数学物理方法 · 第二章完整讲义
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数学物理方法 / 复变函数

第二章学习讲义

复变数函数

极限与连续 → 可导与解析 → C-R → 初等函数与分支。按教材顺序展开概念、例题、证明主线与解题条件;每章附原书习题路线和自编检查题。

严镇军教材配套讲读教材24—47页8道自编检查题离线SVG公式与图解

对应教材印刷第24—47页,正文第24—44页,习题第45—47页。本章有两条任务:判断一个函数在哪里解析;正确计算复指数、三角、对数和一般幂。先把这两条做熟,后面的积分与级数才有适用对象。

学完的标准 能写出 ,用差商或柯西—黎曼方程判断可导点与解析域,计算导数时写清定义域;能列出对数、幂的全部值,并说明所选分支。对“只在一个点满足方程”保持敏感。

学习顺序:先跟着例题写关键步骤,再独立完成检查题,最后按习题路线回到原书。证明段落均说明用途,不要求第一轮逐行背诵。

第二章 / 2.1

复变数函数

教材24—27页

2.1 · 教材24—27页

01 从一个平面映到另一个平面

复函数 的输入和输出各有两个实坐标。写 、,就相当于两个实二元函数:

例如 给出 、。 给出 。 也确实是复函数,只是它的值都落在非负实轴上;“复函数”不代表“一定含虚数值”,更不代表“一定解析”。

单值与一一不是同一件事 单值说每个输入只给一个输出。 是单值的,但 与 都映成1,所以在全平面不是一一映射。求逆时出现平方根的两个值,正是这个原因。教材中的“多值函数”可先理解为一个输入对应多个候选值的关系;要讨论解析性,通常必须先选单值分支。

2.1 · 教材24—27页

02 求像集:代数消元与模角变换各有用途

对 ,直线 满足 ,消去 :

所以它变成开口向左的抛物线。 时不能除以 ,应单独代入:,像为非正实轴。类似地, 变为开口向右的抛物线。

如果原集合已经由半径和角度描述,就用极坐标。教材的上半圆环

经平方后满足 、,像为沿正实轴割开的圆环。正实轴不能补回去,因为取得那里的值要求原点在被排除的实轴上。

图 2-1 平方映射使半径平方、角度加倍
ReIm0z:1 < r < 2,0 < θ < πθ平方ReIm02θw:1 < ρ < 4沿正实轴割开,不能补回端点不含在原区域内,因此像区域仍保留一条缺口。

半径平方:ρ=r²;角度加倍:φ=2θ。

做题模板 先写变换关系,再保留所有参数范围,消元或变换模角,最后检查是否漏点。只求出一个曲线方程而不检查参数覆盖范围,可能把半条曲线写成整条。

第二章 / 2.2

函数的极限和连续性

教材27—29页

2.2 · 教材27—29页

03 复极限要求所有路径一致

的意思是: 只要足够接近 ,无论从哪条路径来, 都足够接近 。形式为

与数列极限一样,它等价于实部、虚部这两个二元函数同时趋于相应值。

证明不存在 找两条路径得到不同结果。例如 (),沿实轴取 得1,沿虚轴取 得 ,故 时没有极限。

证明存在 只检查实轴和虚轴远远不够。例 ,在两轴上均为0,但沿 为 。正确证明通常要找对所有方向都有效的估计。例如

有时换极坐标看 后是否仍残留角度依赖,也很有效。

2.2 · 教材27—29页

04 连续:函数值与极限接得上

在 连续要求 已定义,并且 。极限本身不要求 点有值,这两个问题要分开。

多项式全平面连续;有理函数在原分母非零处连续。若原式在某点没有定义,即使约分后能补成连续函数,也要明确说“补定义后连续”。例如 在 无定义,补上值2后才连续。

连续不能推出可导 、 在全平面连续,但它们的复可导性受到更强限制。你可以把连续看成“点没有断开”,把下一节的复可导看成“所有方向的线性变化必须由同一个复数表示”。

