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,
ex⋅ey=ex+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+iy,称函数f(z)=ex(cosy+isiny)为复变数z的指数函数,记作expz
根据欧拉公式
eix=cosx+isinx有
ez=ex+iy=ex⋅eiy=ex(cosy+isiny)TIP如果对z进行任意分解,z=z1+z2,zj=xj+iyj
ez=ez1+z2=ex1+x2(cos(y1+y2)+isin(y1+y2))=ex1+x2(cosy1cosy2−siny1siny2+i(siny1cosy2−cosy1siny2))=ex1+x2(cosy1+isiny1)(cosy2+isiny2)=ez1⋅ez2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#
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∀z∈C,ez=0
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ez在整个复平面C上解析且在C上无穷次可导,导数不变dzdez=ez
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满足同态式ez1+z2=ez1⋅ez2
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ez是以2kπi为周期的周期函数
- e2kπi=1
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辐角函数arg(ez)=y+2kπ
对数函数#
对数函数定义#
∀z=0,满足方程eω=z的函数ω=f(z)称为复变数z的对数函数,记作ω=Lnz
令ω=u+iv
z=eu+iv=eu⋅eiv⇔∣z∣=eu;Argz=v∴Lnz=ln∣z∣+iArgz由于Argz是多值函数,Lnz也是多值函数,每两个值相差2kπ的整数倍
对数函数的主值#
z的辐角取主值argz时Lnz的取值称为Lnz 的主值。记作:
lnz=ln∣z∣+iargz其余值称为分支
- 复变函数中,负数可以取对数
- 当z=x>0时,lnz=ln∣z∣+iargz=lnx;Lnz=lnz+2kπ=lnx+2kπ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#
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运算性质:
lnz1z2=lnz1+lnz2lnz2z1=lnz1−lnz2但是 lnzn=nlnz不再成立
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连续性(对于主值,辐角(−π,π],对于每一个支,辐角(−π+2kπ,π+2kπ])
lnz=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)
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解析性(对于主值,辐角(−π,π],对于每一个支,辐角(−π+2kπ,π+2kπ])
lnz=ln∣z∣+iargz,ω=lnz是ez的反函数,结合反函数求导法则,lnz去除原点和负实轴的平面内解析,且
dzd Lnz=dzdlnz=dωdeω1=eω1=z1
幂函数#
复数的幂乘#
类比实数
ab=eblna在复数里规定幂乘:
ab=eb Lna=eb[ln∣a∣+i(arga+2kπ)]=ebln∣a∣+ibarga+ib2kπ=eblnaeib2kπ当b为任意整数时,b2kπ为2kπ的整数倍,ab为单值。
当b=qp (p,q互质)时,k可以取0,1,2,3,...q−1,ab总共有q个取值。
对于其他情况,有无穷多值。
e.g.求ii
ii=ei Lni=ei[ln∣i∣+i(argi+2kπ)]=e−(π/2+2kπ)]幂函数的定义#
形如zb=eb Lnz,z=0,b为任意复常数的函数称为幂函数
zb=eb Lnz=eb(ln∣z∣+i(argz+2kπ))=ebln∣z∣⋅[cosb(argz+2kπ)+icosb(argz+2kπ)]当 Argz=argz∈(−π,π] 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#
- 四则运算类比指数函数
- 连续性和解析性:幂函数是由 eω (处处解析)和 ω=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
- 求导:
(zb)′=(eb Lnz)′=(eb Lnz)⋅b⋅z1=zb⋅b⋅z1=bzb−1
三角函数#
复数三角函数的定义#
由欧拉公式:
{eiθ=cosθ+isinθe−iθ=cosθ−isinθ⇔⎩⎨⎧cosθ=2eiθ+e−iθsinθ=2ieiθ−e−iθ现将欧拉公式中的θ推广到复数:
对任意复数z
⎩⎨⎧cosz=2eiz+e−izsinz=2ieiz−e−iz称为z的正弦函数和余弦函数
复数三角函数的性质#
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cosz 和sinz 都是以2π为周期的函数
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cos(−z)=cosz;sin(−z)=−sinz
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cosz 和sinz 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
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cos2z+sin2z=1
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两角和差公式和实变函数完全一致
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∣cosz∣≤1,∣sinz∣≤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)和sin(x+iy)。
cosz类似地sinz=cos(x+iy)=cosxcosiy−sinxsiniy=cosx⋅2e−y+ey−sinx⋅2ie−y−ey=cosx⋅2ey+e−y+sinx⋅2ey−e−yi=cosx⋅chy−isinxshy=sinx⋅chy+icosxshy