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複變函數

(以複數作為自變量和因變量的函數)

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複變函數,是指以複數作為自變量因變量的函數 [1]  ,而與之相關的理論就是複變函數論解析函數是複變函數中一類具有解析性質的函數,複變函數論主要就是研究複數域上的解析函數,因此通常也稱複變函數論為解析函數論
中文名
複變函數
外文名
complex function
產生時間
十八世紀
定    義
複數作為自變量因變量的函數
學    科
數學

複變函數簡介

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複數的概念起源於求方程的根,在二次、三次代數方程的求根中就出現了負數開平方的情況。在很長時間裏,人們對這類數不能理解。但隨着數學的發展,這類數的重要性就日益顯現出來。 [1] 
複變函數論產生於十八世紀。1774年,歐拉在他的一篇論文中考慮了由複變函數的積分導出的兩個方程。而比他更早時,法國數學家達朗貝爾在他的關於流體力學的論文中,就已經得到了它們。因此,後來人們提到這兩個方程,把它們叫做“達朗貝爾-歐拉方程”。到了十九世紀,上述兩個方程在柯西黎曼研究流體力學時,作了更詳細的研究,所以這兩個方程也被叫做“柯西-黎曼條件”。
複變函數論的全面發展是在十九世紀,就像微積分的直接擴展統治了十八世紀的數學那樣,複變函數這個新的分支統治了十九世紀的數學。當時的數學家公認複變函數論是最豐饒的數學分支,並且稱為這個世紀的數學享受,也有人稱讚它是抽象科學中最和諧的理論之一。
為複變函數論的創建做了最早期工作的是歐拉、達朗貝爾,法國的拉普拉斯也隨後研究過複變函數的積分,他們都是創建這門學科的先驅。後來為這門學科的發展作了大量奠基工作的要算是柯西、黎曼和德國數學家維爾斯特拉斯了。二十世紀初,複變函數論又有了很大的進展,維爾斯特拉斯的學生,瑞典數學家列夫勒、法國數學家龐加萊阿達瑪等都作了大量的研究工作,開拓了複變函數論更廣闊的研究領域,為這門學科的發展做出了貢獻。
複變函數論不但在其他學科得到了廣泛的應用,而且在數學領域的許多分支也都應用了它的理論。它已經深入到微分方程、積分方程概率論數論等學科,對它們的發展很有影響。 [1] 

