复变函数第2章
复变函数第2章
By 宋朝红2.1 复变函数的极限2.2 复变函数的连续性2.3 导数2.4 解析函数2.5 调和函数Math HZAU第二章导数zz f z z f z Δ)()Δ(lim 000Δ−+→1 导数与微分定义：设函数w=f(z)在包含z 0的某邻域D 内有定义，点z 0+⊿z ∈D. 如果极限存在, 则称f (z )在z 0可导, 此极限值就称为f (z )在z 0的导数, 记作0000Δ0(Δ)()d ()lim .d Δ|z z z f z z f z w f z z z=→+−′==如果f (z )在区域D 内处处可导, 则称f(z)在Ｄ内可导.例1求f (z )=z 2的导数例3讨论函数f (z )=|z|2的可导性函数可导一定连续，但连续却不一定可导例2问：函数f (z )=x +2yi 是否可导？求导公式与法则①常数的导数c ′=(a+ib )′=0.②(z n )′=nz n-1(n 是自然数).③设函数f (z ),g (z ) 均可导，则[f (z )±g (z )]′=f ′(z )±g ′(z )，[f (z )g (z )]′= f ′(z )g (z )+ f (z )g ′(z )----实函数中求导法则的推广)0)((,)()(')()()('')()(2≠−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z g z g z g z f z g z f z g z f④复合函数的导数( f [g (z )])′=f ′(w )g ′(z )，其中w=g (z )。
.0)()()()(10处可导点外）处在复平面上（除分母为导；在整个复平面上处处可由以上讨论z Q z P z R z a z a a z P nn =+++=⇒"⑤反函数的导数，其中: w=f (z )与z=ϕ(w )互为单值的反函数，且ϕ′(w )≠0。
)('1)('w z f ϕ=例3求f (z )=Arcsinz=-iLn (iz+ ）的导数。
复变函数-第2章
(1) 若 Δz 沿实轴趋于0, 即 Δz = Δx,
f ′( z0 ) = lim u ( x0 + Δx, y0 ) + iv( x0 + Δx, y0 ) − u ( x0 , y0 ) − iv( x0 , y0 ) Δx →0 Δx u ( x0 + Δx, y0 ) − u ( x0 , y0 ) v( x0 + Δx, y0 ) − v( x0 , y0 ) = lim + i lim Δx → 0 Δx → 0 Δx Δx ∂u ∂v = ( x0 , y0 ) + i ( x0 , y0 ) ∂x ∂x
∀ z0 ∈ C,
f ( z0 + Δz ) − f ( z0 ) z0 + Δz − z0 Δz = = Δz Δz Δz Δx − iΔy ⎧ 1, Δy = 0 = →⎨ 差商的极限不存在！ Δx + iΔy ⎩− 1, Δx = 0
所以, 与 z 有关的函数不可微. 比如, x, y作为一元或者二元实函数都是可微的, z+z z−z 但作为复函数则不可微! x= ,y= 2 2i
但是,
| ΔxΔy | f (0 + Δz ) − f (0) = Δz Δx + iΔy
取 Δy = kΔx
Δx → 0 +
|k| 1 + ik
差商极限不存在, 故不可微. ★ 想一想问题出在哪里? 注意到, 实函数 u ( x, y ) = | xy | 在(0,0)不可微!
反证, 若实函数 u ( x, y ) = | xy | 在(0,0)可微, 则
2. 柯西-黎曼(Cauchy-Riemann)方程
若函数 f ( z ) = u ( x, y ) + iv( x, y ) 在 z0 = x0 + iy0 可导, 则
复变函数复变函数2
z0
)或
dw dz
z z0
.
应该注意：上述定义中z 0的方式是任意的。
容易证明： 可导
可微 ；可导
连续。
如果 f (z) 在区域D内处处可导, 就说 f (z) 在Ｄ内可导.
例1 求 f (z) = z2 的导数。
[解] 因为 lim f (z Δ z) f (z) lim (z Δ z)2 z2
§2.2 解析函数和调和函数的关系
定义1 实函数u(x, y)为区域D内的调和函数：
u(x, y)在区域D内有二阶连续偏导数，
且满足u uxx uyy 0
(称为调和方程或Laplace方程)
定理1：f (z) u(x, y) iv(x, y)是区域D内的解析函数
u与v是区域D内的调和函数
f (z)在区域D内解析：f (z)在D内处处解析.
函数在一点解析 在该点可导。反之不一定成立。
在区域内： 解析 可导 .
例如 f (z) = z2 在整个复平面上解析；w f (z) z 2
仅在原点可导，故在整个复平面上不解析；
f (z) = x +2yi 在整个复平面上不解析。
例4 讨论函数 f (z)=1/z 的解析性.
