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复变函数-CH2.1-解析函数

复变函数-CH2.1-解析函数,待补充摘要。

June 11, 2026 修考 20 min read

第四讲 解析函数_哔哩哔哩_bilibili

《复变函数与积分变换》复习笔记:解析函数与导数

本章是复变函数的核心基础。我们将从熟悉的实变函数导数出发,逐步引入复平面上的导数与解析性,并深入探讨判定解析性的终极武器——柯西-黎曼方程 (Cauchy-Riemann Equations)。

1. 复变函数的导数与微分

1.1 导数的定义

在实变函数中,我们研究自变量沿着一维实数轴的变化。而在复平面上,自变量 zz 可以从任意方向趋近于 z0z_0。

定义: 设 w=f(z)w = f(z) 在区域 DD 内有定义,z0∈Dz_0 \in D。若极限

f′(z0)=lim⁡Δz→0f(z0+Δz)−f(z0)Δzf'(z_0) = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{f(z_0 + \Delta z) - f(z_0)}{\Delta z}

存在,则称 f(z)f(z) 在 z0z_0 处可导。此极限值称为 f(z)f(z) 在 z0z_0 处的导数,记作 f′(z0)f'(z_0) 或 dwdz∣z=z0\left.\frac{\mathrm{d}w}{\mathrm{d}z}\right|_{z=z_0}。

注意: Δz→0\Delta z \to 0 是指在复平面上以任意方向趋近于 00。这是一个极强的约束,也是复变函数拥有许多优美性质的源泉。

1.2 求导法则

复变函数的求导法则与实变函数完全一模一样。 设 f(z)f(z) 和 g(z)g(z) 可导,则:

  • 线性性质: [f(z)±g(z)]′=f′(z)±g′(z)[f(z) \pm g(z)]' = f'(z) \pm g'(z)
  • 乘法法则: [f(z)g(z)]′=f′(z)g(z)+f(z)g′(z)[f(z)g(z)]' = f'(z)g(z) + f(z)g'(z)
  • 商法则: [f(z)g(z)]′=f′(z)g(z)−f(z)g′(z)[g(z)]2(g(z)≠0)\left[\frac{f(z)}{g(z)}\right]' = \frac{f'(z)g(z) - f(z)g'(z)}{[g(z)]^2} \quad (g(z) \neq 0)
  • 复合函数求导(链式法则): 若 w=f(η)w = f(\eta) 且 η=g(z)\eta = g(z),则 dwdz=f′(g(z))g′(z)\frac{\mathrm{d}w}{\mathrm{d}z} = f'(g(z))g'(z)

【新增:基础求导例题】

例题: 求 f(z)=znf(z) = z^n (n∈N+n \in \mathbb{N}^+) 的导数。

解: 利用二项式定理展开:

(z+Δz)n=zn+nzn−1Δz+n(n−1)2zn−2(Δz)2+⋯+(Δz)n(z + \Delta z)^n = z^n + n z^{n-1} \Delta z + \frac{n(n-1)}{2} z^{n-2} (\Delta z)^2 + \cdots + (\Delta z)^n

代入导数定义:

f′(z)=lim⁡Δz→0(z+Δz)n−znΔz=lim⁡Δz→0[nzn−1+n(n−1)2zn−2Δz+⋯+(Δz)n−1]=nzn−1f'(z) = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{(z + \Delta z)^n - z^n}{\Delta z} = \lim_{\Delta z \to 0} \left[ n z^{n-1} + \frac{n(n-1)}{2} z^{n-2} \Delta z + \cdots + (\Delta z)^{n-1} \right] = n z^{n-1}

因此,与实函数一样,(zn)′=nzn−1(z^n)' = n z^{n-1}。

2. 解析函数的概念与性质

2.1 解析函数的定义

“可导”仅仅是对单个点而言的,而在复变函数中,我们更关心在一片区域上的优良性质,这就是解析性。

定义:

  1. 点解析: 若 f(z)f(z) 在 z0z_0 及其某个邻域 U(z0)U(z_0) 内处处可导,则称 f(z)f(z) 在点 z0z_0 解析。
  2. 区域解析: 若 f(z)f(z) 在区域 DD 内处处可导,则称 f(z)f(z) 是区域 DD 内的解析函数。