无穷远极限 要覆盖模趋无穷的所有方向。 沿正实轴趋无穷、沿负实轴趋零,故在无穷远没有统一极限。不能只拿实变量结论 就推出复变量 。

第二章 / 2.3

导数和解析函数的概念

教材29—31页

2.3 · 教材29—31页

05 差商为什么比实函数要求强

复导数定义为

是复数,既能沿实轴,也能沿虚轴或曲线趋零,所以差商必须沿所有方向趋同一个值。

可导的正例 ,差商为 ,不依赖路径,故处处可导。不可导的反例 ,差商为 ,沿实轴等于1,沿虚轴等于 ,处处不可导。

教材 的例子同理:沿实方向差商为1,沿虚方向差商为 。实常数 时处处不可导; 时恰好变回 。

图 2-2 不同方向的差商必须趋于同一个数
ReIm0h=th=ith=t(1+i)实轴差商 = t → 0虚轴差商 = it → 0任意路径:差商=h→0统一控制所有方向,才证明导数存在;两个方向一致还不够。

z²在全平面解析。

必须理解的意义 复可导时

前一章已经知道“乘同一个复数”代表统一的旋转和缩放。因此局部不同方向的变化必须协调,不能在水平方向伸一倍、竖直方向伸三倍还称作复可导。 时一阶变换退化,不能据此谈保持角度。

2.3 · 教材29—31页

06 某一点可导,与某一点解析隔着一个邻域

在 可导只问 一个点的差商。在 解析 要求存在整个小圆盘,里面每一点都可导。在区域 内解析,要求 中处处可导。全平面解析也叫整函数。

典型反例是 。在0的差商为 ,所以 ;但在非零点不满足下一节的柯西—黎曼条件。因此它只有一个可导点,处处不解析,包括0也不解析。

题目问法决定答案 “求可导点”允许得到孤立点或一条曲线;“求解析域”必须得到开集,不能把一条线或两个点称作解析区域。

2.3 · 教材29—31页

07 导数运算法则与定义域一起写

确认可导后,和差、积、商、复合的求导法则与实变量相同。商法则仍需分母不为零;反函数法则需所选局部反函数有意义且原函数导数不为零。

例如

教材假设 。若 ,有限平面需排除 ;若 ,则 ,它是一次函数,全平面解析。这种边界情况不能照抄 。

第一轮不必反复证的部分 常数、幂、多项式的求导可由差商和二项式公式证明一次。之后用运算法则,并主动标出例外点。真正的新难点是含 、 或直接以 给出的函数,应转向下一节。

第二章 / 2.4

柯西—黎曼方程

教材32—35页

2.4 · 教材32—35页

08 从两个方向推导方程,不靠硬背符号

设 在 可导。沿实方向令 ,得

沿虚方向令 ,得

实部、虚部分别比较,于是

这就是柯西—黎曼方程,简称 C-R 方程。第一行同号,第二行带负号;实在忘了,就重走两个方向。

必要性与充分性要分开 复可导必然满足上述方程。但仅有两个偏导等式,未必保证复可导。精确的充分条件是: 在该点作为实二元函数全微分存在,并满足 C-R 方程。课堂题最常用的方便条件是:四个一阶偏导在该点附近存在且在该点连续,再检查方程。

若 为多项式、指数三角组合且无分母异常,这个连续性条件通常自动满足。写解答时用一句话说明即可,不必制造冗长证明。

2.4 · 教材32—35页

09 为什么加上全微分就足够

全微分给出

其中 。代入 C-R 方程,把两式合并成

除以 ,余项的模趋零,就得到 。你需要看懂的关键是“两个实线性式合成了乘一个复数”,不是记忆四行余项记号。

一个防止误用的例子 定义 ,非零处

原点处 、,C-R 成立。但沿实轴差商为1,沿 差商为 ,故不可导。原因正是不能只用“偏导存在并满足方程”替代全微分条件。这是概念校验题,不要求第一轮背函数的构造。

2.4 · 教材32—35页

10 标准计算题的四步:拆、求、解、分清

以 为例,这是教材的主要示范。

  1. 拆出 ,两者一阶偏导连续。
  2. 求导:。
  3. 解 C-R:、,得 和 。
  4. 在这两个点可导,导数用 ,分别为0与 。可导点集合没有任何开圆盘,所以处处不解析。

不要省略最后一句 只写“满足 C-R 的点是……”没有完整回答解析性问题。若方程在一个开区域处处成立,且偏导连续,才可说该区域内解析。

2.4 · 教材32—35页

11 恒为常数的证明与极坐标形式

若解析函数 的实部为常数,则 ,由 C-R 得 ;在连通区域上 为同一个常数,故 为常数。虚部恒定同理。

若 恒定,先处理恒等于0的情况;非零时由 求偏导,结合 C-R 得一个行列式为 的齐次方程组,推出 ,所以仍为常数。若 与 都解析,把它们的 C-R 方程并列也会得到所有一阶偏导为零。这里“区域连通”保证各点的常数一致,不能不加解释地在分离集合上套用。