是区域内的正交 曲线族。
(正交：两曲线在交点处的切线垂直 )
证：u ( x,
y)
C1在( x,
y)处切线的斜率ku
ux uy
，
v(x,
y)
C2在(x,
y)处切线的斜率kv
vx vy
ku kv
ux uy
vx vy
C
R
vy uy
uy vy
1,
得证。
例如 f z z2 x2 y2 i2xy, f z 2z 0z 0.
复变函数第二章 解析函数
第 一 节 解 析 函 数 的 概 念
( 5)
f ( z ) ′ g ( z ) f ′ ( z ) − f ( z ) g ′ ( z ) , g (z) ≠ 0 = 2 g ( z) g ( z)
( 6)
{
f g ( z )
}
′
= f ′ ( w ) g ′ ( z ) , 其中w = g ( z )
dw 可见：可导 ⇔ 可微， f ′ ( z0 ) = 且 dz
z = z0
如果f ( z ) 在区域D内每一点可微，
则称f ( z ) 在D内可微.
记作 dw = f ′ ( z ) dz
第 一 节 解 析 函 数 的 概 念
二、解析函数 定义 1o 如果f ( z ) 在z0 及z0的某邻域内处处可导，
设w = f ( z ) 定义于区域D, z0 ∈ D , z0 + ∆ z ∈ D
f ( z0 + ∆ z ) − f ( z0 ) 如果 lim 存在 ∆ z →0 ∆z 则 称 f ( z ) 在 z0点 可 导 ， 而 极 限 值 为 f ( z ) 在 z0点 dw 的导数，记作 f ′ ( z0 ) 或 dz z = z0
∴ ∆ u = a ∆ x − b ∆ y + o1 ∆ v = b∆ x + a ∆ y + o2
反之，不成立。
( 2)
( 3)
f ( z ) 在区域D内解析
⇔ f ( z ) 在 区 域 D内 可 导 。
f ( z ) 在 z0 解析 ⇔
f ( z ) 在 z0的某邻域 N δ ( z0 )内解析。
第 一 节 解 析 函 数 的 概 念
复变函数第二章
2连续、可导、解析的关系
f ( z ) 在D内解析
f ( z ) 在D内可导
f ( z ) 在z0解析
f ( z ) 在z0可导
f ( z ) 在z0连续
3 复变函数与二元实函数的关系
设f ( z ) = u ( x, y ) + iv( x, y ), A = u0 + iv0 , z0 = x0 + y0i
例5
求出下列各函数的解析区域,并求出导数.
1）f ( z ) =
z
2
2
z +1
,
x+ y x− y 2) f ( z ) = 2 +i 2 2 2 x +y x +y
f ( z )在z 2 + 1 ≠ 0，即z ≠ ±i外处处可导，因此 解: 1) 其解析区域为复平面内除去z ≠ ±i两点.且
2z 2 z ( z 2 + 1) − z 2 2 z = 2 f ′( z ) = 2 2 ( z + 1) 2 ( z + 1)
则称f ( z )在z 0 可导.这个极限值称为f ( z )在z 0的导数.
dω 记作f ′( z0 ) = dz
z = z0
f ( z 0 + ∆z ) − f ( z 0 ) = lim . ∆z → 0 ∆z
在定义中应注意: 在定义中应注意
z0 + ∆z → z0 (即∆z → 0)的方式是任意的 .
∂u ∂u ∂x ∂u ∂y ∂u ∂u 则 = + = cos θ + sin θ ∂r ∂x ∂r ∂y ∂r ∂x ∂y
导数公式的其它形式 导数公式
∂u ∂v f ′( z ) = +i ∂x ∂x
复变函数第2章(钟玉泉)
容易看出, 这四个偏导数处处连续, 但仅当 x=y=0时, 它们才满足柯西-黎曼方程, 因而函 数仅在z=0可导, 但在复平面内任何地方都不 解析.
