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复变函数:初等函数

指数函数#

指数函数从实数集拓展到复数集的过程应满足同态,

exey=ex+ye^x\cdot e^y=e^{x+y}

寻找满足这条关系的,性质尽可能好的函数,作为“指数”这个概念合理的外延。

指数函数定义#

对于z=x+iyz=x+iy,称函数f(z)=ex(cosy+isiny)f(z)=e^x(\cos y+i\sin y)为复变数z的指数函数,记作expzexp z

根据欧拉公式

eix=cosx+isinxe^{ix}=\cos x+i\sin x

ez=ex+iy=exeiy=ex(cosy+isiny)e^z=e^{x+iy}=e^x\cdot e^{iy}=e^x(\cos y+i\sin y)
TIP

如果对z进行任意分解,z=z1+z2,zj=xj+iyjz=z_1+z_2,z_j=x_j+iy_j

ez=ez1+z2=ex1+x2(cos(y1+y2)+isin(y1+y2))=ex1+x2(cosy1cosy2siny1siny2+i(siny1cosy2cosy1siny2))=ex1+x2(cosy1+isiny1)(cosy2+isiny2)=ez1ez2\begin{align*} e^z=e^{z_1+z_2}&=e^{x_1+x_2}(\cos(y_1+y_2)+i\sin(y_1+y_2))\\ &=e^{x_1+x_2}(\cos y_1\cos y_2-\sin y_1\sin y_2+i(\sin y_1\cos y_2-\cos y_1\sin y_2))\\ &=e^{x_1+x_2}(\cos y_1+i\sin y_1)(\cos y_2+i\sin y_2)\\ &=e^{z_1}\cdot e^{z_2} \end{align*}

显然这个定义满足指数运算的同态。

  • 这里的z不再具有实函数中“幂”的意义,只作为expz的简写

指数函数的性质#

  1. zC,ez0\forall z\in C,e^z\neq 0

  2. eze^z在整个复平面CC解析且在CC上无穷次可导,导数不变dezdz=ez\frac{de^z}{dz}=e^z

  3. 满足同态式ez1+z2=ez1ez2e^{z_1+z_2}=e^{z_1}\cdot e^{z_2}

  4. eze^z是以2kπi2k\pi i为周期的周期函数

    • e2kπi=1e^{2k\pi i}=1
  5. 辐角函数arg(ez)=y+2kπarg(e^z)=y+2k\pi

对数函数#

对数函数定义#

z0\forall z\neq 0,满足方程eω=ze^\omega =z的函数ω=f(z)\omega=f(z)称为复变数z的对数函数,记作ω=Lnz\omega=Ln z

ω=u+iv\omega=u+iv

z=eu+iv=eueivz=eu;Argz=vLnz=lnz+iArgzz=e^{u+iv}=e^u\cdot e^{iv}\\ \Leftrightarrow|z|=e^u;Argz= v\\ \therefore Ln z=\ln|z|+iArgz

由于ArgzArgz是多值函数,LnzLn z也是多值函数,每两个值相差2kπ2k\pi的整数倍

对数函数的主值#

zz的辐角取主值argzargzLnzLn z的取值称为LnzLn z主值。记作:

lnz=lnz+iargz\ln z=\ln|z|+iargz

其余值称为分支

  • 复变函数中,负数可以取对数
  • z=x>0z=x>0时,lnz=lnz+iargz=lnxLnz=lnz+2kπ=lnx+2kπ\ln z=\ln |z|+iargz=\ln x;\\Ln z=\ln z+2k\pi=\ln x+2k\pi回到了正实数的对数函数。发现正实数的对数函数也是无穷多值的。

对数函数的性质#

  1. 运算性质:

    lnz1z2=lnz1+lnz2lnz1z2=lnz1lnz2但是 lnzn=nlnz不再成立 \ln z_1z_2=\ln z_1+\ln z_2\\[5bp] \ln {\frac{z_1}{z_2}}=\ln z_1-\ln z_2\\[5bp] \text{但是 $\ln z^n=n\ln z$不再成立}
  2. 连续性(对于主值,辐角(π,π](-\pi,\pi],对于每一个支,辐角(π+2kπ,π+2kπ](-\pi+2k\pi,\pi+2k\pi]lnz=lnz+iargz\ln z=\ln|z|+iargz,在去除原点和负实轴的平面内连续(对数函数的连续性取决于辐角函数)

  3. 解析性(对于主值,辐角(π,π](-\pi,\pi],对于每一个支,辐角(π+2kπ,π+2kπ](-\pi+2k\pi,\pi+2k\pi]lnz=lnz+iargz\ln z=\ln|z|+iargzω=lnz\omega=\ln zeze^z的反函数,结合反函数求导法则,lnz\ln z去除原点和负实轴的平面内解析,且

    d Lnzdz=dlnzdz=1deωdω=1eω=1z\frac{d\ Ln z}{dz}=\frac{d\ln z}{dz}=\frac{1}{\frac{de^\omega}{d\omega}}=\frac{1}{e^\omega}=\frac{1}{z}
  • 2,3对于其分支亦成立。

