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《数学物理方法》授课教案_第二章.doc

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PAGE  PAGE 18 复变函数和解析函数 本章介绍复变函数的基本概念,着重讨论解析函数的定义、充要条件、几何 性质和物理解释。 §2.1 复数的基本概念 首先介绍一下复数的有关概念。 1.复数及其代数运算 令,则 , 我们把含有的数字称为复数,如3,2+5等等。 若为复数,那么一定可以表述为,其中和是两个实数,称为复数的实部,记为;称为的虚部,记为 。称为的共轭复数。 一个复数可以用平面上的—个点或—个矢量表示,如图1.1所示(当然矢量的起点可以不在原点;也就是说,长度和方向都相同的矢量表示同一个复数)。这时轴和轴分别以1和为单位,我们分别称为实轴和虚轴,而这样的平面称为复平面。 如取极坐标, (见图2.1),则复数的三角式可表示为: (2.1),其中称为的模,记为;称为的幅角,记为,通常约定。称为幅角主值。复数和指数式为 , (2.2) 显然,由(2.1)和(2.2)知 还有 , 其中定义0!≡1,(2.2)式称为复数的指数式。 当且仅当两个复数的实部和虚部分别相等时这两个复数才相等。 复数的运算: (2.3) (2.4) (设) (2.5) 复数的乘除运算采用指数式(2.2)较为方便: (2.6) (设) (2.7) 复数的(整数)次幂为 或 (2.8) 而的(自然数)次根式为 (2.9) 由此可见,若是的幅角的某一值,则可取个不同的值: () (2.10) 2.无穷远点 复平面上模为无穷大的点规定为—点,称为无穷远点。复平面上只有一个无 穷远点,这可作如下理解:作一半径为任意的球面,使它的南极与复平面上的原点重合,如图2.2所示。对于复平面上任意有限远点,连接球的北极,此连线交球面于点ζ,显然与ζ一一对应。这样,复平面上所有的有限远点就与该球面上除北极点之外的所有点建立了—一对应的关系。当点的模愈来愈大时,点ζ就愈来愈接近北极,可见点就与无穷远点相对应。这样的球面称为复数球面。无穷远点就记为∞,复平面上只有一个无穷远点,这还可论证如下式: (2.11) 这样复平面上的有限远点与复数球面上的点(除原点外)之间建立了一对应关系。基于ζ=0对应的就是=∞,我们以后可用变换关系(2.11)式将=∞的函数讨论变为关于ζ=0的函数进行讨论。 既然一个复数可以用复平面上的一个点表示,复数列{}(=1,2,3,……)的极限问题就归结为平面上点列{} (=1,2,3,…)的极限问题。 §1.2 复变函数及其导数 柯西—黎曼条件 1.复变函数及其导数 现在根据复数的基本表达式,用类似于实函数的定义方法来定义一些初等复变函数。 指数函数 (2.12) 三角函数 (2.13) (2.14) 双曲函数 (2.15) (2.16) 等等。对数函数定义为指数函数的反函数: (2.17) 幂函数则定义为 (α为复数) (2.18) 当然还可以定义出反三角函数和反双曲函数。在以上各初等复变函数的定义中,当取实数值时都与实函数的初等函数定义相一致。 一般地,当在复平面上变化时,如果对于的每一个值,都有一个或几个复数值与之相对应,则称为的复变函数,记作 (2.19) 其中和是的实函数。复变函数有单值函数和多值函数之分。如果值确定后,有一个值与之对应,则称为单值函数,否则就是多值函数。如的次根式、对数函数和幂函数等都是多值函数。 关于复变函数(2.19)的极限和连续问题其实是讨论实函数和的极限和连续问题,这里不再赘述。 现定义函数的导数。设函数(2.19)是单值函数,当在的邻域内沿任意方向、按任何方式趋于点时,即当→0时,若极限 (2.20) 具有同一的有限值,则称函数?(z)在点是可导的,而称此
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