复变函数论总结.doc

精品文档复变函数论总结摘要：对数学物理方法的第一篇复变函数论每一章每一节做了总结，对这一章也有了深入的认识，通过积分与柯西积分定理和柯西积分公式，学习了圆域内泰勒级数的展开与环域内洛朗级数的展开，以及应用留数定理计算实变函数定积分，傅立叶积分与傅立叶变换。 关键词：复数；导数；解析；积分；柯西公式、定理；幂级数展开；留数；傅立叶积分与傅立叶变换1 引言复变函数论主要内容第一章 复变函数 complex function第二章 复变函数的积分 complex function integral第三章 幂级数展开 power series expansion第四章 留数定理 residual theorem第五章 傅立叶变换 Fourier integral transformation第一章 复变函数1.1 复数及复数的运算1.2 复变函数1.3导数1.4解析函数1.1 复数及复数的运算1 复数的概念的数被称为复数，其中。 ； ；为虚数单位，其意义为当且仅当时，二者相等复数与平面向量一一对应平面虚轴 . （，）实轴 模 幅角 ()注意：复数“零”（即实部和虚部都等与零的复数）的幅角没有明确意义2 复数的表示代数表示 三角表示 指数表示 一个复数的共轭复数注意：在三角表示和指数表示下，两个复数相等当且仅当模相等且幅角相差3 无限远点在复变函数论中，通常还将模为无限大的复数也跟复平面上的一点对应，而且称这一点为无限远点，我们把无限远点记作，它的模为无限大，幅角则没有明确意义4 复数的运算复数的加法法则：复数与的和定义是两个复数的和依然是复数，它的实部是原来两个复数实部的和，它的虚部是原来两个虚部的和。复数的加法满足交换律和结合律，且，当 同一方向时等号成立。复数的减法法则： 且有复数的乘法法则：乘法的交换律、结合律与分配律都成立复数的除法法则：注意：采用三角式或指数式比较方便。 1.2复变函数(一) 复变函数的定义若在复数平面上存在一个点集,对于的每一点，按照一定的规律，有一个或多个复数值与之相对应，则称的函数复变函数，称为的宗量，定义域为，记作 ，(二) 区域的概念领域：以复数为圆心，以任意小正数为半径作一圆，则圆内所有点的集合称为的领域内点：若及其领域均属于点集，则称为该点集的内点外点：若及其领域均不属于点集，则称为该点集的外点境界点：若在的每个领域内，既有属于的点，也有不属于的点，则称为该点集的境界点，它既不是的内点，也不是的外点，境界点的全体成为境界线区域是指满足下列两个条件的点集1. 全由内点组成2. 具有连通性，即点集中的任意两点都可以用一条折线连接起来，且折线上的点全部属于改点集闭区域：区域及其境界线所组成的点集(三) 复变函数例 周期为 周期为 周期为（为复数) 周期为注意：复变函数在点连续的定义是： 当时，1.3 导数(一) 导数的定义设函数是在区域上定义的单值函数，即对于上的每一个值，有且只有一个值与之相对应，若在上的基点，极限存在，并且与的方式无关，则称函数点可导，复变函数的导数定义，形式上跟实变函数的导数定义一样。现在让我们比较沿平行于实轴方向逼近零和沿平行于虚轴方向逼近零的两种情形1. 先看沿平行于实轴方向逼近零，这是而，于是2. 再看沿平行于虚轴方向逼近零，这是而，于是 则有，即 这两个方程叫做柯西黎曼方程，是复变函数可导的必要条件(二) 极坐标系中的柯西黎曼方程1.4 解析函数(一) 解析函数定义若函数在点及其领域上处处可导，则称在点解析。又若在区域上每一点都解析，则称是区域上的解析函数。函数在一点可导与解析是不等价的，但函数若在某一区域上解析，意味着函数在区域上处处可导，因此函数在某区域上可导与解析是等价的(二) 解析函数性质1. 