第一章 复数与复变函数精选PPT.ppt
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1、第一章复数与复变函数第1页,本讲稿共116页学习本课程的基本要求和注意事项课前课后应做好预习和复习;课前课后应做好预习和复习;按时、准时上课,不得无故迟到、早退按时、准时上课,不得无故迟到、早退和缺席;和缺席;加强点名加强点名;上课认真听讲,保持良好的课堂秩序;上课认真听讲,保持良好的课堂秩序;课后按时完成作业;课后按时完成作业;严格执行学校有关课堂教学的规章制度。严格执行学校有关课堂教学的规章制度。第2页,本讲稿共116页复变函数与积分变换教材:教材:复变函数与积分变换复变函数与积分变换(第二版),哈(第二版),哈尔滨工业大学数学系组编,盖云英、包革尔滨工业大学数学系组编,盖云英、包革军编,
2、科学出版社,军编,科学出版社,2007年。年。第3页,本讲稿共116页对象复变函数(自变量为复数的函数)主要任务主要任务研究复变函数之间的相互依赖关系,研究复变函数之间的相互依赖关系,具体地就是复数域上的微积分具体地就是复数域上的微积分.主要内容主要内容复变函数的积分、级数、留数、复变函数的积分、级数、留数、共形映射等共形映射等.复数与复变函数、解析函数、复数与复变函数、解析函数、第4页,本讲稿共116页学习方法复变函数中许多概念、理论、和复变函数中许多概念、理论、和方法是实变函数在复数域内的推方法是实变函数在复数域内的推广和发展,它们之间有许多相似广和发展,它们之间有许多相似之处之处.但又有
3、不同之处,在学习但又有不同之处,在学习中要善于比较、区别、特别要注中要善于比较、区别、特别要注意复数域上特有的那些性质与结意复数域上特有的那些性质与结果果.第5页,本讲稿共116页背景 复数是十六世纪人们在解代数方程时引进的复数是十六世纪人们在解代数方程时引进的.为使为使负数开方有意义,需要再一次扩大数系,使实数域扩大负数开方有意义,需要再一次扩大数系,使实数域扩大到复数域到复数域.但在十八世纪以前,由于对复数的概念及但在十八世纪以前,由于对复数的概念及性质了解得不清楚,在历史上长时期人们把复数看作性质了解得不清楚,在历史上长时期人们把复数看作不能接受的不能接受的“虚数虚数”.直到十八世纪,直
4、到十八世纪,J.DAlembert与与L.Euler等人逐步阐明等人逐步阐明了复数的几何意义和物理意义,澄清了复数的概念,并且了复数的几何意义和物理意义,澄清了复数的概念,并且应用复数和复变函数研究了流体力学等方面的一些问题应用复数和复变函数研究了流体力学等方面的一些问题.复数才被人们广泛承认接受,复变函数论才能顺利建复数才被人们广泛承认接受,复变函数论才能顺利建立和发展立和发展.第6页,本讲稿共116页复变函数的理论基础奠定于十九世纪复变函数的理论基础奠定于十九世纪.A.L.Cauchy和和K.Weierstrass分分别应别应用用积积分和分和级级数研究数研究复复变变函数,函数,G.F.B.
5、Riemann研究复研究复变变函数的映照性函数的映照性质。他质。他们是这一时期的三位代表人物们是这一时期的三位代表人物.经过他们的巨大努力,复经过他们的巨大努力,复变函数形成了非常系统的理论,且渗透到了数学的许多分变函数形成了非常系统的理论,且渗透到了数学的许多分支,同时,它在热力学,流体力学和电学等方面也得到了支,同时,它在热力学,流体力学和电学等方面也得到了很多的应用很多的应用.二十世纪以来,复变函数已被广泛地应用在理论物理、二十世纪以来,复变函数已被广泛地应用在理论物理、弹性理论和天体力学等方面,与数学中其它分支的联系也弹性理论和天体力学等方面,与数学中其它分支的联系也日益密切日益密切.
