复解析函数的充要条件与柯西黎曼方程

复变函数一般表示为f(z)=u(x,y)+\text{i}v(x,y)

如果函数f(z)在点z的某个邻域内处处可导, 则称f(z)在点z解析
如果f(z)在 区域D内的每一点都解析, 则称f(z)D内的解析函数, 或称f(z)D内解析。
解析函数也叫全纯函数正则函数

复变函数的定义域一般是整个复平面,也就是整个平面上。所以要让复变函数可导,需要它从各个方向过去都可导。而单变量实函数的定义域是一根实轴,只要从左右两个方向可导就可以:这是它们的区别!

解析函数的解析区域边界点(如果存在)称为其奇点


要寻找函数可导的充要条件,首先会想到如果其实部虚部分别可导是否足够。很遗憾,它们不等价:

反例:f(z)=\bar{z}是否可导?
对平面上的任意一点z, 有\frac{\overline{z+\Delta{z}}-\bar z}{\Delta z}=\frac{\overline{\Delta z}}{\Delta z}=\frac{\Delta x - \text{i}\Delta y}{\Delta x +\text{i}\Delta y}
可以看到结果跟趋近方向有关:当水平趋近时,\Delta y=0,结果是1;竖向趋近时是-1,所以处处不可导。但它的实部虚部都可导。

柯西黎曼方程

如果f(z)可导,设f(z)=u(x,y)+\text{i}v(x,y)在点z=x+\text{i}y处可导,即f'(z)=\lim_{\Delta z\rightarrow 0}\frac{f(z+\Delta z)-f(z)}{\Delta z}
\Delta z = \Delta x + \text{i}\Delta yf(z+\Delta z)-f(z)=\Delta u + \text{i}\Delta v
其中\Delta u = u(x+\Delta x, y+\Delta y)-u(x,y)\Delta v=v(x+\Delta x, y+\Delta y)-v(x,y)
f'(z)=\lim_{\Delta x \rightarrow 0,\Delta y\rightarrow 0}\frac{\Delta u + \text{i}\Delta v}{\Delta x + \text{i}\Delta y}

\Delta z从实轴趋向0时,f'(z)=\lim_{\Delta x \rightarrow 0,\Delta y=0}\frac{\Delta u + \text{i}\Delta v}{\Delta x + \text{i}\Delta y}=\lim_{\Delta x \rightarrow 0}\frac{\Delta u + \text{i}\Delta v}{\Delta x }=\lim_{\Delta x \rightarrow 0}\frac{\Delta u}{\Delta x}+\text{i}\lim_{\Delta x \rightarrow 0}\frac{\Delta v}{\Delta x}=u_x+\text{i} v_x
\Delta z从虚轴轴趋向0时,f'(z)=\lim_{\Delta \rightarrow 0,\Delta x=0}\frac{\Delta u + \text{i}\Delta v}{\Delta x + \text{i}\Delta y}=\lim_{\Delta y \rightarrow 0}\frac{\Delta u + \text{i}\Delta v}{\text{i}\Delta y }=\lim_{\Delta y \rightarrow 0}-\text{i}\frac{\Delta u}{\Delta y}+\lim_{\Delta y \rightarrow 0}\frac{\Delta v}{\Delta y}=-\text{i}u_y+v_y
因为f(z)可导,所以上面两个结果的实部虚部分别相等,即

柯西黎曼方程

这个就是柯西黎曼方程,简写C-R方程

反过来:是否满足柯西黎曼方程就可导呢?估计大家能猜出来:不行:

反例:函数f(z)=\sqrt{|xy|}在z=0处是否可导?
可以证明,在原点处的两个偏导都是0,所以满足C-R方程。
但是0点的导数并不存在,可以令\Delta z = \Delta r e^{\text{i}\theta},则\frac{f(0+\Delta z)-f(0)}{\Delta z}=\frac{\sqrt{|\Delta r \cos \theta \cdot \Delta r \sin \theta|}}{\Delta r e^{\text{i}\theta}}=\frac{\sqrt{| \cos \theta \cdot \sin \theta|}}{e^{\text{i}\theta}}
所以趋向零点的方向角度不同结果可能就不同,因此不可导。

解析函数的充要条件

上面已经看到函数可导的必要条件是实部虚部都可微(即偏导存在且连续)且符合C-R方程。
这个也是它的充分条件!

设函数f(z)=u(x,y)+\text{i}v(x,y),假设其在点z=x+\text{i}y处实部和虚部都可导,且满足u_x=v_y, v_x=-u_y。根据二元函数微分定义,可以证明其导数存在。


下面是一些复合复变函数求导法则:

f(z)g(z)z处可导,则
[f(z)+g(z)]'=f'(z)+g'(z)
[f(z)g(z)]'=f'(z)g(z)+f(z)g'(z)
[\frac{f(z)}{g(z)}]'=\frac{f'(z)g(z)-f(z)g'(z)}{g^2(z)}, g(z)\neq 0

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