第一章 复数
第一节 复数的定义与四则运算
复数的定义
形如
z=x+iy(x,y∈R)
的数称为复数,其中 i 为虚数单位,规定
i2=−1.
x 称为 z 的实部,记作 Rez;y 称为 z 的虚部,记作 Imz。
- 当 y=0 时,z=x 为实数;当 x=0 且 y=0 时,z=iy 称为纯虚数;
- 两个复数相等当且仅当实部与虚部分别相等:
x1+iy1=x2+iy2⟺x1=x2 且 y1=y2.
全体复数组成的集合记作
C={x+iy∣x,y∈R},
称为复数集。实数集 R 是 C 的子集,即 R⊂C。
复数的四则运算
设 z1=x1+iy1,z2=x2+iy2。
加法与减法:
z1±z2=(x1±x2)+i(y1±y2).
乘法(按多项式展开并用 i2=−1):
z1z2=(x1+iy1)(x2+iy2)=(x1x2−y1y2)+i(x1y2+x2y1).
除法(z2=0,分子分母同乘分母的共轭):
z2z1=z2zˉ2z1zˉ2=x22+y22(x1+iy1)(x2−iy2)=x22+y22x1x2+y1y2+ix22+y22x2y1−x1y2.
其中 zˉ=x−iy 为 z 的共轭复数,满足
zzˉ=∣z∣2,z1±z2ˉ=zˉ1±zˉ2,z1z2=zˉ1zˉ2.
例:设 z1=1+2i,z2=3−i,则
z1+z2=4+i,z1z2=(1+2i)(3−i)=3−i+6i−2i2=5+5i,
z2z1=32+12(1+2i)(3+i)=101+7i=101+107i.
复数集是一个数域
数域:设 F 是含 0,1 的数集,若 F 中任意两个数的和、差、积、商(除数不为零)仍属于 F,则称 F 为一个数域。
复数集 C 在加法与乘法下满足:
- 加法与乘法分别满足交换律与结合律,且乘法对加法满足分配律;
- 存在加法单位元 0 与乘法单位元 1;
- 任意 z∈C 有加法逆元 −z,任意 z=0 有乘法逆元
z−1=∣z∣2zˉ=zzˉzˉ;
因此 C 是一个数域,并且是包含 R 与 i 的最小数域。R、Q 也都是数域,而整数集 Z 不是数域(如 21∈/Z)。
[!note] 与实数的区别
复数不能比较大小,C 上不存在与运算相容的全序关系;复数的大小通常用模 ∣z∣=x2+y2 来度量。
第二节 复数的几何表示
复平面与向量表示
在平面直角坐标系中,用横轴表示实部、纵轴表示虚部,则每个复数 z=x+iy 与点 (x,y) 一一对应,也与从原点出发的向量 Oz 一一对应。这样建立的平面称为复平面(或 z 平面),横轴称为实轴,纵轴称为虚轴。
图 1 复数 z=x+iy 的几何表示
模与辐角
复数 z=x+iy 到原点的距离称为模:
∣z∣=r=x2+y2 ≥0.
非零复数对应向量与正实轴正向的夹角 θ 称为 z 的辐角,记作 Argz。由于夹角可相差 2π 的整数倍,辐角是多值的:
Argz=argz+2kπ(k∈Z),
其中落在 (−π,π] 内的那一个称为辐角主值,记作 argz。z=0 的辐角无意义。
由 tanθ=xy 并结合点所在象限,可得主值的计算公式:
argz=⎩⎨⎧arctanxy,arctanxy+π,arctanxy−π,2π,−2π,x>0,x<0, y≥0,x<0, y<0,x=0, y>0,x=0, y<0.
模与辐角满足 ∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣,Arg(z1z2)=Argz1+Argz2(集合意义下)。
三角形式
由 x=rcosθ, y=rsinθ,非零复数可写成
z=r(cosθ+isinθ),
称为复数的三角形式,其中 r=∣z∣,θ=Argz。
三角形式下的乘法与除法
设 z1=r1(cosθ1+isinθ1),z2=r2(cosθ2+isinθ2),由和角公式得
z1z2=r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)],
z2z1=r2r1[cos(θ1−θ2)+isin(θ1−θ2)](z2=0).
即:积的模等于模的积,积的辐角等于辐角的和。几何上,乘法相当于把 z1 对应的向量先伸缩 r2 倍,再逆时针旋转 θ2。
图 2 三角形式乘法的几何意义:模相乘、辐角相加
棣莫弗公式
在乘法公式中取 z1=z2=⋯=zn=cosθ+isinθ,用数学归纳法可得棣莫弗(de Moivre)公式:
(cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ(n∈N∗).