例2 设函数f(z)=x2+axy+by2+i(cx2+dxy+y2). 问常 数a,b,c,d取何值时, f(z)在复平面内处处解析? [解] 由于 ux=2x+ay, uy=ax+2by, vx=2cx+dy, vy=dx+2y 要使ux=vy, uy=-vx, 只需2x+ay=dx+2y, 2cx+dy=-ax-2by. 因此, 当a=2, b=-1, c=-1, d=2时, 此函数在复 平面内处处解析, 这时 f(z)=x2+2xy-y2+i(-x2+2xy+y2) =(1-i)(x+iy)2=(1-i)z2
定理二 函数f(z)=u(x,y)+iv(x,y)在其定义域D内 解析的充要条件是u(x,y)与v(x,y)在D内可微, 并满足柯西-黎曼方程。
例1 判断下列函数在何处可导, 在何处解析:
1)w z ; 2) f ( z ) e (cos y i sin y); 3)w z Re( z )
f ( z0 Δ z ) f ( z0 ) f ( z0 ) e Δz
应当注意, 定义中z0+Dzz0(即Dz0)的方式 是任意的, 定义中极限值存在的要求与 z0+Dzz0的方式无关, 也就是说, 当z0+Dz在区 域D内以任何方式趋于z0时, 比值
f ( z0 Δ z ) f ( z0 ) 都趋于同一个数. Δz
【复变函数】第二章 解析函数(工科2版)
2 2 2 解: f ( z ) = | z | = x + y
∴ u( x , y ) = x 2 + y 2 , v ( x , y ) = 0
∂u ∂u ∂v ∂v = 2 x, = 2 y, = 0, =0 ∂x ∂y ∂x ∂y
条件, 由C-R条件 x=0, y=0 , 条件 所以在z=0处可导 处处不解析. 所以在 处可导, 处处不解析 处可导
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【例3】讨论下列函数的解析性 可导性 . 】讨论下列函数的解析性, (1). f ( z ) = x + 2 yi 在复平面上处处不可导, 解：f (z) 在复平面上处处不可导,处处不解析
( 2 ). f ( z ) = z 2
在复平面上处处可导, 解：f (z) 在复平面上处处可导,处处解析 1 ( 3 ). f ( z ) = z 1 解：f ′( z ) = − 2 除 z = 0 外处处可导,处处解析. 外处处可导,处处解析. z 1+ z ( 4 ). f ( z ) = 1− z 2 解：f ′( z ) = 外处处可导,处处解析. 2 除 z = 1 外处处可导,处处解析. (1 − z )
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内处处为0, 内为一个常数. 【例6】若f'(x)在D内处处为 则f(x)在D内为一个常数 】 在 内处处为 在 内为一个常数 Proof: 由导数的计算公式
∂u ∂v ∂u ∂v f ′( z ) = +i =0 ⇔ = 0, = 0, ∂x ∂x ∂x ∂x
∂u ∂v ∂v ∂u = 0, = 0, f ′( z ) = −i =0 ⇔ ∂y ∂y ∂y ∂y
第2章 复变函数
( x, y ) Î E .
(1)
其中 u = u ( x, y ) 和 v = v( x, y ) 是一对二元实函数, 它们分别称为 f ( z ) 的实部和虚部, 分别记 为 Re f ( z ) 和 Im f ( z ). 这说明一个复函数等价于一对二元实变量的实函数. 复函数的形如(1)式的表示形式对应于复数的代数形式. 对应于复数的指数形式, 相应地可 以将复函数表示为指数形式:
f ( z) > M ,
则称当 z 0 时, f ( z ) 趋近于无穷大 记为 lim f ( z ) = ¥.
z z0
(2) 设 w = f ( z ) 是定义在 E 上的复函数, 无穷远点 ¥ 是 E 的聚点(即对任意 r > 0, ¥ 的
r 邻域 { z : z > r } 中包含 E 中的点), 是一复数. 若对任意 > 0, 存在 r > 0, 使得当 z Î E 并且 z > r 时, 有
复变函数的连续性
定是 E 的聚点. 若
z z0
lim f ( z ) = f ( z0 ),
则称 f ( z ) 在点 z0 处(相对于集 E )连续. 若 f ( z ) 在 E 上的每一点处都连续, 则称 f ( z ) 在 E 上连 续. 例6 例 5(2)的结论表明多项式函数在复平面上处处连续. 设 f ( z ) = u ( x, y ) + iv( x, y ) 是定义在 E 上的复函数, z0 = x0 + iy0 是 E 的聚 定理 2.1.2
于是 f ( z ) f ( z0 ) f ( z ) f ( z0 )
1 f ( z0 ) . 2
1 f ( z0 ) . 即 2
