通过对 R 上的初等函数进行原点处的 Taylor 展开,即 Maclaurin 展开,可以自然地将其推广到复数域 C,并以幂级数的形式存在
# 指数函数
定义
对于 z∈C,称
exp(z)=ez=n=0∑∞n!zn
为 复指数函数
根据 D'Alembert 判别法
∣∣∣∣∣(n+1)!zn+1/n!zn∣∣∣∣∣=n+1∣z∣→0(n→∞)
可知级数全域绝对收敛,确保定义域
指数函数具有如下基本性质
命题 指数函数基本性质
以下 z,w∈C, t∈R
- ez+w=ez⋅ew
- Re(eit)=cost,Im(eit)=sint
- ez=ez
- ∣eit∣=1
- ∣ez∣=eRez>0
- ez=ew⟺z=w+2kπi, k∈Z
证明
(1)
注意,对于两个绝对收敛的级数,有
n=0∑∞an⋅m=0∑∞bm=n=0∑∞(k=0∑nakbn−k)
所以
ez+w=n=0∑∞n!(z+w)n=n=0∑∞(k=0∑nk!zk⋅(n−k)!wn−k)=ez⋅ew
(2)
eit=n=0∑∞n!(it)n=n=0∑∞(−1)n(2n)!t2n+in=0∑∞(−1)n(2n+1)!t2n+1=cost+isint
(3)
只需证明 eit=e−it
eit=cost+isint=cost−isint=cos(−t)+isin(−t)=e−it
(4)
∣eit∣=cos2t+sin2t=1
(5)
令 z=x+iy
∣ez∣=∣ex+iy∣=∣ex∣⋅∣eiy∣=ex⋅1=eRez>0
(6)(⇒)
由 ez−w=eze−w=ewe−w=1 得
1=∣ez−w∣=eRe(z−w)⟹Re(z−w)=0
即 z−w=it, t∈R,对比 ez−w=1 的虚部得
0=Im(ez−w)=Im(eit)=sint⟹t=2kπ, k∈Z
(⇐)
令 z=w+2kπi, k∈Z,则
ez=ew+2kπi=ew⋅e2kπi=ew⋅1=ew
由此,任意复数可以转为极坐标形式
z=reiθ,r=∣z∣, θ=argz
命题
指数函数全纯,且
dzdez=ez
证明
绝对收敛确保逐项可微,所以
dzdez=dzdn=0∑∞n!zn=n=1∑∞n!nzn−1=n=0∑∞n!zn=ez
# 三角函数
定义
对于 z∈C,称
cosz=n=0∑∞(−1)n(2n)!z2n,sinz=n=0∑∞(−1)n(2n+1)!z2n+1
为 复三角函数
根据 D'Alembert 判别法
∣(−1)nz2n/(2n)!∣∣(−1)n+1z2n+2/(2n+2)!∣=(2n+2)(2n+1)∣z∣2→0(n→∞)
∣(−1)nz2n+1/(2n+1)!∣∣(−1)n+1z2n+3/(2n+3)!∣=(2n+3)(2n+2)∣z∣2→0(n→∞)
得到两级数全域绝对收敛
指数函数与三角函数之间可以转化
命题
z∈C
cosz=2eiz+e−iz,sinz=2ieiz−e−iz
证明
直接计算验证
2eiz+e−iz=21n=0∑∞n!(iz)n+(−iz)n=n=0∑∞(−1)n(2n)!z2n=cosz
2ieiz−e−iz=2i1n=0∑∞n!(iz)n−(−iz)n=n=0∑∞(−1)n(2n+1)!z2n+1=sinz
特别地,有以下著名的 Euler 公式:eiπ+1=0
定理 Euler 公式
对于 z∈C
eiz=cosz+isinz
证明
由上命题直接得出
eiz=2eiz+e−iz+2ieiz−e−iz⋅i=cosz+isinz
命题 三角函数基本性质
以下 z∈C
- cos2z+sin2z=1
- cos(−z)=cosz,sin(−z)=−sinz
- cos(z+w)=coszcosw−sinzsinw
- sin(z+w)=sinzcosw+coszsinw
- cos(z+2π)=cosz,sin(z+2π)=sinz
证明
(1)