由除法公式可进一步得到 n 为负整数时公式仍成立。
例:取 n=3,左边展开为
cos3θ+3icos2θsinθ−3cosθsin2θ−isin3θ,
与右边 cos3θ+isin3θ 比较实部与虚部,即得三倍角公式
cos3θ=cos3θ−3cosθsin2θ,sin3θ=3cos2θsinθ−sin3θ.
指数形式与欧拉公式
由欧拉公式
eiθ=cosθ+isinθ,
非零复数可写成更简洁的指数形式
z=reiθ(r=∣z∣, θ=Argz).
欧拉公式的简易证明:将 eiθ 按泰勒级数展开(此处不讨论级数的敛散性),并利用 i 的幂的周期性 i0=1, i1=i, i2=−1, i3=−i, i4=1,…:
eiθ=n=0∑∞n!(iθ)n=(1−2!θ2+4!θ4−⋯)+i(θ−3!θ3+5!θ5−⋯)=cosθ+isinθ.
其中两个括号分别是 cosθ 与 sinθ 的泰勒展开。
在指数形式下,乘法、除法与棣莫弗公式可统一写成
z1z2=r1r2ei(θ1+θ2),z2z1=r2r1ei(θ1−θ2),zn=rneinθ.
复数的开方
设 z=reiθ (z=0),求 w=ρeiφ 使 wn=z。由 ρneinφ=reiθ 得
ρ=nr,nφ=θ+2kπ,
即
φ=nθ+2kπ(k∈Z).
由于 φ 每增加 2π 对应同一个 w,只需取 k=0,1,…,n−1,得到 n 个不同的 n 次方根:
nz=nr(cosnθ+2kπ+isinnθ+2kπ),k=0,1,…,n−1.
几何意义:z 的 n 个 n 次方根均匀分布在以原点为中心、半径为 nr 的圆周上,构成一个内接正 n 边形的 n 个顶点。
图 3 三次单位根 1,ω,ω2(ω=e2πi/3),满足 1+ω+ω2=0
例:三次单位根为
1,ω=−21+23i,ω2=−21−23i,
且有 1+ω+ω2=0。
共轭复数
设 z=x+iy,称 zˉ=x−iy 为 z 的共轭复数。几何上,zˉ 与 z 关于实轴对称。
共轭运算的基本性质:
zˉˉ=z,z1±z2=zˉ1±zˉ2,z1z2=zˉ1zˉ2,(z2z1)=zˉ2zˉ1 (z2=0),
zzˉ=∣z∣2,Rez=2z+zˉ,Imz=2iz−zˉ,∣z∣=∣zˉ∣.
用三角形式或指数形式表示,共轭就是辐角取相反数:
zˉ=r(cosθ−isinθ)=re−iθ.
球极投影与扩充复平面
在复数集 C 中引入一个无穷远点 ∞,得到扩充复平面 C∞=C∪{∞}。
为给 ∞ 一个直观的几何模型,取单位球面 x12+x22+x32=1,令其北极 N=(0,0,1)、南极 S=(0,0,−1),并把 x3=0 的赤道平面看作复平面。任取复平面上一点 z,连接 N 与 z 的直线与球面交于异于 N 的唯一一点 P,于是
C∋z ⟷ P (球面∖{N})
构成一一对应,称为球极投影。当 z 沿任意方向趋于无穷远时,P 都趋于 N,因此自然地把 N 对应到 ∞。
图 4 球极投影:复平面与黎曼球面(N↔∞)
这个球面称为黎曼球面。在球极投影下,扩充复平面与球面在拓扑上等价,无穷远点不再是一个特殊的例外。
第三节 平面点集与平面曲线
邻域与距离
C 中两点 z1,z2 的距离为 ∣z1−z2∣。以 z0 为中心、δ>0 为半径的邻域与去心邻域分别为
U(z0,δ)={z∈C:∣z−z0∣<δ},U∘(z0,δ)={z:0<∣z−z0∣<δ}.