幂函数#

复数的幂乘#

类比实数

ab=eblnaa^b=e^{b\ln a}

在复数里规定幂乘:

ab=eb Lna=eb[lna+i(arga+2kπ)]=eblna+ibarga+ib2kπ=eblnaeib2kπ\begin{align*} a^b=e^{b\ Ln a}&=e^{b[\ln|a|+i(\arg a+2k\pi )]}\\[5bp] &=e^{b\ln|a|+ib\arg a+ib2k\pi}\\[5bp] &=e^{b\ln a}e^{ib2k\pi} \end{align*}

当b为任意整数时,b2kπb2k\pi2kπ2k\pi的整数倍,aba^b为单值。

b=pq (p,qb=\frac{p}{q}\ (p,q互质)时,kk可以取0,1,2,3,...q1,ab0,1,2,3,...q-1,a^b总共有qq个取值。

对于其他情况,有无穷多值。

e.g.求iii^i

ii=ei Lni=ei[lni+i(argi+2kπ)]=e(π/2+2kπ)]i^i=e^{i\ Lni}=e^{i[\ln|i|+i(\arg i+2k\pi )]}\\ =e^{-(\pi /2+2k\pi )]}\\

幂函数的定义#

形如zb=eb Lnz,z0,bz^b=e^{b\ Ln z},z\neq0,b为任意复常数的函数称为幂函数

zb=eb Lnz=eb(lnz+i(argz+2kπ))=eblnz[cosb(argz+2kπ)+icosb(argz+2kπ)]z^b=e^{b\ Ln z}=e^{b(\ln |z|+i(\arg z+2k\pi))}\\[5bp] =e^{b\ln|z|}\cdot [\cos b(\arg z+2k\pi)+i\cos b(\arg z+2k\pi)]

Argz=argz(π,π]Argz=\arg z\in(-\pi,\pi] 时,类比对数函数,得到主值幂函数,其余值成为分支

幂函数的性质#

  1. 四则运算类比指数函数
  2. 连续性和解析性:幂函数是由 eωe^\omega (处处解析)和 ω=b Lnz\omega=b\ Lnz(去掉原点和负实轴解析)复合而成。所以幂函数在去掉原点和负实轴的平面内连续且解析
  3. 求导: (zb)=(eb Lnz)=(eb Lnz)b1z=zbb1z=bzb1\begin{align*} (z^b)^\prime&= (e^{b\ Lnz})^\prime\\ &=(e^{b\ Lnz})\cdot b\cdot\frac{1}{z}\\ &=z^b\cdot b\cdot \frac{1}{z}\\ &=bz^{b-1} \end{align*}

三角函数#

复数三角函数的定义#

由欧拉公式:

{eiθ=cosθ+isinθeiθ=cosθisinθ{cosθ=eiθ+eiθ2sinθ=eiθeiθ2i\begin{align*} \left\{\begin{matrix} \begin{align*} e^{i\theta}=\cos \theta+i\sin \theta\\ e^{-i\theta}=\cos \theta-i\sin \theta \end{align*} \end{matrix} \right.\\ \Leftrightarrow \left\{\begin{matrix} \begin{align*} \cos\theta=\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\\[10bp] \sin\theta=\frac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i} \end{align*} \end{matrix} \right.\\ \end{align*}

现将欧拉公式中的θ\theta推广到复数: 对任意复数z

{cosz=eiz+eiz2sinz=eizeiz2i\left\{\begin{matrix} \begin{align*} \cos z=\frac{e^{iz}+e^{-iz}}{2}\\[10bp] \sin z=\frac{e^{iz}-e^{-iz}}{2i} \end{align*} \end{matrix} \right.\\

称为z的正弦函数和余弦函数

复数三角函数的性质#

  1. coszcos zsinzsinz 都是以2π2\pi为周期的函数

  2. cos(z)=cosz\cos(-z)=\cos zsin(z)=sinz\sin(-z)=-\sin z

  3. coszcos zsinzsinz 都是复平面内的解析函数(本质是指数函数相加减),且求导(用欧指数形式推导):

    (cosz)=sinz(sinz)=cosz\begin{align*} (\cos z)^\prime&=-\sin z\\ (\sin z)^\prime&= \cos z \end{align*}
  4. cos2z+sin2z=1\cos ^2z+\sin^2z=1

  5. 两角和差公式和实变函数完全一致

  6. cosz1|\cos z|\leq 1,sinz1|\sin z|\leq 1在复数域内不成立

双曲正弦和双曲余弦#

推导过程:展开cos(x+iy)\cos(x+iy)sin(x+iy)\sin(x+iy)

cosz=cos(x+iy)=cosxcosiysinxsiniy=cosxey+ey2sinxeyey2i=cosxey+ey2+sinxeyey2i=cosxchyisinxshy类似地sinz=sinxchy+icosxshy\begin{align*} \cos z&=\cos(x+iy)\\ &=\cos x\cos iy-\sin x\sin iy\\ &=\cos x\cdot \frac{e^{-y}+e^y}{2}-\sin x\cdot \frac{e^{-y}-e^y}{2i}\\ &=\cos x\cdot \frac{e^y+e^{-y}}{2}+\sin x\cdot \frac{e^y-e^{-y}}{2}i\\ &=\cos x\cdot \ch y-i\sin x\sh y\\ \text{类似地}\\ \sin z&=\sin x\cdot \ch y+ i\cos x\sh y \end{align*}\\

反三角函数#

复变函数:初等函数
https://biscuit0613.github.io/posts/complexfunction/cmplxfunc_basicfuncs/
作者
biscuit
发布于
2025-08-19
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0