单连通区域-定义1.8 设为复平面上的区域,若在内无论怎样划简单闭曲线,其内部仍全含于,则称为单连通区域;非单连通区域称为多连通区域。 

复变函数-定义1.9 设为一复数集,若对内每一复数,有唯一确定的复数与之对应,则称在上确定了一个单值函数。 若对内每一复数,有几个或无穷多个与之对应,则称在上确定了一个多值函数。

复变函数的极限-定义1.10 设,为的聚点。若存在一复数,使,, 只要,就有 

         

则称沿于有极限,并记为。 

连续函数-定义1.11 设子点集上有定义,为的聚点,且。若 

         

即对任给的,,只要,,就有 

         

则称沿于连续。

复球面 复平面加上点后称为扩充复平面,与它对应的就是整个球面,称为复球面。

无穷远点 考虑平面上一个以原点为心的圆周,在球面上对应的也是一个圆周。当圆周的半径越大时,圆周就越趋北极。北极可以看成是与平面上的一个模为无穷大的假想点相对应,这个假想点称为无穷远点,并记为。 

主要定理

约当定理-定理1.1 任一简单闭曲线将平面唯一地划分成三个点集且满足

 (1)彼此不交

 (2)是一个有界区域(称为的内部)

 (3)是一个无界区域(称为的外部)

 (4)若简单折线的两个端点分属,则必与有交点。

极限的计算定理-定理1.2 设函数于点集上有定义,,则 

         

的充要条件是 

          

连续函数定理-定理1.3 设函数于点集上有定义,,则沿在点连续的充要条件是:二元实变函数,沿于点连续。

一致连续定理-定理1.4 设函数在有界闭集上连续,则 

 (1)在上有界,即,使。 

 (2)在上有最大值与最小值。 

 (3)在上一致连续。即 ,使对上满足的任意两点及,均有 

         

定义

复变函数的导数-定义2.1 设函数在点的某邻域内有定义,考虑比值 

         

若当(或)时,上面比值的极限存在,则称此极限为函数在点的导数,记为。即 

         。 (2.1) 

此时称在点可导。

解析函数-定义2.2 如果函数在区域内可微,则称微区域内的解析函数,或称在区域内解析。

奇点-定义2.3 若在点不解析,但在的任一邻域内总有的解析点,则称为的奇点。

复指数函数-定义2.4 对于任何复数规定复指数函数为 

         。 

易知,复指数函数有下列性质: 

 (1) 它是实指数函数的自然推广 

 (2) 。 

 (3) 在平面上处处解析,且。 

 (4) 加法定理成立,即。 

 (5) 是以为基本周期的周期函数。 

 (6) 极限不存在。

三角函数-定义2.5 称 

         

分别为复数的正弦函数和余弦函数。 

  复正弦函数和余弦函数有以下性质: 

 (1) 它们是实函数情形的推广 

 (2) 均处处解析,且 

         。 

事实上, 

         

同理,可证另一个。 

 (3) 是奇函数,是偶函数;且遵从通常的三角恒等式,如 

         

 (4)均以为周期 

 (5)的零点为 

的零点为 

 (6)不再是有界函数。

正切、余切-定义2.6 称 

         

分别为的正切、余切、正割与余割函数。 

这四个函数在其分母不为零的点处解析且 

         

双曲函数-定义2.7 规定 

         

并分别称为的双曲正弦、双曲余弦、双曲正切、双曲余切、双曲正割及双曲余割函数。 

根式函数-定义2.8 规定根式函数为幂函数的反函数。

对数函数-定义2.9 规定对数函数是指数函数的反函数。即若 

           

则复数称为复数的对数,记为。 

主要定理

可微的必要条件-定理2.1(可微的必要条件) 设是定义在区域上的函数;且在内一点可微,则必有:偏导数在点存在;且满足柯西-黎曼条件,即 

          

可微的充要条件-定理2.2(可微的充要条件) 设是定义在区域上的函数。则在内一点可微的充要条件是: 