2.2 可导与解析的关系

复变函数中,这三个概念的强弱关系非常关键,常作为考研或期末的选择填空题:

在点 z0 处:解析  ⟹  可导  ⟹  连续\text{在点 } z_0 \text{ 处:解析} \implies \text{可导} \implies \text{连续}

  • 解析   ⟹  \implies 可导:这是显然的(解析要求邻域内处处可导,自然在中心点可导)。
  • 可导 ̸  ⟹  \not\implies 解析:若函数仅在孤立的点 z0z_0 可导,而在其任何去心邻域内都有不可导的点,则函数在 z0z_0 处不可解析。
  • 连续 ̸  ⟹  \not\implies 可导:这与实函数一致。

2.3 经典例题:连续但处处不可导

例题: 证明 f(z)=zˉf(z) = \bar{z}(共轭复数)在复平面上处处连续,但处处不可导。

证明:

  1. 连续性: 设 z=x+iyz = x + iy,则 f(z)=x−iyf(z) = x - iy。由于实部 u(x,y)=xu(x,y)=x 和虚部 v(x,y)=−yv(x,y)=-y 在全平面连续,故 f(z)f(z) 在全平面连续。

  2. 不可导性(利用导数定义分析): 设 Δz=Δx+iΔy\Delta z = \Delta x + i \Delta y。按定义写出变化率的极限:

    lim⁡Δz→0f(z+Δz)−f(z)Δz=lim⁡Δz→0z+Δz‾−zˉΔz=lim⁡Δz→0zˉ+Δz‾−zˉΔz=lim⁡Δz→0Δz‾Δz\lim_{\Delta z \to 0} \frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z} = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{\overline{z + \Delta z} - \bar{z}}{\Delta z} = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{\bar{z} + \overline{\Delta z} - \bar{z}}{\Delta z} = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{\overline{\Delta z}}{\Delta z}

    代入 Δz=Δx+iΔy\Delta z = \Delta x + i \Delta y:

    lim⁡Δz→0Δz‾Δz=lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)Δx−iΔyΔx+iΔy\lim_{\Delta z \to 0} \frac{\overline{\Delta z}}{\Delta z} = \lim_{(\Delta x, \Delta y) \to (0,0)} \frac{\Delta x - i \Delta y}{\Delta x + i \Delta y}

    我们从两个不同的方向趋近于 00:

    • 沿实轴趋近(即 Δy=0,Δx→0\Delta y = 0, \Delta x \to 0):

      lim⁡Δx→0Δx−i⋅0Δx+i⋅0=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta x - i \cdot 0}{\Delta x + i \cdot 0} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta x}{\Delta x} = 1

    • 沿虚轴趋近(即 Δx=0,Δy→0\Delta x = 0, \Delta y \to 0):

      lim⁡Δy→00−iΔy0+iΔy=lim⁡Δy→0−iΔyiΔy=−1\lim_{\Delta y \to 0} \frac{0 - i \Delta y}{0 + i \Delta y} = \lim_{\Delta y \to 0} \frac{-i \Delta y}{i \Delta y} = -1

      因为沿两个不同方向得到的极限值不相等 (1≠−11 \neq -1),所以极限不存在。 结论: f(z)=zˉf(z) = \bar{z} 在复平面上处处不可导,当然也处处不解析。

3. 柯西-黎曼方程 (Cauchy-Riemann)

每一次都用定义去判断可导和解析实在太麻烦了。为此,我们引入解析函数判定的充要条件——柯西-黎曼方程 (简称 C-R 方程)。

3.1 导数计算公式的推导与证明

设复变函数可写为实部和虚部的形式:

f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z) = u(x, y) + i v(x, y)

若 f(z)f(z) 在 z=x+iyz = x+iy 处可导,意味着不论 Δz=Δx+iΔy\Delta z = \Delta x + i\Delta y 以何种方式趋近于 00,商式的极限都存在且相等。

证明过程:

方式一:平行于实轴(沿水平方向)趋近,即 Δy=0,Δz=Δx→0\Delta y = 0, \Delta z = \Delta x \to 0

f′(z)=lim⁡Δx→0[u(x+Δx,y)+iv(x+Δx,y)]−[u(x,y)+iv(x,y)]Δxf'(z) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{[u(x+\Delta x, y) + i v(x+\Delta x, y)] - [u(x,y) + i v(x,y)]}{\Delta x}

f′(z)=lim⁡Δx→0u(x+Δx,y)−u(x,y)Δx+ilim⁡Δx→0v(x+Δx,y)−v(x,y)Δxf'(z) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{u(x+\Delta x, y) - u(x,y)}{\Delta x} + i \lim_{\Delta x \to 0} \frac{v(x+\Delta x, y) - v(x,y)}{\Delta x}

根据偏导数的定义,上式即为:

f′(z)=∂u∂x+i∂v∂xf'(z) = \frac{\partial u}{\partial x} + i \frac{\partial v}{\partial x}

方式二:平行于虚轴(沿竖直方向)趋近,即 Δx=0,Δz=iΔy→0\Delta x = 0, \Delta z = i\Delta y \to 0

f′(z)=lim⁡Δy→0[u(x,y+Δy)+iv(x,y+Δy)]−[u(x,y)+iv(x,y)]iΔyf'(z) = \lim_{\Delta y \to 0} \frac{[u(x, y+\Delta y) + i v(x, y+\Delta y)] - [u(x,y) + i v(x,y)]}{i\Delta y}

注意 1i=−i\frac{1}{i} = -i,所以:

f′(z)=lim⁡Δy→0[u(x,y+Δy)−u(x,y)iΔy+iv(x,y+Δy)−v(x,y)iΔy]f'(z) = \lim_{\Delta y \to 0} \left[ \frac{u(x, y+\Delta y) - u(x,y)}{i\Delta y} + i \frac{v(x, y+\Delta y) - v(x,y)}{i\Delta y} \right]

f′(z)=−i∂u∂y+∂v∂y=∂v∂y−i∂u∂yf'(z) = -i \frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial v}{\partial y} = \frac{\partial v}{\partial y} - i \frac{\partial u}{\partial y}

由于 f(z)f(z) 可导,上述两种方式得到的导数值必须相等:

∂u∂x+i∂v∂x=∂v∂y−i∂u∂y\frac{\partial u}{\partial x} + i \frac{\partial v}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} - i \frac{\partial u}{\partial y}

比较实部与虚部,便得到了大名鼎鼎的 柯西-黎曼方程 (C-R 方程):

∂u∂x=∂v∂y且∂u∂y=−∂v∂x\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \qquad \text{且} \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}

同时,我们也得到了导数的四种等价计算公式:

f′(z)=∂u∂x+i∂v∂x=∂v∂y−i∂u∂y=∂u∂x−i∂u∂y=∂v∂y+i∂v∂xf'(z) = \frac{\partial u}{\partial x} + i \frac{\partial v}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} - i \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial x} - i \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial v}{\partial y} + i \frac{\partial v}{\partial x}

3.2 解析性的判定定理 (重点考点)

如何用 C-R 方程判定一个函数在某点或区域内是否解析?

必要条件定理:

若 f(z)=u+ivf(z) = u + iv 在区域 DD 内可导(或解析),则在 DD 内 u(x,y)u(x,y) 和 v(x,y)v(x,y) 的偏导数必存在,且满足 C-R 方程。

充分条件定理(用于实际判定):

若二元函数 u(x,y)u(x,y) 和 v(x,y)v(x,y) 满足以下两个条件:

  1. 在区域 DD 内一阶偏导数连续(即 u(x,y)u(x,y) 和 v(x,y)v(x,y) 可微);

  2. 满足 C-R 方程:

    {∂u∂x=∂v∂y∂u∂y=−∂v∂x\begin{cases} \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \\ \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} \end{cases}

    我的理解是

    1. 条件:在该点Z0Z_0处可导
    2. 在邻域,可以认为是一个圆内,各个方向过来的,都是可导的。

则 f(z)=u+ivf(z) = u + iv 在区域 DD 内处处可导(即在 DD 内解析)。

SOP (标准作业程序):

