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复变函数:点集与区域

复平面上的点集与区域

点集#

邻域#

z0C,δ(0,)z_0\in C,\delta\in (0,\infin),点集 {zzz0<δ,zC}\{z||z-z_0|<\delta,z\in C\}称为 z0z_0 的邻域,记作 U(z0,δ)U(z_0,\delta)

去心邻域{z0<zz0<δ,zC}\{z|0<|z-z_0|<\delta,z\in C\}称为 z0z_0去心邻域,记作 Uo(z0,δ)U^o(z_0,\delta)

内点和外点#

内点:点集 DCD\subset C,如果 z0Dδ>0z_0\in D,\exist\delta>0,使得 U(z0,δ)DU(z_0,\delta)\subset D,则称 z0z_0DD内点

外点:如果 z0Dδ>0z_0\notin D,\exist\delta>0,使得 U(z0,δ)DU(z_0,\delta)\subsetneq D,则称 z0z_0DD外点

边界#

边界点:如果 δ>0,U(z0,δ)D,U(z0,δ)(CD)\forall\delta>0,U(z_0,\delta)\cap D\neq\emptyset,U(z_0,\delta)\cap (C- D)\neq\emptyset,就称 z0z_0DD边界点。(人话:z0z_0 的邻域有一部分在 DD 中有一部分不在)

边界:D所有边界点的集合,记作 D\partial D

  • 注意:D\partial D 不一定属于 DD

  • 对于一个点集(非空),可能所有点都是内点(e.g.任意开集),可能所有点都是边界(e.g.曲线,圆周等线,离散的点形成的点集),但不可能所有点都是外点。

开集与闭集#

开集: 如果 GG 的每个点都是内点,则称 GG开集

  • 开集的边界点一定不属于这个开集

闭集 : 如果 GG 的边界点全部都属于 GG , 则称 GG闭集

有界集与无界集#

若存在 δ>0\delta > 0 ,使得点集 GG 包含在原点的 δ\delta 邻域内,即 δ>0,GU(0,δ)\exist\delta>0,G\subset U(0,\delta),则 GG 称为有界集 ,否则称为非有界集或无界集

  • 典型的无界集:扩充复平面中复数无穷大\infty的邻域:R>0,{zz>R,zC{}}\forall R>0,\{z||z|>R,z\in C\cup\{\infty\}\}

区域#

区域与闭区域#

区域:设 DD 为点集,若 DD 是开集,且是连通的,则称 DD区域

  • 区域的连通性:DD 中任意两个有限点可以用包含于 DD 的折线连接
  • 区域就是联通的开集

闭区域:区域 DD 与它的边界一起构成闭区域闭域, 记作 D\overline{D}

  • 注意:区域或开区域一定会包含内点,所以曲线,离散点(所有点都是边界点)不能算做区域

曲线#

连续曲线,简单曲线#

连续曲线:设 x(t),y(t)x(t),y(t) 是关于实变量 tt 的两个函数,且 x(t),y(t)x(t),y(t) 在区间 [a,b][a,b] 连续,则由 x(t),y(t)x(t),y(t) 决定的复数方程:

z=x(t)+iy(t)t[a,b]z=x(t)+i\cdot y(t), t\in[a,b]

所决定的点集 LL, 称为复平面上的连续曲线,这个方程称为曲线的参数方程。

简单曲线: 对满足 a<t1<b,a<t2<b,t1t2,z(t1)=z(t2)a <t_1 <b,a<t_2 <b,t_1\neq t_2,z(t_1) = z(t_2)成立时, 点 z(t1)z(t_1)称为曲线 LL重点; 无重点连续曲线称为简单曲线;满足 z(a)=z(b)z(a) = z(b)简单曲线称为简单闭曲线.

曲线{非简单曲线简单曲线:t1,t2[a,b],不同时取端点,z(t1)z(t2)简单闭曲线(若尔当曲线):端点相等,z(a)=z(b)\text{曲线}\left\{\begin{matrix} \begin{aligned} &\text{非简单曲线}\\[20bp] &\text{简单曲线}:\forall t_1,t_2\in [a,b], \text{不同时取端点},z(t_1)\neq z(t_2)\to \text{简单闭曲线(若尔当曲线):端点相等},z(a)=z(b) \\ \end{aligned} \end{matrix} \right.
  • 简单曲线一定连续且单射(不自交)

  • 简单闭曲线不自交,但要求端点处相等。

  • 简单闭曲线可以将复平面分割成三个互不相交的部分

  • 若尔当定理:任意一个若尔当闭曲线都可以将复平面分成两个没有公共点的区域,内部有界称为内区域,外部无界称为外区域,均以闭曲线为边界。

由此引出单连通复连通的概念:对于任意一个区域 DD, 如果 DD 中任意一条简单闭曲线内的区域均属于 DD, 那么 DD 称为单连通区域,否则复连通。

光滑曲线#

光滑曲线:设简单曲线 LL 的参数方程:

z=x(t)+iy(t)t[a,b]z=x(t)+i\cdot y(t) ,t\in[a,b]

如果有

z(t)=x(t)+iy(t)0,t[a,b]z^\prime(t)=x^\prime(t)+i\cdot y^\prime(t)\neq0,\forall t\in[a,b]

则称 LL光滑曲线

光滑曲线对实部虚部函数分析学性质要求:

  1. 连续性:t[a,b],x(t),y(t)\forall t\in[a,b], x(t),y(t)连续,保证曲线无断点。

  2. 可导性:t(a,b),x,y\forall t \in (a,b),x^\prime,y^\prime存在保证曲线局部切线存在。

  3. 导数不同时为零:保证曲线无停点、尖点或折线段。

光滑曲线和连续曲线,简单曲线的辨析:

  • 光滑曲线是可导连续曲线
  • 光滑曲线光滑性只约束导数非零和可导性,并不限制曲线是否自交。因此光滑曲线不一定是简单曲线(光滑曲线可以自交),但简单曲线如果可导则一定是光滑曲线
复变函数:点集与区域
https://biscuit0613.github.io/posts/complexfunction/cmplxfunc_pointsregions/
作者
biscuit
发布于
2025-08-17
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0