真正的危机不是机器人像人一样思考,而是人像机器一样思考。

这是关于复变函数学习的简单总结。笔记的内容不会十分完整,而是以我对于复变函数或者复分析的想法为主。

# 复数

# 复数的表示形式

# 代数形式

复数的最基本的表示为代数形式,即

z=a+bi,a,bRz = a + bi, \quad a,b \in \mathbb{R}

其中 aReza\triangleq\mathrm{Re}z, 称为实部bImzb\triangleq\mathrm{Im}z, 称为虚部。将 a,ba,b 分别视为二维坐标系中的横纵坐标,就得到了一个用来表示复数的平面,称为复平面

# 三角形式

对于二维平面,除了采用平面直角坐标表示,另一种常见的方式就是采用极坐标进行表示。对应到复数上,就是复数的三角形式,即

z=r(cosθ+isinθ),r[0,),θRz = r (\cos \theta + i \sin \theta),\quad r \in [0,\infty), \, \theta \in \mathbb{R}

这时候,用三角恒等式可以得到一个三角形式下复数的乘法公式,称之为棣莫弗公式 (de Moivre's formula), 即

(cosx+isinx)n=cosnx+isinnx(\cos x + i\sin x)^n = \cos nx + i \sin nx

于是可以看出,复数相乘,则幅角相加。在实数范围内,对于此性质,我们求解函数方程可以得到其对应的是指数的形式。于是自然可以联想到复数可以采用指数进行表示。此时可以暂且引入一个复数的简化表示形式,称为复数的指数形式,即

z=r(cosθ+isinθ)reiθz = r (\cos \theta + i\sin \theta) \triangleq r e^{i\theta}

# 球面表示

此外,借助于球极投影,我们还可以得到复数的球面表示

对于单位球上的一点Z(ξ,η,ζ)Z(\xi, \eta, \zeta), 容易得到其与复平面上点z(x,y)z(x,y) 之间的对应关系为

ξ=2x1+z2,η=2y1+z2,ζ=z211+z2\xi = \frac{2x}{1+|z|^2},\; \eta = \frac{2y}{1+|z|^2},\; \zeta = \frac{|z|^2-1}{1+|z|^2}

以及

x=ξ1ζ,y=η1ζx = \frac{\xi}{1-\zeta},\; y = \frac{\eta}{1-\zeta}

我们称 (ξ,η,ζ)(\xi,\eta,\zeta) 这种表示为复数的球面表示。此时,点 (0,0,1)(0,0,1) 不表示复平面上的某个点,而是表示复平面上无穷远的点。因此,复数的球面表示可以让无穷远点也有一个良好的表示方式。此时,我们称包括了无穷远点的复数集为扩充复数集,记作 C\mathbb{C}_\inftyCˉ\bar{\mathbb{C}}. 在 Cˉ\bar{\mathbb{C}} 上也可以以球面上两点的欧氏距离定义度量,称为球面度量.

# 复变函数的概念

对定义域 ECE\subseteq\mathbb{C}, (单) 复变函数是一个映射 f:ECf: E \to \mathbb{C}, 即函数是单值的。多复变函数是一个 E2CE \to 2^\mathbb{C} 的映射,即函数是多值的。

如果采用代数形式看复变函数,那么其可以简单分解为两个实值函数的组合。即 w=f(z)=Ref(z)+Imf(z)=u(x,y)+iv(x,y)w=f(z) = \mathrm{Re}f(z) + \mathrm{Im}f(z) = u(x,y) + iv(x,y).

我们可以从拓扑的视角看复变函数,因为复变函数是一个平面到平面的变换。