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复变函数:复数&复球面

复数的表示#

  1. 用实部和虚部:
    z=x+yi,Rez=x,Imz=yz=x+yi,Re_z=x,Im_z=y

  2. 极坐标形式:

    z=x+yi=r(cos⁡θ+i⋅sin⁡θ)其中{x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θr=∣z∣ z=x+yi=r(\cos\theta+i\cdot\sin\theta)\\[5bp] \text{其中} \left\{ \begin{matrix} x=r\cos\theta,y=r\sin\theta\\[5bp]r=|z|\end{matrix}\right.\\[5bp]

    θ\theta定义为z的辐角,记作 θ=Argz\theta = Argz

  3. 用欧拉公式:

    eiθ=cos⁡θ+isin⁡θ这也是|z|=1时极坐标的形式∴z=x+yi=r(cos⁡θ+i⋅sin⁡θ)=reiθz=reiθ e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta\\[5bp] \text{这也是|z|=1时极坐标的形式}\\[5bp] \therefore z=x+yi=r(\cos\theta+i\cdot\sin\theta)=re^{i\theta}\\[5bp] z=re^{i\theta}\\

    简单推导一下欧拉公式:(用x替代θ\theta,懒)

    eix=1+ix+(ix)22!+(ix)33!+(ix)44!+(ix)55!+(ix)66!...=(1−x22!+x44!−x66!...)偶交错是cos展开+i(x−x33!+x55!−...)奇交错是sin展开=cos⁡x+isin⁡x \begin{aligned} e^{ix}&=1+ix+\frac{(ix)^2}{2!}+\frac{(ix)^3}{3!}+\frac{(ix)^4}{4!}+\frac{(ix)^5}{5!}+\frac{(ix)^6}{6!}...\\[10bp] &=\underset{\text{偶交错是cos展开}}{\underset{}{(1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}...)}}+\underset{\text{奇交错是sin展开}}{\underset{}{i(x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-...)}}\\[15bp] &=\cos x+i\sin x \end{aligned}
  4. 共轭复数

    就是把θ 变成-θ\text{就是把$\theta$ 变成-$\theta$}

复数的运算#

  1. 实部虚部四则运算

  2. 极坐标形式的运算(处理乘除方便)

    • z1⋅z2=r1r2(cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2))z_1\cdot z_2=r_1r_2(\cos(\theta_1 +\theta_2)+i\sin(\theta_1+\theta_2))

    • z1z2=r1r2(cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2))\frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}(\cos(\theta_1 -\theta_2)+i\sin(\theta_1-\theta_2))

    • 棣莫弗定理:zn=rn(cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ))z^{n}=r^{n}(\cos(n\theta)+i\sin (n\theta))

    • 这个定理还可以定义复数的开根:给定z=reiθ,θ=arg⁡zz=re^{i\theta},\theta=\arg z,如果∃w=ρeiϕ,wn=z\exist w=\rho e^{i\phi},w^n=z则称ww是zz的n次方根,ϕ=θ+2kπn,k=0,1,2,3...n−1,ρ=rn\phi=\frac{\theta+2k\pi}{n},k=0,1,2,3...n-1,\rho=\sqrt[n]{r}。注意,开根函数是多值函数,值的个数=开根次数n,实数在复数域下开根也能开出来多值。

  3. 欧拉公式

    • z1⋅z2=r1r2ei(θ1+θ2)z_1\cdot z_2=r_1r_2e^{i(\theta_1+\theta_2)}
  4. 共轭复数及其运算:

    • z‾⋅z=∣z∣2\overline{z}\cdot z=|z|^{2}

    • z‾1⋅z‾2=z1⋅z2‾\overline{z}_1\cdot \overline{z}_2=\overline{z_1\cdot z_2}(用欧拉公式证)

    • z‾1z2‾=z1z2‾\frac{\overline{z}_1}{\overline{z_2}}=\overline{\frac{z_1}{z_2}}(用欧拉公式证)

例题1:求i3\sqrt[3]{i}

solution
θ=π/2+2kπi3=ei(π6+2kπ3),k=0,1,2∴i3=eiπ6orei5π6orei3π2\theta=\pi/2+2k\pi\\ \sqrt[3]{i}=e^{i(\frac{\pi}{6}+\frac{2k\pi}{3})},k=0,1,2\\ \therefore \sqrt[3]{i}=e^{i\frac{\pi}{6}} or e^{i\frac{5\pi}{6}} or e^{i\frac{3\pi}{2}}

例题2:求13\sqrt[3]{1}(在复数域上)

solutiion
θ=2kπ13=ei2kπ3,k=0,1,2∴13=1orei2π3orei4π3\theta=2k\pi\\ \sqrt[3]{1}=e^{i\frac{2k\pi}{3}},k=0,1,2\\ \therefore \sqrt[3]{1}=1 or e^{i\frac{2\pi}{3}} or e^{i\frac{4\pi}{3}}