cos2z+sin2z=(2eiz+e−iz)2+(2ieiz−e−iz)2=4e2iz+2+e−2iz+4−e2iz+2−e−2iz=1
(2)
cos(−z)=2e−iz+eiz=2eiz+e−iz=cosz,sin(−z)=2ie−iz−eiz=−2ieiz−e−iz=−sinz
(3)
cos(z+w)=2ei(z+w)+e−i(z+w)=2eizeiw+e−ize−iw=4(eiz+e−iz)(eiw+e−iw)−(eiz−e−iz)(eiw−e−iw)=coszcosw−sinzsinw
(4)
sin(z+w)=2iei(z+w)−e−i(z+w)=2ieizeiw−e−ize−iw=4i(eiz+e−iz)(eiw−e−iw)+(eiz−e−iz)(eiw+e−iw)=sinzcosw+coszsinw
(5)
cos(z+2π)=2ei(z+2π)+e−i(z+2π)=2eize2πi+e−ize−2πi=2eiz+e−iz=cosz
sin(z+2π)=2iei(z+2π)−e−i(z+2π)=2ieize2πi−e−ize−2πi=2ieiz−e−iz=sinz
命题
三角函数全纯且
dzdcosz=−sinz,dzdsinz=cosz
证明
绝对收敛确保逐项可微,所以
dzdcosz=dzdn=0∑∞(−1)n(2n)!z2n=n=1∑∞(−1)n(2n)!2nz2n−1=−n=0∑∞(−1)n(2n+1)!z2n+1=−sinz
dzdsinz=dzdn=0∑∞(−1)n(2n+1)!z2n+1=n=0∑∞(−1)n(2n+1)!(2n+1)z2n=n=0∑∞(−1)n(2n)!z2n=cosz
特别提醒:实数三角函数的取值范围只在 [−1,1] 之间,而复数三角函数的取值范围为整个复平面,并非有界
示例
- cos(it)=2e−t+et→∞(t→+∞)
- Im(sin(it))=2et−e−t→∞(t→+∞)
# 双曲函数
定义
对于 z∈C,称
coshz=n=0∑∞(2n)!z2n,sinhz=n=0∑∞(2n+1)!z2n+1
为 复双曲函数
根据 D'Alembert 判别法
∣z2n/(2n)!∣∣z2n+2/(2n+2)!∣=(2n+2)(2n+1)∣z∣2→0(n→∞)
∣z2n+1/(2n+1)!∣∣z2n+3/(2n+3)!∣=(2n+3)(2n+2)∣z∣2→0(n→∞)
得到两级数全域绝对收敛
同样,双曲函数可以转为指数函数
命题
z∈C
coshz=2ez+e−z,sinhz=2ez−e−z
证明
2ez+e−z=21n=0∑∞n!zn+(−z)n=n=0∑∞(2n)!z2n=coshz
2ez−e−z=21n=0∑∞n!zn−(−z)n=n=0∑∞(2n+1)!z2n+1=sinhz
双曲函数将继承指数函数的计算性质
命题 双曲函数基本性质
以下 z,w∈C
- cosh2z−sinh2z=1
- cosh(iz)=cosz,cos(iz)=icoshz
- sinh(iz)=isinz,sin(iz)=isinhz
- cosh(x+iy)=coshxcosy+isinhxsiny,x,y∈R
- sinh(x+iy)=sinhxcosy+icoshxsiny,x,y∈R
证明
(1)
cosh2z−sinh2z=(2ez+e−z)2−(2ez−e−z)2=4e2z+2+e−2z−4e2z−2+e−2z=1
(2)
cosh(iz)=2eiz+e−iz=cosz,cos(iz)=2ieiz−e−iz=i⋅2ez−e−z=isinhz
(3)
sinh(iz)=2eiz−e−iz=i⋅2ieiz−e−iz=isinz,sin(iz)=2ieiz−e−iz=i⋅2ez−e−z=isinhz
(4)
cosh(x+iy)=2ex+iy+e−(x+iy)=2exeiy+e−xe−iy=4(ex+e−x)(cosy+isiny)+(ex−e−x)(cosy−isiny)=coshxcosy+isinhxsiny