当 、 时,C-R 可写

这是链式法则换坐标的结果。适合对数、幂和由极坐标给出的题;原点不能直接代入含 的式子。第一轮优先熟练直角坐标,极坐标公式知道用途并能查用即可。

第二章 / 2.5

初等函数

教材35—44页

2.5 · 教材35—44页

12 指数:实部控制长度,虚部控制角度

定义

所以 ,一个辐角是 。指数全平面解析,导数仍为自身,处处不为零,并满足 。

复指数的新性质是虚周期:

因此求 ,先比较模 得 ,再比较角 。

图 2-3 指数映射把水平坐标变成半径、竖直坐标变成角度
ReIm0z=x+iyx=cy=θeᶻReIm0角度 θw=eˣeⁱʸ竖直线 → 圆;水平线 → 射线;y增加2π映回同一点。

eᶻ从不为零,周期为2πi;在无限高竖条上会重复覆盖。

例题 的全部解是 。如果 则无解。不要写成一个主值后就停下。

2.5 · 教材35—44页

13 三角与双曲函数:从指数定义统一处理

复变量没有实三角形,故采用指数定义:

教材的 分别就是 。四个函数均为整函数,导数分别是 。

指数定义立刻给出 、。所以复平面上 、 都没有实变量中的上界1,例如 。

该熟练的恒等式 ,,以及加法公式照常成立。这些是代数恒等式,不是大小估计。 不等于 。

2.5 · 教材35—44页

14 拆实虚部、求模与求零点

由加法公式可得

这两条优先掌握,会用于求值、找实数取值曲线和估计函数模。例如

故 取实数值等价于 ,即 或 。是实轴与若干竖直线,不只是实轴。

零点怎么找 不猜测有没有额外虚根,直接用指数:,所以 。其他三个为

因此 在余弦零点以外解析, 在正弦零点以外解析; 同样排除各自分母零点。找解析域时,“名字像初等函数”不能替代查分母。

2.5 · 教材35—44页

15 对数全部值:把指数方程反过来解

求 ,令 ,比较模、角得到

沿用教材:大写 表示全部值,小写 表示取 的主值。某些其他教材大小写约定相反,做题前以题目约定为准。为避免与实对数混淆,本讲义谈解析分支时也用 。

例题 ,主值为 ;

零没有复对数,因为指数没有零点。即使正实数也有无穷多个复对数,例如 。

主值不能无条件套实对数法则 ,而 。多值对数的乘法公式要按全部可能值的集合来理解;固定主值则可能差 。

2.5 · 教材35—44页

16 对数分支:割开一条射线的目的

当 绕原点一圈,连续跟踪的角度增加 ,对数增加 ,不能回到原数。因此在整个去心平面上不能选一个处处连续、单值的对数。

把非正实轴删掉,规定 ,就得到开域

在 内解析,且 。其他分支 导数相同。也可沿正实轴割开,选 ;分支不唯一,必须写范围。

图 2-4 绕原点一圈,对数增加2πi
ReIm0上侧角度 → π下侧角度 → -πln r + iπln r - iπ相差 2πi主值割线处发生跳跃;连续分支必须把割线从开域中删去。

本书主辐角区间 (-π,π];解析主分支使用开区间 (-π,π)。

主值存在与主值解析是两回事 按本书约定,负实数可以赋主值角 ,所以 有定义;但从负实轴上下两侧逼近,角度极限为 与 ,主值函数在那里不连续,自然不解析。说“主值函数在负实轴割开的平面解析”时,解析域是严格不含那条轴的开域。

2.5 · 教材35—44页

17 一般幂:先声明用哪个对数

对 ,定义全部值

展开成 后,才判断重复多少次。非零底数时:整数指数单值;既约有理数指数 有 个值;无理实数指数有无穷多个值;虚部非零的复指数也有无穷多个值。

例题 代入 ,得

全部值居然都是正实数。若问主值,才取 得 。

例题 得 。它和第一章方根公式一致。但 不可未经分支说明直接写成 ,例如使用主平方根时 就出问题。

2.5 · 教材35—44页

18 固定分支后的求导与指数记号的区别

在某个有解析对数 的区域内,定义 ,则

也常写成 ,但两边必须采用相容的同一对数分支。

本课程把 固定解释为单值指数函数。一般幂 若不选底数的对数,则可能多值。特别是教材指出:把 当指数函数值,只得一个数;把它当“底数 的一般幂、所有复对数都参与”会得到多个值。这是记号约定的提醒,做题时按上下文选定定义,不要把这两种约定混用。

2.5 · 教材35—44页

19 反三角函数:应会推一种,不必硬背一长表

为解 ,令 ,就把三角方程变成二次方程:

再解指数方程,得全部反正弦值

根号的两个值与对数的无穷多值共同产生全部答案。若根号本身已按全部值理解,就无需再重复写一个独立的正负号。

实际例题 求 。。两者互为倒数,取全部对数得到

实数范围没有解,复数范围有无穷多解。

其他反函数可同样推导:;()。双曲反函数也转化为对数和根号。第一轮要求掌握代换路线与多值来源;除非作业专门考,不必背下每个反双曲函数公式。这里讲它,是为了防止把复反三角函数误当成实函数主值的一次代入。

第二章 / 2.6

习题路线与检查题

原书习题45—47页

2.6 · 原书习题45—47页

20 原书习题怎样分配精力

训练目标 原书题号 必须具备的方法
像集与极限 1—4、11—12 写 、保留范围、找反例路径
可导点与解析域 5—7、10、14 连续性检查、C-R 方程、排除分母零点
解析函数为常数 8 C-R、区域连通
极坐标 C-R 9 链式法则、
指数与三角方程 13、16 指数化、模角比较、拆实虚部
恒等式、对数、一般幂 15、17—18 指数定义、全部辐角、分支

第一轮优先5—7、10、13—14与17的对数幂部分;这几类和后续积分最直接相连。原书第8题理论证明和第9题坐标转换建议第二轮补齐。反函数的大量特殊值计算可在掌握 的方法后按需练习,不必把一整页公式都当成开课门槛。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习1 可导点不是解析域

求 的可导点、对应导数及解析域。

展开解析:解 C-R 后还要检查开邻域

,偏导连续。C-R 给 ,所以只在0可导,导数为0。可导点集合只有一个点,没有任何开邻域,故没有解析域,0也不是解析点。也可直接用差商 核验导数。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习2 不存在极限,两条路径就够

证明 在 时没有极限。若分子改成 ,极限怎样?

展开解析:反例与统一估计各用一次

原式沿实轴为1、沿虚轴为 ,故极限不存在。改后 ,统一控制所有方向,故极限为0。不能因为第一个例子沿两条路径失败,就把所有含共轭的极限都判作不存在。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习3 从实虚部认出解析函数

设 ,求解析域和导数。

展开解析:先尝试还原熟悉的复表达式

把两项合并,得到 ,故全平面解析,。若题目指定必须用 C-R,可对 分别求四个偏导,检查两式后用 ;结果相同。认出表达式能减少计算,但不能忽略题目指定方法。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习4 解析域与指数零点

求 的解析域和导数。

展开解析:先解分母为零

的全部解为 。故函数在删去这些点的平面内解析,。排除的是无穷多个离散点,不只是 。这个结果也会成为第四章泰勒展开收敛半径的依据。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习5 对数的主值与全部值

求 和其主值;主值对数在 是否解析?

展开解析:先把角放入本书主值区间

模为 ,主辐角为 。全部值为 ,主值取 。本书的主值对数在 有值 ,但上下两侧极限不同,所以不连续、不解析。赋了一个值并不消除分支割线。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习6 复数的复数次幂

求 的全部值与主值。

展开解析:别漏掉正实底数的复对数

,故 。主值为 。全部值沿一条固定射线排列,模为 。若题目事先定义 ,就已选定实对数,此时应按那个单值定义回答。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习7 解一个复三角方程

求 的全部解。

展开解析:令指数作未知数

设 ,则 ,即 ,得 。取全部对数 ,得到 。两种符号已覆盖全部解;实部的周期项不能漏掉。

2.6 · 原书习题45—47页 · 自编检查题

练习8 C-R 的常数结论

设 在区域 内解析,且 。证明 是常数,并说明为什么要说“区域”。

展开解析:虚部不变会锁住实部

,由 C-R 得 。沿 中任意连接两点的折线积分可知 取同一常数,因此 。连通性使各个点属于同一个常数块;如果集合是两个互不相连的圆盘,可以在一个圆盘取 ,另一个取 ,局部均解析,却不是全体同一个常数。

2.6 · 原书习题45—47页

21 进入第三章之前的自查

看见 给出的函数,会写 C-R 并检查充分条件;看见有理式,会列全分母零点;看见 方程,会加 ;看见对数和非整数幂,会说明主值或分支;看见“解析”二字,会主动检查有没有开邻域。

八道检查题至少前七题应能独立完成。较长的反双曲公式和偏导反例构造可以查阅,但“C-R 不是只剩两条等式”“解析性是邻域性质”必须理解。这两点会决定第三章的积分定理能不能用。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第二章整理;正文印刷页24—44,章末习题45—47。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第二章含8道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月15日。