6、第7页,本讲稿共116页第一章复数与复变函数复数复数:形如形如:z=x+iy或或z=x+yi的数,其中的数,其中x和和y是任是任意意的的实实数,数,i是虚数单位是虚数单位(-1的平方根)的平方根).x和和y分别称为的实部和虚部,分别记作:分别称为的实部和虚部,分别记作:注:复数相等是指它们的实部与虚部分别相等.如果Imz=0,则z可以看成一个实数;如果Imz不等于零,那么称z为一个虚数;如果Imz不等于零,而Rez=0,称z为一个纯虚数.第8页,本讲稿共116页虚数单位的特性:第9页,本讲稿共116页2.复数的四则运算复数的四则运算定义为:全体复数引入以上的四则运算后就称为复数域.记为C,复数
7、域可以看成实数域的扩张.注:在复数域中不能规定复数像实数那样的大小关系.第10页,本讲稿共116页z1+z2=z2+z1;z1z2=z2z1;(z1+z2)+z3=z1+(z2+z3);z1(z2z3)=(z1z2)z3;z1(z2+z3)=z1z2+z1z3.运算规律复数的运算满足交换律、结合律、分配律.(与实数相同)即,第11页,本讲稿共116页例题:解解第12页,本讲稿共116页1.2复平面复数的向量表示法第13页,本讲稿共116页oxy(z)P(x,y)xy 称向量的长度为复数称向量的长度为复数z=x+iy的的模模或或绝对值绝对值;以正实轴以正实轴为始边为始边,以以为终边的角的为终边的
8、角的弧度数弧度数称为复数称为复数z=x+iy的的辐角辐角.(z0时时)复数的模与辐角第14页,本讲稿共116页辐角无穷多:辐角无穷多:Argz=0+2k,kZ,把其中满足把其中满足的的0称为辐角称为辐角Argz的主值,的主值,记作记作0=argz.z=0z=0时,辐角不确定时,辐角不确定.计算计算argz(z0)的公式的公式第15页,本讲稿共116页三角表示根据直角坐标与极坐标的关系,非零复数根据直角坐标与极坐标的关系,非零复数的三角表示定义为:的三角表示定义为:第16页,本讲稿共116页指数表示第17页,本讲稿共116页加法与减法加法与减法 两个复数的加减法运算与相应的向量的加减法运两个复数
9、的加减法运算与相应的向量的加减法运算一致算一致.第18页,本讲稿共116页关关于于两两个个复复数数的的和和与与差差的的模模,有有以以下下不不等式:等式:第19页,本讲稿共116页例题第20页,本讲稿共116页2第21页,本讲稿共116页1.3共轭复数共轭复数的性质定义若z=x+iy,称z=xiy为z 的共轭复数.(conjugate)第22页,本讲稿共116页第23页,本讲稿共116页例1.3.1试用复数表示圆的方程:其中,其中,a,b,c,d是实常数。是实常数。解:利用解:利用第24页,本讲稿共116页定理定理1 1 两个复数乘积的模等于它们的模相乘,两个复数乘积的模等于它们的模相乘,两个复
10、数乘两个复数乘积积的的辐辐角等于它角等于它们们的的辐辐角相加角相加.证明证明 :设设z z1 1=r r1 1(cos(cos1 1+i isinsin1 1)=)=r r1 1e eii1 1 z z2 2=r r2 2(cos(cos2 2+i isinsin2 2)=)=r r2 2e eii2 2 则则 z z1 1z z2 2=r r1 1r r2 2(cos(cos1 1+i isinsin1 1)(cos)(cos2 2+i isinsin2 2)=r r1 1r r2 2cos(cos(1 1+2 2)+)+i isin(sin(1 1+2 2)=r r1 1r r2 2e e
11、i i(1+1+2)2)1.4 乘方与开方因此因此|z1z2|=r1r2,Arg(z1z2)=Argz1+Argz2第25页,本讲稿共116页几何意义:几何意义:将复数将复数z1按按逆时针逆时针方向旋转一个角度方向旋转一个角度Argz2,再将其伸缩到再将其伸缩到|z2|倍倍.定理定理1可推广到可推广到n 个复数的乘积个复数的乘积.oxy(z)z1z2z2第26页,本讲稿共116页定理定理2两个复数的商的模等于它们的模的商,两个复数的商的模等于它们的模的商,两个复数的商的辐角等于被除数与除两个复数的商的辐角等于被除数与除数的辐角之差数的辐角之差.于是于是Argz=Argz2-Argz1即即由复数
12、除法的定义由复数除法的定义z=z2/z1,即,即z1z=z2|z|z1|=|z2|及及Argz1+Argz=Arg z2(z10)证明第27页,本讲稿共116页第28页,本讲稿共116页由公式有:由三个是内角容易得到:第29页,本讲稿共116页例作出过复平面C上不同两点a,b的直线及过不共线三点a,b,c的圆的表示式。第30页,本讲稿共116页作出过不共线三点a,b,c的圆的表示式。a,c,b,z构成一个圆内接四边形第31页,本讲稿共116页复数的乘方利用复数的三角表示,我们也可以考虑复利用复数的三角表示,我们也可以考虑复数的乘方:数的乘方:rn ein特别:当特别:当|z|=1时,即:时,即