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第二章 解析函数1. 复变函数：()w f z =w =f (z )又常写成w =u (x ,y )+iv (x ,y )，从而对复变函数f (z )的讨论可相应地 转化为对两个实函数u (x ,y )和v (x ,y )的讨论.2.复变函数的极限与连续：定义2.2 设函数w =f (z )定义在z 0的去心邻域0<|z -z 0|<r 内，若存在常数A ，对于任意给定的0ε>,都存在一正数(0)r δδ<≤,使得当0<|z -z 0|<δ时,有()f z A ε<-,则称函数f (z )当0z z →时的极限存在，常数A 为其极限值.记作0lim ()z z f z A →=或 0()()f z A z z →→.定理2.1 设f (z )=u (x ,y )+iv (x ,y ),z 0=x 0+iy 0,A =a +ib ，则000(,)(,)lim ()lim (,),z z x y x y f z A u x y a →→=⇔= (2.1) 00(,)(,)lim (,).x y x y v x y b →= (2.2)定义 2.3 若00lim ()()z z f z f z →=，则我们就说函数 f (z ) 在点 z 0 处连续. 如果函数f (z )在区域D 内每一点都连续，那么称函数f (z )在区域D 内连续.定理2.5 设函数000()(,)(,),f z u x y iv x y z x iy =+=+,则f (z )在点z 0连续的充分必要条件是u (x ,y )、v (x ,y ) 均在点(x 0,y 0)连续.3.复变函数的导数定义2.4 （导数的定义）设函数w =f (z )定义在z 平面上区域D 内，点z 0、z 0+Δz D ∈, 00Δ(Δ)()w f z z f z ∈=+-,若极限00Δ0Δ0(Δ)()Δlimlim ΔΔz z f z z f z w z z →→+- 存在,则称函数f (z ) 在 z 0可导,这个极限值称为f (z )在z 0的导数,记作00000Δ0(Δ)()d ()d lim ().d d Δz z z z z f z z f z f z w f z z z z==→+-='== (2.3) 由于复变函数导数的定义在形式上和一元实函数的导数定义一致，并且复变函数中的极限运算法则与实函数中一样，所以微积分中几乎所有的关于函数导数的计算规则都可以不加更改地推广到复变函数中来.4.解析函数的概念定义2.6 若函数f (z )在点z 0及z 0的邻域内处处可导，则称函数f (z )在点z 0解析.若函数f (z )在区域D 内每一点都解析，则称函数f (z )在区域D 内解析，或称f (z )是D 内的解析函数.若f (z )在点z 0不解析，但在z 0的任一邻域内总有f (z )的解析点，则称z 0为f (z )的奇点.5.函数可导与解析的充要条件定义2.6 对于二元实函数u (x ,y )和v (x ,y )，方程,.u v u v x y y x∂∂∂∂==-∂∂∂∂ (2.5) 称为柯西-黎曼方程（简记为C-R 方程）.定理2.7 设函数f (z )=u (x ,y )+iv (x ,y )在区域D 内有定义，则f (z )在区域D 内一点z =x +iy 可导的充要条件是(1) 二元实函数u (x ,y )和v (x ,y )在点(x ,y )可微；(2) u (x ,y ),v (x ,y )在点(x ,y )满足柯西-黎曼方程.6.初等函数（1）指数函数定义2.7 对于复变数z =x +iy ，定义指数函数为:e e e (cos sin ).z x iy x y i y +==+e z 又用记号exp(z )表示.（2）对数函数定义2.8 规定对数函数是指数函数的反函数，即若e (0)w z z =≠则称函数w =f (z )为z 的对数函数，记作w =Ln z .令w =u +iv ,则w =u +iv =ln|z |+i Arg z ∆Ln z .注意到Arg z 是多值函数，所以对数函数w =f (z )也是多值函数.上式中Arg z 取主值arg z (-π<arg z ≤π)时对应的w 值称为Ln z 的主值，并记作ln z =ln|z |+i arg z .这样对数函数可表示为:w =ln z =ln z +2k πi =ln|z |+i arg z +2k πi , k =0,±1, ±2,….上式中对于每一个确定的k ,对应的w 为一单值函数，称为Ln z 的一个分支.（3）幂函数定义2.9 函数w =z a =e a Ln z （z≠0,a 为复常数）称为z 的一般幂函数.当一般的幂函数aw z =的底数z 为一确定复常数b (b≠0)时，则b a =e a Ln b 称为乘幂.由于Ln b =ln|b |+i arg b +2k πi ，所以乘幂b a 也是多值的.（4）三角函数与反三角函数定义2.10 规定e e e e sin , cos .22iz iz iz izz z i ---+== 其它三角函数定义如下:sin cos 11tan , cot , sec , csc .cos sin cos sin z z z z z z z z z z==== （5）双曲函数与反双曲函数我们用指数函数来定义双曲函数.