(5)
sinh(x+iy)=2ex+iy−e−(x+iy)=2exeiy−e−xe−iy=4(ex−e−x)(cosy+isiny)+(ex+e−x)(cosy−isiny)=sinhxcosy+icoshxsiny
命题
双曲函数全纯且
dzdsinhz=coshz,dzdcoshz=sinhz
证明
绝对收敛确保逐项可微,所以
dzdsinhz=dzdn=0∑∞(2n+1)!z2n+1=n=0∑∞(2n+1)!(2n+1)z2n=n=0∑∞(2n)!z2n=coshz
dzdcoshz=dzdn=0∑∞(2n)!z2n=n=1∑∞(2n)!2nz2n−1=n=0∑∞(2n+1)!z2n+1=sinhz
# 对数函数
以下为了区分,将实对数函数记为 lnx,复对数函数记为 logz
作为指数函数的反函数,通过取满足 ew=z 的 w 作为 logz,可以自然地定义对数函数
注意 z = |z| e^
定义
对于 z=0,称
logz=ln∣z∣+iargz
为 复对数函数
并且,称
Logz=ln∣z∣+iArg
为其 主值
注意:对数的运算法则
log(zw)=logz+logw
作为集合成立,但是不一定对主值 Log 成立
复对数函数并非如前几个初等函数一样依靠级数定义,所以其连续性和可微性都需要单独讨论
由于继承了偏角的多值性,在每次旋转到 2π 的位置,一定会发生一个 2π 的跳跃。这导致哪怕只考虑主值的 Log,在复平面上也并非是连续
不妨如下考虑这一点:取一点 x∈R⊂C
让偏角主值函数以两个不同的方向趋于 x
当从上方趋近时,由于主值的范围是 (−π,π],所以 Arg(x)=π
当从下方趋近时,Arg(x)=−π,所以
- Log(x+iϵ)=ln∣x∣+iArg(x+iϵ)→ln∣x∣+iπ(ϵ→0+)
- Log(x−iϵ)=ln∣x∣+iArg(x−iϵ)→ln∣x∣−iπ(ϵ→0+)
显然可以看出二者差了 2πi,所以 Log 在 x 处不连续
但是实际上,通过对定义域进行适当的限制(切割射线),可以使得对数函数连续且可微
令一个去除掉角度为 θ 的射线的区域为
Dθ={reiϕ∈C×∣r>0, θ<ϕ<θ+2π}
命题
logz 在 Dθ 上连续,可微,且
dzd(logz∣∣∣∣∣Dθ)=z1
证明
(连续性)
取 z0∈Dθ,令 θ0=argz0∈(θ,θ+2π), r0=∣z0∣
注意事实:实数三角函数的反函数在其定义域内连续
此时
cosθ0=r0Rez0,sinθ0=r0Imz0
所以
θ0=arccosr0Rez0=arcsinr0Imz0
即
arg∣∣∣∣∣Dθ(z)=continuousarccos∣z∣Rez→arccosr0Rez0=θ0(z→z0)
(可微性)
先证明以下引理:对于 w0∈C
Ew0(w):=⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧ew0w−w0ew−ew0w=w0w=w0
在 C 上连续,证明如下
w→w0limEw0(w)=w→w0limw−w0ew−ew0=dwdew∣∣∣∣∣w=w0=ew0=Ew0(w0)
根据此引理
接下来,取 f=log∣Dθ,则对于固定的 z0∈Dθ
hf(z0+h)−f(z0)=exp(f(z0+h))−exp(f(z0))f(z0+h)=Ef(z0)(f(z0+h))1
由于 f,Ef(z0) 均在各自定义域内连续,所以
Ef(z0)(f(z0+h))→Ef(z0)(f(z0))=ef(z0)=z0(h→0)
从而
f′(z0)=h→0limhf(z0+h)−f(z0)=h→0limEf(z0)(f(z0+h))1=z01
特别地,对于主值函数,定义域的限制可以放宽为 C∖(−∞,0],即去除负实轴
命题