13、:zn=cosn+isinn,则有,则有(cos+isin)n=cosn+isinn ein-DeMoivre公式公式(n对所有整数成立对所有整数成立).(n为正整数)为正整数)第32页,本讲稿共116页问题问题给定复数给定复数z=re i ,求所有的满足,求所有的满足n=z 的复数的复数.复数的方根(开方)(开方)乘方的逆运算乘方的逆运算当当z0时,有时,有n个不同的个不同的值与值与相对应,每一相对应,每一个这样的个这样的值都称为值都称为z 的的n次方根,次方根,第33页,本讲稿共116页 当当k=0=0,1 1,n-1-1时,可得时,可得n个不同的根,而个不同的根,而k取其取其它整数时,这
14、些根又会重复出现它整数时,这些根又会重复出现.几何上,的n个值是以原点为中心,为半径的圆周上n个等分点,即它们是内接于该圆周的正n边形的n个顶点.xyo第34页,本讲稿共116页第35页,本讲稿共116页复球面与无穷远点第36页,本讲稿共116页0N1.5复球面与无穷远点第37页,本讲稿共116页x1x2x3oz(x,y)xyP(x1,x2,x3)x1x2x3N(0,0,2r)除了复数的平面表示方法外,还可以用球面上的点来表示复数.对复平面内任一点z,用直线将z与N相连,与球面相交于P点,则球面上除N点外的所有点和复平面上的所有点有一一对应的关系,而N点本身可代表无穷远点,记作.这样的球面称作
15、复球面.第38页,本讲稿共116页扩充复数域-引进一个“新”的数:扩充复平面-引进一个“理想点”:无穷远点.约定:称称为扩充复平面,记为为扩充复平面,记为。关于无穷远点,我们规定其实部、虚部、辐角无意义,模等于:第39页,本讲稿共116页1.6复平面上的点集第40页,本讲稿共116页1.6复平面上的点集第41页,本讲稿共116页1.6复平面上的点集内点内点:设D为一个平面点集,z0有一个领域全包含于D内,则称z0为D的内点。开集:开集:若D内的每一点都是内点,则称D是开集.边界点边界点:若点P的任何邻域中都包含D中的点及不属于D的点,则称P是D的边界点;边界:边界:D的所有边界点组成D的边界,
16、记为。D-区域内点外点P第42页,本讲稿共116页1.6复平面上的点集有界集有界集:若存在:若存在M 0,对任意对任意z D,均有均有|z|M,则,则D是有界是有界区域区域;否则为;否则为无界集无界集.即,若存在一个以原点为中心的圆盘包含即,若存在一个以原点为中心的圆盘包含D,则称,则称D为有界集,否则称为无界集为有界集,否则称为无界集例如,复平面、实轴、虚轴是无界集,复例如,复平面、实轴、虚轴是无界集,复平面是无界开集。平面是无界开集。zxy有界!o第43页,本讲稿共116页1.6复平面上的点集点集点集D和平面上一点(不必属于和平面上一点(不必属于D)之间的)之间的关系进行考虑,若的关系进行
17、考虑,若的z0任何邻域都有任何邻域都有D的无的无穷多个点,称为穷多个点,称为极限点(或聚点)极限点(或聚点)。例如,集合例如,集合E=z|0|z-a|0,集合称为无穷远点的一个r邻域。第46页,本讲稿共116页区域第47页,本讲稿共116页定义区域:如果平面点集如果平面点集D满足以下两个条件满足以下两个条件,则称它为一则称它为一个区域个区域.(1)D是一个是一个开集开集;(2)D是是连通的连通的,就是说就是说D中任何两中任何两点都可以用完全属于点都可以用完全属于D的一条折线的一条折线连结起来连结起来.区域D加上加上D的边界称为闭域。记为的边界称为闭域。记为 DD+Dz1z2D第48页,本讲稿共
18、116页说明说明(2)区域的边界可能是由区域的边界可能是由几条曲线和一些孤立的点几条曲线和一些孤立的点所组成的所组成的.(1)区域都是开的区域都是开的.以上基本概念的图示区域区域邻域邻域边界点边界点边界边界不包含边界!第49页,本讲稿共116页第50页,本讲稿共116页(1)圆环域圆环域:课堂练习判断下列区域是否有界?(2)上半平面上半平面:(3)角形域角形域:(4)带形域带形域:答案答案(1)有界有界;(2)(3)(4)无界无界.第51页,本讲稿共116页定义定义1.7连续曲线连续曲线:平面曲线平面曲线C的复数表示的复数表示:C的实参数方程C的复参数方程起点z()C终点z()zxyCC的正向
19、:起点终点o第52页,本讲稿共116页没有重点的曲线没有重点的曲线C 称为简单称为简单曲线曲线(或若尔当曲线或若尔当曲线).).重点重点重点重点换句话说换句话说,简单曲线自身不相交简单曲线自身不相交.z(t1)=z(t2)不是简单闭曲线第53页,本讲稿共116页光滑曲线第54页,本讲稿共116页光滑曲线如果如果和和都在闭区间都在闭区间a,b上连续,且上连续,且有连续的导函数,在有连续的导函数,在a,b上,上,则称集合则称集合为一条光滑曲线;类似地,可以定义分段为一条光滑曲线;类似地,可以定义分段光滑曲线。光滑曲线。由几段依次相接的光滑曲线所组成的曲线由几段依次相接的光滑曲线所组成的曲线称为称为
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