複變函數內容

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複變函數論主要包括單值解析函數理論、黎曼曲面理論、幾何函數論、留數理論、廣義解析函數等方面的內容。
如果當函數的變量取某一定值的時候,函數就有一個唯一確定的值,那麼這個函數解就叫做單值解析函數,多項式就是這樣的函數。
複變函數也研究多值函數,黎曼曲面理論是研究多值函數的主要工具。由許多層面安放在一起而構成的一種曲面叫做黎曼曲面。利用這種曲面,可以使多值函數的單值枝和枝點概念在幾何上有非常直觀的表示和説明。對於某一個多值函數,如果能作出它的黎曼曲面,那麼,函數在黎曼曲面上就變成單值函數。黎曼曲面理論是複變函數域和幾何間的一座橋樑,能夠使我們把比較深奧的函數的解析性質和幾何聯繫起來。現時,關於黎曼曲面的研究還對另一門數學分支拓撲學有比較大的影響,逐漸地趨向於討論它的拓撲性質。
複變函數論中用幾何方法來説明、解決問題的內容,一般叫做幾何函數論,複變函數可以通過共形映象理論為它的性質提供幾何説明。導數處處不是零的解析函數所實現的映像就都是共形映象,共形映像也叫做保角變換。共形映象在流體力學、空氣動力學、彈性理論靜電場 、電路理論等方面都得到了廣泛的應用。留數理論是複變函數論中一個重要的理論。留數也叫做殘數,它的定義比較複雜。應用留數理論對於複變函數積分的計算比起線積分計算方便。計算實變函數定積分,可以化為複變函數沿閉迴路曲線的積分後,再用留數基本定理化為被積分函數在閉合迴路曲線內部孤立奇點上求留數的計算,當奇點是極點的時候,計算更加簡潔。
把單值解析函數的一些條件適當地改變和補充,以滿足實際研究工作的需要,這種經過改變的解析函數叫做廣義解析函數。廣義解析函數所代表的幾何圖形的變化叫做擬保角變換。解析函數的一些基本性質,只要稍加改變後,同樣適用於廣義解析函數。廣義解析函數的應用範圍很廣泛,不但應用在流體力學的研究方面,而且象薄殼理論這樣的固體力學部門也在應用。因此,這些年來這方面的理論發展十分迅速。
從柯西算起,複變函數論已有170多年的歷史了。它以其完美的理論與精湛的技巧成為數學的一個重要組成部分。它曾經推動過一些學科的發展,並且常常作為一個有力的工具被應用在實際問題中,它的基礎內容已成為理工科很多專業的必修課程。複變函數論中仍然有不少尚待研究的課題,所以它將繼續向前發展,並將取得更多應用。 [1] 
複變函數的主要研究對象是解析函數,包括單值函數、多值函數以及幾何理論三大部分。在悠久的歷史進程中,經過許多學者的努力,使得複變函數論獲得了巨大發展,並且形成了一些專門的研究領域。
單值函數中最基本的兩類函數是整函數和亞純函數,它們分別是多項式和有理函數的發展。外爾斯特拉斯將多項式的因式分解定理推廣到整函數,而G.米塔-列夫勒則將有理函數分解為部分分式的定理推廣到亞純函數。(C.-)é.皮卡、(F.-é.-J.-) é.波萊爾等進一步發現了整函數的取值與多項式的取值之間有着很大的相似性。在此基礎上,1925年R.奈望林納建立了亞純函數值分佈的近代理論,對函數論的發展產生了重要影響。它和複變函數論的其他領域也存在着密切聯繫。例如,1973年A.伯恩斯坦應用實變函數的思想引進T^*函數,它在值分佈論的虧量問題、整函數的最小模問題以及單葉函數的研究中都發揮了顯著效用。
關於多值函數的研究主要是圍繞着黎曼曲面及單值化的問題來進行的。1913年(C.H.)H.外爾在其經典著作《黎曼曲面概念》中首先給出了抽象黎曼曲面的定義,它是流形這個現代數學基本概念的雛形。黎曼曲面的研究不僅使自身形成了完美的理論,而且它為代數幾何、自守函數、複流形、代數數論等近代數學重要分支的研究提供了簡單、明瞭的模型。
在複變函數的應用上,共形映射具有重要的地位。H.E.茹科夫斯基通過共形映射研究繞機翼的流動便是著名的例子。實際應用中,常常要藉助近似方法具體地構造出映射函數。這方面有不少研究工作。當然,有時並不需要知道具體的映射函數,只是應用其幾何性質。這就推動了複變函數幾何理論的發展。
單葉函數的研究是複變函數幾何理論的一個重要組成部分,特別是1916年L.比伯巴赫提出的單位圓內形如式(4)的單葉解析函數應有 |αn|≤n的猜測引起了許多學者的注意。近70年來,圍繞着比伯巴赫猜想曾有不少研究工作,但是直到1984年,布朗基才完全證實了這個猜想。證明中主要應用了萊伯德-米林的工作,C.勒夫納的參數表示法以及關於雅可比多項式的結果。
柯西-黎曼方程表明瞭解析函數與橢圓型偏微分方程組之間的聯繫,20世紀50年代以來L.伯斯,И.Η.韋誇等考慮較為一般的橢圓型偏微分方程組,並引入廣義解析函數的概念。解析函數決定的映射為共形映射,它把無窮小圓映為無窮小圓;而廣義解析函數則決定了擬共形映射,它把無窮小圓映為無窮小橢圓。L.V.阿爾福斯,М.Α.拉夫連季耶夫為擬共形映射的理論奠定了基礎。
解析函數雖然在區域內部有很好的性質,但是當自變量z趨向於邊界時,函數的變化情況常常十分複雜。關於這方面的研究就形成了一個專門的領域,稱為解析函數邊界性質。經典的結果有法圖定理,Η.Η.盧津和И.И.普里瓦洛夫在這方面也有系統的研究。出現了聚集合的概念,進一步將研究引向深入。
複變函數論在應用方面,涉及的面很廣,有很多複雜的計算都是用它來解決的。比如物理學上有很多不同的穩定平面場,所謂場就是每點對應有物理量的一個區域,對它們的計算就是通過複變函數來解決的。比如俄國的茹柯夫斯基在設計飛機的時候,就用複變函數論解決了飛機機翼的結構問題,他在運用複變函數論解決流體力學和航空力學方面的問題上也做出了貢獻。