Logz 在 C∖(−∞,0] 上连续,可微,且
dzd(Logz)=z1
证明
虽然对数函数本身不依靠级数定义,但其可微性给出级数展开可能性,规避掉负实轴
命题
Log(1+z)=n=1∑∞(−1)n−1nzn,z∈D(0,1)
证明
令 f(z)=n=1∑∞(−1)n−1nzn, z∈D(0,1),系数 an=n(−1)n−1,需证 Log(1+z)=f(z)
由于 f 在 D(0,1) 上可微,且微分系数由等比级数给出
f′(z)=n=1∑∞(−1)n−1zn−1=n=1∑∞(−z)n−1=1+z1
另一边,1+z 在 D(0,1) 可微,由链式法则也可以给出
dzd(Log(1+z))=1+z1
联合得到
dzd(Log(1+z)−f(z))=0,z∈D(0,1)
由于 D(0,1) 为领域,且微分系数恒为零,由正则性章节的结论得到
Log(1+z)−f(z)=C,z∈D(0,1)
取 z=0,得到 C=0,所以
Log(1+z)=f(z)=n=1∑∞(−1)n−1nzn,z∈D(0,1)
# 幂函数
幂函数有两种
- 底数为变量的幂函数 f(z)=za
- 指数为变量的幂函数 g(z)=az
在实数域上幂函数满足 xa=ealnx,借由已经定义的对数函数,可以推广如下
定义
对于 z∈C×, a∈C,称
za=ealogz
为 复幂函数
并且,称
eaLogz
为其主值
指数函数的多值性继承于对数函数
但是如果 a∈Z,则幂函数变为单纯的多项式,成为单值函数,这很好验证:
enlogz=en(ln∣z∣+iargz)=enln∣z∣⋅einargz=∣z∣n⋅ei(argz+2kπn)=∣z∣n⋅eiargz=zn,k∈Z
反过来也可以定义另外一个形式的幂函数
az=ezloga
虽然这个函数也是多值,但仅当 a=e,时,此函数成为单纯的指数函数,规定仅取主值,也就是说
ez=ezLoge
由于对数函数的可微性需要限制幅角的变化量不能超过 2π,所以幂函数可微性也依赖于相同的限制
命题
对于 a∈C,z∈Dθ
dzd(za∣∣∣∣∣Dθ)=aza−1
证明
令 f=log∣Dθ
dzd(za∣∣∣∣∣Dθ)=dzd(eaf(z))=eaf(z)⋅af′(z)=za⋅a⋅z1=aza−1
命题
对于 a∈Dθ
dzd(az)=azloga
证明
取 ℓ=log∣Dθ(a)∈C,则 az=eℓz
dzd(az)=dzd(eℓz)=eℓz⋅ℓ=azloga∣∣∣∣∣Dθ
并且,通过推广组合数,对于 α∈C
αCn=(kα)=k!α(α−1)⋯(α−k+1)
从而可以对 (1+z)α 的 主值 进行二项式展开
(1+z)α=k=0∑∞(kα)zk,z∈D(0,1)
# 1 的 n 次根
满足 wn=1 的复数 w 称为 1 的 n 次根
问题在于解具体是什么
命题
1 的 n 次根共有 n 个,分别为
wk=e2kπi/n,k=0,1,2,…,n−1
证明
由定义,w 满足
wn=1⟹enlogw=1⟹nlogw=2kπi,k∈Z
所以
logw=n2kπi⟹w=e2kπi/n,k∈Z
由于 e2(k+n)πi/n=e2kπi/n⋅e2πi=e2kπi/n,所以只需取 k=0,1,2,…,n−1 即可得到所有不同的解,共计 n 个
事实上,1 的 n 次根是均匀分布在单位圆上的 n 个点,称为 n 次单位根,并且它们构成一个乘法群,记为 μn,即
μn={e2kπi/n∣k=0,1,2,…,n−1}
这个群在复平面上对应着一个正 n 边形的顶点集合,且该群是循环群,由 e2πi/n 生成
μn=⟨e2πi/n⟩
对于任意复数 α,方程 wn=α 可以化归回 1 的 n 次根的问题
取极坐标表示
α=reiθ,r>0, θ∈R
则
wn=α⟹wn=reiθ⟹(r1/neiθ/nw)n=1
所以 w 的解为
wk=r1/nei(θ+2kπ)/n,k=0,1,2,…,n−1