若函数在区域上解析，则（，) ，（，) 是上的两组正交曲线族2. 若函数在区域上解析，则，均为上的调和函数，即 (三) 求解析函数的方法1. 曲线积分法 ：全微分的积分与路径无关，故可选取特殊积分路径2. 凑全微分显示法 3. 不定积分法第二章 复变函数的积分2.1 复变函数的积分2.2 柯西定理2.3 不定积分2.4 柯西公式2.1 复变函数的积分(一) 复变函数路积分定义复变函数路积分可以归结为两个实变函数的线积分，它们分别是路积分的实部和虚部（，)（，)（，)(二) 复变函数路积分性质1. 常数因子可以移到积分号外2. 函数的和的积分等于各个函数的积分之和3. 反转积分路径，积分变号4. 全路径上的积分等于各段上积分之和5. 积分的模小于等于模的积分注意：复变函数的积分值不仅依赖于起点和终点，还与积分路径有关2.2 柯西定理(一) 单通区域的情形所谓单通区域是这样的区域，在其中做任何简单的闭合围线，围线内的店都是属于该区域内的点单通区域柯西定理：如果函数在闭单通区域上解析，则沿上任意分段光滑闭合曲线，有 (二) 复通区域的情形在区域内，只要有一个简单的闭合曲线其内有不属于该区域的点，这样的区域便称为复通区域，对于区域的境界线，外境界线是逆时针方向为正，内境界线是顺时针方向为正复通区域柯西定理：如果是闭复通区域上的单值解析函数，则，式中为区域外境界线，诸为区域内境界线，积分均沿境界线正方向进行(三) 总结柯西定理1. 闭单通区域上的解析函数沿境界线积分为零2. 闭复通区域上的解析函数沿所有内外境界线正方向积分和为零3. 闭复通区域上的解析函数沿外境界线逆时针方向积分等于沿所有内境界线逆时针方向积分之和2.3 不定积分当积分起点固定时，这个不定积分就定义了一个单值函数，记作就是说路积分的值等于原函数的改变量注意：须记住下面重要结果的结果是 2.4 柯西公式(一) 单通区域柯西公式：设在单通区域 D内解析，为 D的内点，则D的边界线，又可写为(二) 复通区域的柯西公式: 设在复通区域D内解析，为D的内点，则（积分沿的边界线的正方向）第三章 幂级数展开3.1 复数项级数3.2 幂级数3.3 泰勒级数展开3.4 解析延拓3.5洛朗级数展开3.6 孤立奇点的分类3.1 复数项级数(一) 定义：设有复数项的无穷级数，它的每一项都可分为实部和虚部 ，那么，从而，这样复数项无穷级数的收敛性问题就归结为两个实数项级数的收敛问题，柯西收敛判据成立。(二) 绝对收敛如果复数项级数各项的模组成的级数收敛，就把复数项级数叫做绝对收敛注意：绝对收敛级数各项先后次序可以改变，两个绝对收敛的复数项级数的乘积也会收敛于原来函数的乘积(三) 一致收敛复变项级数，它的各项是的函数，如果在某个区域上所有的点级数都收敛，就叫作在此区域上收敛。复变项级数在区域上收敛的充分必要条件是，在区域上各点，对于给定任意小正数，必有存在，使得时，式中为任意正整数，如果与无关，就把复变项级数叫做在此区域上一致收敛，一致收敛具有连续性、可积性、解析性。3.2 幂级数定义：叫做为中心的幂级数，为圆心做一个半径为的圆周，由于幂级数在圆的内部绝对收敛，在圆外发散，这个圆因而叫做幂级数的收敛圆，半径则叫做收敛半径。 或注意：函数在区域内解析的充要条件是，函数在此区域内任意一点的领域内都可展成幂级数3.3 泰勒级数展开任意阶导数都存在的实变函数可以展为泰勒级数定理：设在以为圆心的圆内解析，则对圆内任意点，可展为幂级数，其中具体步骤：先确定展开中心，再确定系数，最后将系数代回，写出泰勒级数方法：直接发和间接法注意：若在以点解析，则1. 在以某一领域内可导2. 在以某一领域内有连续的偏导数并满足柯西黎曼方程3. 沿所有内外境界线正方向积分和为零4. 