 (1) 在点可微; 

 (2) 在点满足柯西-黎曼条件。 

此时,有: 

           (2.7)

定义

复积分-定义3.1 设有向曲线: 

         

以为起点,为终点,沿有定义,顺着从到的方向在上取分点: 

         

把曲线分成若干个弧段(图3.1*9)。在从到的每一弧段上任意取一点。作成和数 

         

其中当分点无限增多,而这些弧段长度的最大值趋于零时,如果和数的极限存在且等于,则称沿(从到)的可积,而称为沿(从到)的积分,并以记号表示 

         

称为积分路径。表示沿的正方向的积分,表示沿的负方向的积分。 

不定积分-定义3.2 在区域内,如果连续,则称合条件 

的函数的一个不定积分或原函数。

复围线-定义3.3 考虑条围线其中中每一条都在其余各条的外部,而它们又全都在的内部。在的内部同时又在外部的点集构成一个有界的多连通区域,以为它的边界。在这种情况下,我们称区域的边界是一条复围线,它包括取正方向的,以及取负方向的换句话说,假如观察者沿复围线的正方向绕行时,区域的点总在它的左手边(图3.10是的情形)。

调和函数-定义3.5 如果二元实函数在区域内有二阶连续偏导数,且满足拉普拉斯方程,则称为区域内的调和函数。

共轭调和函数-定义3.6 在区域内满足条件 

         , 

的两个调和函数中,称为在区域内的共轭调和函数。(虚部是实部)

主要定理  

积分估值定理-定理3.2(积分估值) 若沿曲线,连续,且有正数使,为之长,则 

         

  证 由不等式 

         , 

取极限即得证。 

柯西积分定理-定理3.3 设在平面上的单连通区域内解析,为内任一条围线,则 

         

要证明这个定理是比较困难的。

牛顿-莱布尼兹公式-定理3.8 在定理3.6或定理3.7的条件下,如果是在单连通区域内的任意一个原函数,则 

         。

复围线的柯西积分定理-定理3.10 设是由复围线所围成的有界多连通区域,在内解析,在上连续,则 

         

或写成(等号是加号)      , 

或写成      。 

柯西积分公式-定理3.11 设区域的边界是围线(或复围线),在内解析,在上连续,

则有

                   (3.2) 

这就是柯西积分公式。它是解析函数的积分表达式,因而是今后我们研究解析函数的重要工具。 

平均值定理-定理3.12 如果函数内解析,在闭圆上连续,则 

         

即在圆心的值等于它在圆周上的值的算术平均数。 

证 设表圆周,则 

           

或         

由此       , 

根据柯西积分公式 

          

            。

             

无穷可微性定理-定理3.13 在定理3.11的条件下,函数在区域内有各阶导数,并且有 

          (3.5) 

解析函数的第二判据-定理3.15 函数 在区域内解析的充分必要条件是 

  (1)在内连续; 

  (2)在内满足条件。

刘维尔定理-定理3.16 刘维尔定理 有界整函数必为常数。

摩勒拉定理-定理3.17 若函数在单连通区域内连续,且对内的任一围线,有 

           , 

则在内解析,

解析函数的第三判据-定理3.18 在区域内解析的充要条件是: 

 (1)在内连续; 

 (2)对任一围线,只要及其内部全含于内,就有 

         。

 定义 

复数及级数-定义4.1 对于复数项的无穷级数 

         ,        (4.1) 

命 (部分和)。若复数列 以有限复数为极限,即若 

         , 

则称复数项无穷级数(4.1)收敛于 ,且称为级数(4.1)的和,写成 

         ; 

若复数列无有限极限,则称级数(4.1)为发散。 

绝对收敛、条件收敛-定义4.2 若级数收敛,则原级数称为绝对收敛;非绝对收敛的收敛级数,称为条件收敛。

复函数项级数-定义4.3 设复变函数项级数 

              (4.2) 