  1. 写出实部 u(x,y)u(x,y) 与虚部 v(x,y)v(x,y)。
  2. 求出四个偏导数:∂u∂x\frac{\partial u}{\partial x}, ∂u∂y\frac{\partial u}{\partial y}, ∂v∂x\frac{\partial v}{\partial x}, ∂v∂y\frac{\partial v}{\partial y}。
  3. 列出 C-R 方程组,求解使得方程组成立的点集。
  4. 判断解析性: 只有在某点的邻域内全部满足 C-R 方程,函数在该点才解析。若只是孤立点/孤立曲线满足,则仅可导,不解析。

4. 典型例题精析

例题一:判断可导性与解析性

题目: 求 f(z)=2xy2+ix2yf(z) = 2xy^2 + i x^2y 在何处可导?何处解析?

解:

  1. 确定实部与虚部:

    u(x,y)=2xy2,v(x,y)=x2yu(x, y) = 2xy^2, \qquad v(x, y) = x^2y

    由于 u,vu, v 是多项式,它们在整个复平面上都有一阶连续偏导数。

  2. 计算偏导数:

    ∂u∂x=2y2,∂u∂y=4xy\frac{\partial u}{\partial x} = 2y^2, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = 4xy

    ∂v∂x=2xy,∂v∂y=x2\frac{\partial v}{\partial x} = 2xy, \qquad \frac{\partial v}{\partial y} = x^2

  3. 代入 C-R 方程组:

    {∂u∂x=∂v∂y  ⟹  2y2=x2— (1)∂u∂y=−∂v∂x  ⟹  4xy=−2xy— (2)\begin{cases} \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \implies 2y^2 = x^2 \quad \text{--- (1)} \\ \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} \implies 4xy = -2xy \quad \text{--- (2)} \end{cases}

  4. 求解方程组: 由方程 (2) 得:

    6xy=0  ⟹  x=0 或 y=06xy = 0 \implies x = 0 \text{ 或 } y = 0

    • 若 x=0x = 0,代入 (1) 得:2y2=0  ⟹  y=02y^2 = 0 \implies y = 0。
    • 若 y=0y = 0,代入 (1) 得:x2=0  ⟹  x=0x^2 = 0 \implies x = 0。

    所以,C-R 方程仅在点 (0,0)(0,0) 处成立。

  5. 结论:

    • f(z)f(z) 仅在 z=0z = 0 处可导;
    • 因为在 z=0z=0 的任何邻域内都存在不满足 C-R 方程的点,所以 f(z)f(z) 在整个复平面上处处不解析。

例题二:曲线可导与不解析的典型

题目: 求 f(z)=2x3+i3y3f(z) = 2x^3 + i 3y^3 在何处可导?何处解析?

解:

  1. 实部与虚部:

    u(x,y)=2x3,v(x,y)=3y3u(x, y) = 2x^3, \qquad v(x, y) = 3y^3

  2. 计算偏导数:

    ∂u∂x=6x2,∂u∂y=0\frac{\partial u}{\partial x} = 6x^2, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = 0

    ∂v∂x=0,∂v∂y=9y2\frac{\partial v}{\partial x} = 0, \qquad \frac{\partial v}{\partial y} = 9y^2

  3. 代入 C-R 方程组:

    {6x2=9y2  ⟹  2x2=3y2  ⟹  2x=±3y0=−0(恒成立)\begin{cases} 6x^2 = 9y^2 \implies 2x^2 = 3y^2 \implies \sqrt{2}x = \pm \sqrt{3}y \\ 0 = -0 \quad (\text{恒成立}) \end{cases}

  4. 求解方程组: 满足条件的点在两条直线上:

    2x±3y=0\sqrt{2}x \pm \sqrt{3}y = 0

  5. 结论:

    • f(z)f(z) 在两条直线 2x±3y=0\sqrt{2}x \pm \sqrt{3}y = 0 上可导;
    • 因为直线上任何点的任何邻域内都包含不在直线上的点(不满足 C-R 方程),所以 f(z)f(z) 在整个复平面上处处不解析。