可化为幂级数泰勒展开3.4 解析延拓简单的说，解析延拓就是解析函数定义域的扩大，而且解析延拓是唯一的。3.5 洛朗级数展开(一) 定理：设在环形区域的内部单值解析，则对环域上任意点，可展为幂级数，其中，积分路径为位于环域内按逆时针方向绕内圆一周的任意闭合曲线(二) 具体步骤：先求的奇点，然后以为展开中心，奇点为分隔点，找出到无穷远使解析的环域(三) 洛朗级数和泰勒级数的区别1. 从形式上看，洛朗级数有幂次为负数的项，而泰勒级数没有。2. 但这只是表面现象，这两者本质上的不同在于，洛朗级数是在孤立奇点的邻域的级数展开，它的定义域是一个环状的区域3. 洛朗级数的正则部分（也就是幂次非负的部分）是在|z|=R有效的，而主要部分（也就是幂次为负的部分）是在r=|z|处有效的，两者都有定义的部分就是那个环状区域。4. 实际上，泰勒级数是更基本的。洛朗级数的正则部分就是这个孤立奇点附近的关于z的泰勒级数，而其主要部分则是无穷远点附近的关于1/z的泰勒级数。也就是说洛朗级数是两个泰勒级数的和。3.6 孤立奇点的分类(一) 定义：若在以点不可导，而在的任意小领域内处外处处可导，便称为的孤立奇点(二) 孤立奇点的分类在挖去孤立奇点而形成的环域上的解析函数的洛朗级数或则没有负幂项，或则只有有限个负幂项，或则有无限个负幂项，在这三种情况下，我们分别把的可去奇点，极点或本性奇点第四章 留数定理4.1 留数定理4.2 应用留数定理计算实变函数定积分4.1 留数定理(一) 留数的概念：洛朗级数的项的系数叫做函数在以点的留数通常记作，这样(二) 留数定理：设函数在回路所围区域上除有限个孤立奇点外解析，在闭区域上处外连续，则留数定理将回路积分归结为被积函数在回路所围区域上个奇点的留数之和(三) 留数的求法：1. 非零的有限值，即 若可以表示为的特殊形式，其中都在点解析，是的一阶零点，从而是的一阶极点，则2. 若是的阶极点，则有(四) 求回路积分：1. 确定孤立奇点2. 看是否在积分范围内3. 求留数4. 代回回路积分4.2 应用留数定理计算实变函数定积分(一) 方法：1. 变量代换2. 解析延拓(二) 具体类型：1. 类型1 ：，被积函数是三角函数的有理式，积分区间，作自然代换，则有，于是原积分化为(2. 类型2：，积分区间是；复变函数在实轴上没有奇点，在上半平面除有限个奇点外是解析的；当在上半平面和在实轴上时，一致地。如果是有理分式，上述条件意味着没有实的零点，的次数至少高于两次，则有3. 类型3：，积分区间；偶函数在实轴上没有奇点，在上半平面处有限个奇点外是解析的；当在上半平面实轴上时，一致地，则有第五章 傅立叶变换5.1 傅立叶级数5.2 傅立叶积分与傅立叶变换5.3 函数5.1 傅立叶级数(一) 周期函数的傅立叶展开若函数以2为周期，即，则可将展开为级数其中 (二) 狄里希利定理若函数满足条件：1. 处处连续。或在每个周期中只有有限个第一类间断点2. 在每个周期中只有有限个极值点则级数收敛，且级数和(三) 奇函数及偶函数的傅立叶展开奇函数：及诸均为零，偶函数：所有均为零(四) 定义在有限区间上的函数的傅立叶展开可以采取解析沿拓的方法，使其成为某种周期函数(五) 复数形式的傅立叶级数5.2 傅立叶积分与傅立叶变换(一) 实数形式的傅立叶积分注意：1. 奇函数的傅立叶积分2. 偶函数的傅立叶积分(二) 复数形式的傅立叶积分(三) 傅立叶变换的基本性质1. 导数定理： 2. 积分定理： 3. 相似性定理：4. 延迟定理： 5. 位移定理： 6. 卷积定理： ，则 (四) 多重傅立叶积分5.3 函数(一) 函数(二) 函数的一些性质1. 函数是偶函数，它的导数是奇函数2.3. 对于任意一个定义在（上的连续函数，4. 即使是连续分布的质量、电荷或持续作用的力也可用函数表出5. 如果的实