的各项均在点集上有定义,且在上存在一个函数,对于上的每一个点 ,级数(4.2)均收敛于,则称为级数(4.2)的和函数,记为 

         。

一致收敛-定义4.4 对于级数(4.2),如果在点集上有一个函数,使对任意给定的,存在正整数,当时,对一切的均有 

         , 

则称级数(4.2)在上一致收敛于。

内闭一致收敛-定义4.5 设函数定义于区域内,若级数(4.2)在内任一有界闭集上一致收敛,则称此级数在内内闭一致收敛。 

泰勒级数-定义4.6 定理中的级数称为在点的泰勒展式,(4.4)称为其泰勒系数。

零点-定义4.7 设在解析区域内一点的值为零,则称为解析函数的零点。 

主要定理

复级数收敛的判据-定理4.1 设,及为实数,则复数级(4.1)收敛于的充要条件为:实级数及分别收敛于及。 

柯西收敛准则-定理4.2 (柯西收敛准则) 复数级(4.1)收敛的充要条件为:对任给,存在正整数,当且为任何正整数时 

         。 

收敛的充分条件-定理4.3 复数级(4.1)收敛的一个充分条件为级数收敛。 

柯西一致收敛准则-定理 4.4 (柯西一致收敛准则) 级数(4.2)在点集上一致收敛于某函数的充要条件是:任给,存在正整数,使当时,对一切,均有 

         。

优级数准则-定理4.5 (优级数准则) 若存在正数列,使对一切,有 

         , 

而且正项级数收敛,则复函数项级数在集上绝对收敛且一致收敛。 

级数连续定理-定理4.6 设级数的各项在点集上连续,且一致收敛于,则和函数 

         

也在上连续。 

逐项积分定理-定理4.7 设级数的各项在曲线上连续,并且在上一致收敛于,则沿可以逐项积分: 

         

内闭一致收敛判据-定理4.8 级数(4.2)在圆内闭一致收敛的充要条件为:对任意正数,只要,级数(4.2)在闭圆上一致收敛。 

维尔斯特拉斯定理-定理4.9 设(1)在区域内解析, 

        (2)在内内闭一致收敛于函数: 

         , 

则(1)在区域内解析。 

 (2) 。 

阿贝尔(Abel)定理-定理4.10 如果幂级数(4.3)在某点收敛,则它必在圆(即以为心,圆周通过的圆)内绝对收敛且内闭一致收敛。 

收敛半径的计算公式-定理4.12 如果幂级数的系数合于 

         ,(达朗贝尔(D’Alembert) 

或        ,(柯西) 

或        ,(柯西-阿达玛) 

则幂级数的收敛半径 

         

幂级数和的解析性-定理4.13 (1)幂级数 

         

的和函数在起收敛圆内解析。 

(2)在内,幂级数(4.4)可以逐项求导至任意阶,即 

。 

(3)        

泰勒公式-定理4.14(泰勒定理) 设在区域内解析,,只要 含于,则在内能展成幂级数 

         , 

其中系数 

         。 (4.4) 

         

且展式是唯一的。 

解析函数的第四判据-定理4.15 在区域内解析的充要条件为: 在内任一点的邻域内可展成的幂级数,即泰勒级数。 

  

收敛圆周上的性质-定理4.16 如果幂级数的收敛半径,且 

         

则在收敛圆周上至少有一奇点,即不可能有这样的函数存在,它在内与恒等,而在上处处解析。

m级零点的判据-定理4.17 不恒为零的解析函数以为级零点的充要条件为: 

         , 

其中在点的邻域内解析,且。 

零点的孤立性-定理4.18 如在内的解析函数不恒为零,为其零点,则必有的一个邻域,使得在其中无异于的零点。(简单说来就是:不恒为零的解析函数的零点必是孤立的。) 

唯一性定理-定理4.20(唯一性定理) 设(1)函数和在区域内解析; 