複變函數定義

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復變數復值函數的簡稱。
A是一個複數集,如果對A中的任一複數z,通過一個確定的規則有一個或若干個複數w與之對應,就説在複數集A上定義了一個複變函數,記為
w=ƒ(z)
這個記號表示,ƒ(z)是z通過規則ƒ而確定的複數
如果記z=x+iy,w=u+iv,那麼複變函數w=ƒ(z)可分解為w=u(x,y)+iv(x,y);所以一個複變函數w=ƒ(z)就對應着一對兩個實變數的實值函數
除非有特殊的説明,函數一般指單值函數,即對A中的每一z,有且僅有一個w與之對應。例如,f(z)=
是複平面上的複變函數。但f(z)=
在複平面上並非單值,而是多值函數。對這種多值函數要有特殊的處理方法(見解析開拓黎曼曲面)。
對於zA,ƒ(z)的全體所成的數集稱為A關於ƒ的像,記為ƒ(A)。函數ƒ規定了Aƒ(A)之間的一個映射。例如在w=z2的映射下,z平面上的射線argz=θ與w平面上的射線argw=2θ對應;如果ƒ(A)∈A*,稱ƒ把A映入A*。如果ƒ(A)=A*,則稱ƒ把A映成A*,此時稱A為A*的原像。對於把A映成A*的映射ƒ,如果z1與z2相異必導致ƒ(z1)與ƒ(z2)也相異,則稱ƒ是一對一的。在一對一的映射下,對A*上的任一w,A上必有一個z與之對應,稱此映射為ƒ的反函數,記為
z=ƒ-1(w)
ƒ(z)是A上的複變函數,αA中一點。如果對任一正數ε,都有正數δ,zA且|z-α|<δ|ƒ(z)-ƒ(α)|<ε恆成立,則稱ƒ(z)在α處是連續的,如果在A上處處連續,則稱為A上的連續函數或連續映射。設ƒ緊集A上的連續函數,則對任一正數ε,必存在不依賴自變數z的正數δ,z1z2A且|z1-z2<δ時|ƒ(z1)-ƒ(z2)|<ε恆成立。這個性質稱為ƒ(z)在A上的一致連續性或均勻連續性。
ƒ(z)是平面開集D內的複變函數。對於zD,如果極限存在且有限,則稱ƒ(z)在z處是可導的,此極限值稱為ƒ(z)在z處的導數,記為ƒ'(z)。這是實變函數導數概念的推廣,但複變函數導數的存在卻藴含着豐富的內容。這是因為z+hz的二維鄰域內的任意一點,極限的存在條件比起一維的實數情形要強得多。一個複變函數如在z的某一鄰域內處處有導數,則該函數必在z處有高階導數,而且可以展成一個收斂的冪級數(見解析函數)。所以複變函數導數的存在,對函數本身的結構有重大影響,而這些結果的研究,構成了一門學科──複變函數論 [1] 

複變函數極限與連續性

設函數 w = f(z) 在集 E 上確定,z0 為 E 之聚點,α 為一復常數。 如果 ∀ε0,∃δ > 0, 當 z ∈ E 且
時,有
則稱當 z 趨於 z0 時,f(z) 有極限 α,記作

複變函數複變函數的導數

設 f(z) 是在區域 D 內確定的單值函數,並且 z0 ∈ D,如果
存在且等於有限複數 α,則稱f(z) 在 z0 點可導或者可微,或稱有導數 α,記作 f’(z0)。 [1] 
參考資料
  • 1.    鄭建華.複變函數:清華大學出版社,2005:222