例题三:待定系数求解析函数 (高频考题 ★\bigstar)

题目: 已知函数 f(z)=(my3+nx2y)+i(lx3−3xy2)f(z) = (my^3 + nx^2y) + i(lx^3 - 3xy^2) 在整个复平面内解析,求常数 m,n,lm, n, l 的值。

解:

  1. 明确已知条件: 函数在全平面解析   ⟹  \implies 全平面处处满足 C-R 方程。

  2. 提取实部和虚部:

    u(x,y)=my3+nx2yu(x, y) = my^3 + nx^2y

    v(x,y)=lx3−3xy2v(x, y) = lx^3 - 3xy^2

  3. 计算偏导数:

    ∂u∂x=2nxy,∂u∂y=3my2+nx2\frac{\partial u}{\partial x} = 2nxy, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = 3my^2 + nx^2

    ∂v∂x=3lx2−3y2,∂v∂y=−6xy\frac{\partial v}{\partial x} = 3lx^2 - 3y^2, \qquad \frac{\partial v}{\partial y} = -6xy

  4. 利用 C-R 方程建立待定系数方程:

    • 条件一:∂u∂x=∂v∂y\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}

      2nxy=−6xy  ⟹  2n=−6  ⟹  n=−32nxy = -6xy \implies 2n = -6 \implies n = -3

    • 条件二:∂u∂y=−∂v∂x\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}

      3my2+nx2=−(3lx2−3y2)=−3lx2+3y23my^2 + nx^2 = -(3lx^2 - 3y^2) = -3lx^2 + 3y^2

      对比等式两边 x2x^2 和 y2y^2 项的系数:

      {y2 项系数:3m=3  ⟹  m=1x2 项系数:n=−3l\begin{cases} y^2\text{ 项系数:} 3m = 3 \implies m = 1 \\ x^2\text{ 项系数:} n = -3l \end{cases}

      将 n=−3n = -3 代入 n=−3ln = -3l:

      −3=−3l  ⟹  l=1-3 = -3l \implies l = 1

  5. 结论: 当且仅当 m=1,n=−3,l=1m=1, n=-3, l=1 时,该函数在全平面解析。

5. 补充:复偏导数与必要条件 (进阶视角)

在手写笔记的最后,提到了解析函数的另一个必要条件,我们可以用更现代、更高级的复偏导数(也称作 Wirtinger 导数)来理解它。

定义自变量 z=x+iyz = x+iy 及其共轭 zˉ=x−iy\bar{z} = x-iy。我们可以把 f(z)f(z) 视作 zz 和 zˉ\bar{z} 的函数:

∂∂zˉ=12(∂∂x+i∂∂y)\frac{\partial}{\partial \bar{z}} = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial}{\partial x} + i \frac{\partial}{\partial y} \right)

将 f=u+ivf = u+iv 代入对 zˉ\bar{z} 的偏导数中:

∂f∂zˉ=12(∂∂x+i∂∂y)(u+iv)=12[(∂u∂x−∂v∂y)+i(∂u∂y+∂v∂x)]\frac{\partial f}{\partial \bar{z}} = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial}{\partial x} + i \frac{\partial}{\partial y} \right) (u + iv) = \frac{1}{2} \left[ \left(\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y}\right) + i \left(\frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial v}{\partial x}\right) \right]

如果 f(z)f(z) 满足 C-R 方程:

∂u∂x−∂v∂y=0且∂u∂y+∂v∂x=0\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y} = 0 \qquad \text{且} \qquad \frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial v}{\partial x} = 0

我们会惊喜地发现:

∂f∂zˉ=0\frac{\partial f}{\partial \bar{z}} = 0

物理/几何意义: > 一个复变函数解析的本质,就是它的表达式中不能显式地含有共轭变量 zˉ\bar{z}。函数必须是“纯粹”关于 zz 的函数。这就是为什么像 f(z)=zˉf(z) = \bar{z}, f(z)=∣z∣2=zzˉf(z) = |z|^2 = z\bar{z} 这类含有 zˉ\bar{z} 的函数在非零处均无法解析的底层原因。