复球面与扩充复平面#

(有限)复平面#

直角坐标系中,复数实部虚部对应实轴虚轴形成的平面就是复平面,记作CC。当然,也可以用极坐标表示。 复数的幅角:以x轴正半轴为始边,以向量为终边。

z=x+yi⇔OP⃗=(x,y)tan⁡(Argz)=yx=θ=θ+2kπ(−π<θ≤π,z≠0,k=0,1,2...)满足−π<Argz<π 的辐角为主辐角,记作arg⁡z辐角逆时针为正,顺时针为负z=x+yi\Leftrightarrow\vec{OP}=(x,y)\\[5bp] \tan(Argz)=\frac{y}{x}=\theta=\theta +2k\pi(-\pi<\theta\leq\pi ,z\neq 0 ,k=0,1,2...)\\[5bp] \text{满足$-\pi<Argz<\pi$ 的辐角为主辐角,记作}\arg z\\ \text{辐角逆时针为正,顺时针为负}
  • θ\theta区间长度2π2\pi,且满足区间端点一开一闭。

复数的辐角函数:

arg(z)={arctan⁡yxx>0,y∈Rπ2x=0,y>0−π2x=0,y<0arctan⁡yx−πx<0,y<0πx<0,y=0arctan⁡yx+πx<0,y>0undefinedx=0,y=0arg(z)=\left\{\begin{matrix} \arctan\frac{y}{x} & x>0,y\in\R\\[5bp] \frac{\pi}{2} & x=0,y>0\\[5bp] -\frac{\pi}{2} & x=0,y<0\\[5bp] \arctan\frac{y}{x}-\pi & x<0,y<0\\[5bp] \pi x<0,y=0\\[5bp] \arctan\frac{y}{x}+\pi & x<0,y>0\\[5bp] undefined & x=0,y=0 \end{matrix}\right.

复数的辐角函数是多值函数,辐角函数通常在复数的负实轴上具有不连续性。因为辐角函数的定义涉及到从 −π-\pi到π\pi的区间,在复平面的负实轴(x<0,y=0)(x < 0, y = 0)处,辐角函数会发生跳跃。辐角函数在整个复平面上是非解析的。特别是,它在复平面的负实轴上具有分支点,因此必须使用分支切割来使其成为一个良定义的单值函数。

在复平面内,复数的乘法有几何意义:

z1⋅z2将z1逆时针(Argz2>0)转θ2度,然后缩放∣z2∣倍z_1\cdot z_2\text{将$z_1$逆时针($Argz_2>0$)转$\theta_2$度,然后缩放$|z_2|$倍}

为什么复数有旋转缩放的能力呢?这不禁让人联想到旋转矩阵的作用。事实上,复数也有复数的矩阵表示 对于一个复数z,乘一次虚数单位ii相当于逆时针转了90度

(a+bi)i=−b+ai⇔[????]⋅[ab]=[−ba]显然,这个?矩阵是[0−110]记作J,不难发现J2=−E注意到,一般的旋转矩阵R(θ)=[cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]这正好是θ=π/2的情况!J↔ia+bi↔aE+bJ=a[1001]+b[0−110]=[a−bba]\begin{align*} (a+bi)i =-b+ai &\Leftrightarrow\begin{bmatrix}?&?\\?&?\end{bmatrix}\cdot \begin{bmatrix}a\\b\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}-b\\a\end{bmatrix}\\[15bp] \text{显然,这个?矩阵是} &\begin{bmatrix} 0&-1\\1&0 \end{bmatrix}\\[10bp]\text{记作$J$,不难发现$J^2=-E$}\\[10bp] \text{注意到,一般的旋转矩阵}R(\theta)&=\begin{bmatrix} \cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta \end{bmatrix}\\[10bp]\text{这正好是$\theta=\pi/2$的情况!}\\ J&\leftrightarrow i\\ a+bi&\leftrightarrow aE+bJ\\[10bp] &=a\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}+b\begin{bmatrix}0&-1\\1&0\end{bmatrix}\\[10bp] &=\begin{bmatrix} a&-b\\b&a \end{bmatrix} \end{align*}

复数的矩阵形式有如下性质:

  • 矩阵的转置↔\leftrightarrow共轭复数(交换副对角线,b变号)
  • 矩阵的模=复数模的平方 ∣J∣|J|=∣z∣2|z|^2

继续往下探索还能和四元数结合在一起,这里就不过多赘述。

复球面#

首先定义一个特殊的复数,记作∞\infin,读作无穷大(复数无法比大小,不存在正负无穷大)满足 ∞=10\infin=\frac{1}0{}

  • 无穷大的模∣∞∣=∞|\infin|=\infty,而无穷大的实部、虚部和辐角均没有意义
  • 类比于实数的无穷大,对于复数的无穷大满足 ∞±z=∞(z≠∞)∞⋅z=∞(z≠0)∞z=∞;z∞=0(z≠∞)\infin\pm z=\infin(z\neq\infin)\\ \infin\cdot z=\infin(z\neq0)\\[5bp] \frac{\infin}{z}=\infin;\frac{z}{\infin}=0(z\neq\infin)\\

在复平面上不存在这样一个点对应复数无穷大,或者说只存在理想的无穷远点对应复数无穷大。因此引入复球面:球的南极与复平面坐标原点重合,北极在z轴上(xyz为右手系)。

复球面和复平面有这样的对应关系:

  • 复平面上的任一点与球北极的连线交球表面于一点
  • 复球面上除北极以外的点和复平面上的点一一对应,北极对应了复平面上的理想的无穷远点

扩充复平面#

包含无穷远点在内的复平面称为扩充复平面。记作C∪{∞}C\cup{\{\infin}\}

复变函数:复数&复球面
https://biscuit0613.github.io/posts/math/cmplxfunc_complexplane/
作者
biscuit
发布于
2025-08-17
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
复变函数:极限与连续
复变函数:点集与区域