点与点集的关系
设 E⊆C,z0∈C。关于 E:
- 内点:若存在 δ>0 使 U(z0,δ)⊆E,则 z0 是 E 的内点;E 的全体内点记作 E∘。
- 外点:若存在 δ>0 使 U(z0,δ)∩E=∅,则 z0 是 E 的外点。
- 边界点:若对任意 δ>0,U(z0,δ) 中既含 E 的点又含非 E 的点,则 z0 是 E 的边界点;全体边界点记作 ∂E。
- 聚点:若对任意 δ>0 都有 U∘(z0,δ)∩E=∅,则 z0 是 E 的聚点;全体聚点称为 E 的导集,记作 E′。
- 孤立点:若 z0∈E 且存在 δ>0 使 U(z0,δ)∩E={z0},则 z0 是 E 的孤立点。孤立点必属于 E,是边界点但不是聚点。
闭包 Eˉ=E∪E′,且 E∘⊆E⊆Eˉ。
开集、闭集与区域
- 开集:E 中每一点都是内点,即 E=E∘;
- 闭集:E 包含其全部聚点,即 E′⊆E;等价地 C∖E 为开集,或 E=Eˉ;
- 区域(开域):连通的开集,其中连通指 E 中任意两点可用完全含于 E 内的折线连接;
- 闭域:区域连同其边界,即 D∪∂D;
- 有界集:存在 M>0 使 E⊆U(0,M)。
例:
- ∣z∣<1 是区域、有界开集,其边界 ∂E 为单位圆周;
- ∣z∣≤1 是闭域、有界闭集;
- Imz>0 是上半平面,为无界区域;
- 环形域 r<∣z−z0∣<R 是区域,且为多连通区域。
平面曲线
连续曲线:设
z(t)=x(t)+iy(t),t∈[α,β],
其中 x(t),y(t) 是 [α,β] 上的连续函数,则点集 C={z(t):t∈[α,β]} 称为连续曲线,z(α) 与 z(β) 称为曲线的端点。
简单曲线(若尔当曲线):若连续曲线 z(t) 满足:当 t1=t2(端点除外)时 z(t1)=z(t2),即曲线自身不相交,则称其为简单曲线;若进一步有 z(α)=z(β),则称为简单闭曲线。
光滑曲线:若 x(t),y(t) 在 [α,β] 上有连续导数,且
z′(t)=x′(t)+iy′(t)=0(α≤t≤β),
则称 C 为光滑曲线。此时曲线上每一点都有切线,且切线方向随参数连续变化;向量 z′(t) 即为该点处的切向量,argz′(t) 为切线方向。
逐段光滑曲线:由有限条光滑曲线首尾相接而成的曲线称为逐段光滑曲线(分段光滑曲线),在连接点处允许出现角点。复变函数的积分与留数所讨论的曲线通常都要求逐段光滑。
[!note] 若尔当定理
任一简单闭曲线 C 把复平面分成两个区域:有界的内部与无界的外部,C 是它们的公共边界。
图 5 简单闭曲线 C 的内部与外部(箭头为逆时针正方向)
曲线与区域在复平面上的方程
利用 x=2z+zˉ,y=2iz−zˉ 以及 ∣z−z0∣2=(z−z0)(zˉ−zˉ0),可把直角坐标下的方程改写成复数形式。
1. 直线(一般式):Ax+By+C=0 (A,B,C∈R) 化为
bzˉ+bˉz+C=0,b=A+iB∈C, C∈R.
推导:代入 x=2z+zˉ、y=2iz−zˉ,得 2A−iBz+2A+iBzˉ+C=0,即 bzˉ+bˉz+C=0。
例:直线 x+y−1=0 的复数形式为 b=1+i,即
(1+i)zˉ+(1−i)z−1=0.
2. 圆:以 z0 为圆心、R 为半径的圆可表示为
∣z−z0∣=R ⟺ (z−z0)(zˉ−zˉ0)=R2 ⟺ zzˉ−zˉ0z−z0zˉ+∣z0∣2−R2=0.
3. 直线的参数方程:(xy)=(x0y0)+t(ab) 对应
z=z0+tw,w=a+ib, t∈R,
其中 z0=x0+iy0 是直线上已知点,w 是方向向量对应的复数。
4. 圆的参数方程:{x=x0+Rcosty=y0+Rsint 对应
z=z0+Reit(0≤t≤2π).