(2)内有一个收敛于的点列,在其上和等值,则 和在内恒等。 

最大模原理-定理4.23(最大模原理) 设在区域内解析,则在内任何点都不能达到最大值,除非在内恒等于常数。

定义

罗朗级数-定义5.1 (5.2)称为在点的罗朗展式,(5.3)称为其罗朗系数,而(5.2)右边的级数则称为罗朗级数。

孤立奇点-定义5.2 若在奇点的某一去心邻域内解析,则称为的一个孤立奇点。 

  若为的一个孤立奇点,则必存在函数,使在的去心邻域内可展成罗朗级数。 

可去奇点、极点、本性奇点-定义5.3 设是的孤立奇点, 

 (1) 若主要部分为0,则称是的可去奇点。 

 (2) 若主要部分为有限多项,则称是的极点,此时主要部分的系数必满足,,此处称为极点的级,亦称为级极点。 

 (3) 若主要部分有无限多项,则称是的本性奇点。 

无穷远点的孤立奇点性-定义5.4 设函数在无穷远点(去心)邻域 内解析,则称为的一个孤立奇点。 

主要定理

双边幂级数的解析性-定理5.1 设双边幂级数 

         

的收敛圆环为 

         

则  (1)(5.1)在内绝对收敛且内闭一致收敛于 

         

   (2)在内解析 

   (3) 级数在内可逐项求导任意次。 

罗朗定理-定理5.2(罗朗定理) 在圆环内解析的函数必可展开成双边幂函数 

         (5.2) 

其中         (5.3) 

且展式唯一。

可去奇点判据-定理5.3 设为的孤立奇点,则下述等价: 

 (1) 在的主要部分为0; 

 (2) 

 (3)在点的某去心邻域内有界。 

极点判据-定理5.4 若以点为孤立奇点,则下述等价 

 (1)是级极点,即主要部分为 

          

 (2)在点的去心邻域内有 

且解析且

 (3) 以为级零点。 

本性奇点判据-定理5.6 的孤立奇点为本性奇点的充分必要条件是 

         

即不存在。 

毕卡定理-定理5.8 若为的本性奇点,则对任意数(可以是),都有一个收敛于 的点列,使 

         

定义

残数-定义6.1 设以为孤立奇点,即在的去心邻域内解析,则称积分    

为在点的残数(residue),记作 

         

为罗朗展式中那项的系数 

无穷远点的残数-定义6.2 设为的一个孤立奇点,则称 

         

为在残数。若在内的罗朗展式为 

         

主要定理

柯西残数定理-定理6.1 (柯西残数定理) 在围线或复围线所范围的区域内,除外解析,在闭域上除外连续,则 

         

极点的残数计算-定理6.2 若为级极点,则,,则 

         

极点的残数计算-定理6.3 若为一级极点,

          

则         

极点的残数计算-定理6.4 若为二级极点 

         

极点的残数计算-定理6.5 若为的一级极点,则 

         

残数总和为零定理-定理6.6 若在扩充平面上只有有限个孤立奇点,设为,则残数总和为0 

有理分式的广义积分定理-定理6.7 设为有理积分式,其中 

         

          

为互质多项式,且满足: 

 (1) 

 (2)在实轴上(即无实根) 

则有       

上式中为的在上半平面的根。 

广义积分计算定理-定理6.8 设,其中及是互质多项式,且满足 

 (1)的次数比高; 

 (2) 在实轴上

 (3) 是

则有       

辐角原理-定理6.9 设是一条围线,满足: 

(1)在的内部除可能有极点外是解析的。 

(2)在上解析且不为零。 

则有 

         

其中与分别表示在内部的零点与极点的个数(一个级零点,而一个级极点算作个极点)。 

儒歇定理-定理6.10(儒歇定理) 设是一条围线,函数及满足条件: 

 (1) 它们在的内部均解析,且连续到; 

 (2) 在上, 

则函数与在的内部有同样多(几级算作几个)的零点,即 

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