定义2.11 规定e e e e sh , ch 22z z z zz z ---+== 小 结复变函数及其极限、连续、导数等概念是微积分学中相应概念的推广.复变函数的定义在形式上只是将一元实函数的定义域与值域由“实数集”扩大为“复数集”，但要注意实函数是单值函数，而复变函数有单值函数与多值函数之分.一个复变函数f (z )=u (x ,y )+iv (x ,y )对应着两个二元实函数u (x ,y )和v (x ,y )，所以对复变函数的研究可以转化为对它的实部和虚部两个二元实函数的研究.另外将复变函数看成复平面上两个点集之间的映射，有时可以将问题直观化、几何化.复变函数极限的定义在形式上与一元实函数极限的定义相似，因此复变函数具有与实函数类似的极限运算法则.但实质上复变函数的极限与二元实函数的极限是等价的.一元实函数的极限00lim (),x x f x x x →→是指x 在x 轴上从x 0的左右两侧以任何方式趋向于x 0，而在复变函数的极限0lim ()z z f z →中，0z z →是指z 在z 0的邻域内以任何方式趋于z 0.如果z 沿两条不同路径趋于z 0, f (z )不趋于同一复数，那么f (z )在z 0处的极限不存在.复变函数的连续定义是依赖于极限定义的，若00lim ()()z z f z f z →=,则我们说f (z )在z 0处连续.复变函数w =f (z )=u (x ,y )+iv (x ,y )极限存在与连续的充要条件是其实部u (x ,y )和虚部v (x ,y )极限存在与连续.复变函数的导数定义在形式上与一元实函数导数的定义相似，因此复变函数具有与实函数类似的求导法则.复变函数导数为函数的改变量Δw 与自变量Δz 的比0(+Δ)()ΔΔΔf z z f z w z z-=当Δ0z →的极限，该极限值与Δ0z →的方式无关，也就是说如果当Δz 沿某一路径趋于0时，ΔΔw z 的极限不存在,或沿两条不同路径趋于0时，ΔΔw z趋于不同的数，则f (z )在z 0处不可导.由此可见复变函数在一点可导要比一元实函数可导条件更强.解析函数是复变函数的主要研究对象，它有着一元实函数所没有的好性质，如解析函数的导数仍是解析函数，解析函数的虚部为实部的共轭调和函数以及解析函数可以展开为幂级数等，这些性质在后面就会学到.应当注意的是解析与可导的区别与联系.对于一个区域而言， 函数解析与可导是一回事；但对于一个点，解析就比可导要求高得多.函数在某点解析不仅要求在该点可导而且要求在该点的某邻域内可导.判断函数可导与解析的方法主要有以下三种：(1)利用可导与解析的定义.(2)利用可导(解析)函数的和、差、积、商及其复合仍为可导(解析)函数这一性质.(3)利用可导与解析的充要条件(即定理2.7和定理2.8).定理2.7给出了函数f (z )在一点z D ∈处可导的充要条件，由于z 的任意性，从而可以得到函数在区域D 内可导与解析的充要条件，即定理2.8.复初等函数是实初等函数在复数域的推广，它既保持了实初等函数的一些性质，又有一些不同的性质.指数函数e z =e x (cos y +i sin y )在z 平面上处处解析，并且(e z )'=e z ,它具有实指数函数相同的某些性质如加法定理.但周期为2πi 这与实指数函数不同，实指数函数e x 可以看成数e 的x 次幂，但在复变函数中e z 仅仅是一个记号，而不再有幂的含义.对数函数Ln z =ln z +i Arg z 是一多值函数，它在除去原点与负实轴的复平面上处处解析,且有(l nz )' =1z.它保持了实对数函数的如下性质： 11212122ln()ln ln ,ln ln ln .z z z z z z z z ⎛⎫=+=- ⎪⎝⎭应当注意的是，等式1ln ln ln n z n z z n== 不再成立，其中2n ≥,为正整数.幂函数w =z a =e a L n z , 除了整幂函数z n (z 为正整数)外都是多值函数，在除去原点与负实轴的复平面上处处解析,且有(z a )'=az a -1.而整幂函数z n (z 为正整数)是单值函数，在复平面上处处解析，且(z n )'=nz n -1.当底数z 为一确定的常数b (b ≠0)时，b a =e a L nb 为乘幂.三角正弦函数与三角余弦函数e e e e sin , cos 22iz iz iz izz z i ---+== 在复平面上处处解析，并且(sin z )'=cos z ,(cos z )'=-sin z .它保持了对应的实函数的奇偶性、周期性，类似的三角恒等式成立，但是不再具有有界性，即|sin z |≤1,|cos z |≤1不成立.其它三角函数与反三角函数、双曲函数与反双曲函数读者可以自己小结它们的性质.1.讨论函数(1) f (z )= Im(z ) ;(2) f (z )=|z |2z .的可导性，并在可导点处求其导数.。