5. 其他常用曲线与区域:
- 线段 z1z2:z=z1+t(z2−z1),0≤t≤1;
- 以 z0 为起点、方向为 w 的射线:z=z0+tw,t≥0;
- 椭圆:z=z0+acost+ibsint,0≤t≤2π;
- 上半平面:Imz>0;右半平面:Rez>0。
各方程的对应关系汇总如下:
| 图形 | 直角坐标方程 | 复数方程 |
|---|
| 直线 | Ax+By+C=0 | bzˉ+bˉz+C=0,b=A+iB |
| 圆 | (x−x0)2+(y−y0)2=R2 | ∣z−z0∣=R |
| 直线(参数式) | (yx)=(y0x0)+t(ba) | z=z0+tw,w=a+ib |
| 圆(参数式) | x=x0+Rcost, y=y0+Rsint | z=z0+Reit |
第四节 复变函数
复变函数的定义
设 G⊆C。若对每个 z∈G,按一定法则 f 都有确定的复数 w 与之对应,则称 f 是定义在 G 上的复变函数,记作
w=f(z),z∈G,
G 称为 f 的定义域。若每个 z 只对应一个 w,称 f 为单值函数;若对应多个 w,则称为多值函数(如 Argz、nz)。以下如无特别说明均指单值函数。
像集与原像集
设 f:G→C,E⊆G,W⊆C。
f(E)={w∈C:w=f(z), z∈E},
特别地 f(G) 称为 f 的值域。
f−1(W)={z∈G:f(z)∈W}.
单射、满射与反函数:
- 若 z1=z2⇒f(z1)=f(z2),则称 f 为单射(一一映射);
- 若 f(G)=C,则称 f 为满射;
- 既单射又满射的映射称为双射,此时存在反函数 f−1:f(G)→G。
例:设 f(z)=z2。
- 单位圆周 E={z:∣z∣=1} 的像为 f(E)={w:∣w∣=1},单位圆盘 ∣z∣<1 的像为 ∣w∣<1;
- 对 W={w:Imw=0},由 Im(z2)=2xy 得原像
f−1(W)={z:xy=0},
即实轴与虚轴的并集。
分量表示
设 z=x+iy,w=f(z),则
w=f(z)=u(x,y)+iv(x,y),
其中
u(x,y)=Ref(z),v(x,y)=Imf(z)
是两个二元实值函数。于是一个复变函数等价于一对二元实函数 u,v,可写成实映射的形式
(x,y) ⟼ (u(x,y), v(x,y)).
反之,任意给定一对二元实函数 u(x,y),v(x,y),就确定了一个复变函数 f=u+iv。
例:对 f(z)=z2,由
(x+iy)2=(x2−y2)+2ixy
得
u(x,y)=x2−y2,v(x,y)=2xy.
几何意义:w=f(z) 把 z 平面上的点、曲线或区域按法则 f 变换到 w 平面上。z 平面称为原像平面,w 平面称为像平面。
几种常见的复变函数变换
1. 平移:w=z+b,把每一点沿向量 b 平移。
2. 旋转与伸缩:w=az (a=0)。设 a=ρeiφ,则 ∣w∣=ρ∣z∣,argw=argz+φ,即把图形伸缩 ρ 倍并旋转 φ。
3. 倒置换(反演):w=z1 (z=0)。其分量表示为
w=z1=∣z∣2zˉ=x2+y2x−ix2+y2y,
即
u=x2+y2x,v=−x2+y2y.
性质:
- 把单位圆周 ∣z∣=1 映为自身,并把单位圆内部 ∣z∣<1 与外部 ∣z∣>1 互换;
- 具有保圆性:把圆周或直线映为圆周或直线;特别地,过原点的直线映为过原点的直线,不过原点的直线映为过原点的圆;
- w=zˉ1 表示关于单位圆的对称(反演),与 w=z1 相差一个共轭。
4. 茹科夫斯基函数(Joukowski 函数):
w=21(z+z1)(z=0).
取 z=reiθ,则
w=21(reiθ+r1e−iθ)=21(r+r1)cosθ+2i(r−r1)sinθ.
性质:
- 把圆周 ∣z∣=r 映为椭圆,其半轴分别为 21(r+r1) 与 21r−r1;
- 由于 z 与 1/z 给出同一像,圆周 ∣z∣=r 与 ∣z∣=1/r 映为同一个椭圆;
- 当 r=1 时椭圆退化为实轴上的线段 [−1,1],且被往返覆盖两次;
- 把 ∣z∣>1 的外部单叶地映为 w 平面去掉线段 [−1,1] 的区域;
- 在空气动力学中,用它把接近圆的轮廓映为机翼截面(茹科夫斯基翼型),是共形映射的经典例子。
图 6 茹科夫斯基函数:圆周 ∣z∣=r 映为椭圆,∣z∣=1 映为线段 [−1,1]
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