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复变函数|基础运算

复变函数|基础运算#

复数运算#

在高中,我们学习过复数的基础概念。形如 x+yix+yi 的被称为复数,其中 xx实部yy虚部,其计算方式如下:

复数加法和减法#

复数的加减法运算遵循以下规则进行:

(x1+y1i)+(x2+y2i)=(x1+x2)+(y1+y2)i(x_1+y_1i) + (x_2 + y_2i) = (x_1 + x_2) + (y_1 + y_2)i \nonumber

复数乘法#

复数乘法遵循以下规则进行:

(x1+y1i)×(x2+y2i)=x1×x2+x1×y2i+y1i×x2+y1i×y2i=x1×x2+x1×y2i+y1i×x2y1×y2\begin{array}{l}(x_1 + y_1i) \times (x_2 + y_2i) &=& x_1\times x_2 + x_1 \times y_2i + y_1i \times x_2 + y_1i \times y_2i \\ &=& x_1\times x_2 + x_1 \times y_2i + y_1i \times x_2 - y_1 \times y_2 \end{array} \nonumber

复数除法#

复数除法遵循以下规则进行:

x1+y1ix2+y2i=(x1+y1i)(x2y2i)(x2+y2i)(x2y2i)\dfrac{x_1 + y_1i}{x_2 + y_2i} = \dfrac{(x_1 + y_1i)(x_2-y_2i)}{(x_2 + y_2i)(x_2-y_2i)} \nonumber

求实部 \Re 和虚部 \Im#

对于一个复数 a+bia+bi,求实部和虚部:

  • (x)=a\Re(x) = a
  • (z)=b\Im(z) = b

例如,对于 1+2i1+2i,则有如下解:

  • (x)=1\Re(x) = 1
  • (z)=2\Im(z) = 2

对于 42i4 - 2i,有如下解:

  • (x)=4\Re(x) = 4
  • (z)=2\Im(z) = -2

求模、辐角、辐角主值#

对于一个复数 a+bia+bi,求实部和虚部:

  • (x)=a\Re(x) = a
  • (z)=b\Im(z) = b

此时,其模 z|z| 有以下解法:

z=[(x)]2+[(x)]2=a2+b2|z| = \sqrt{[\Re(x)]^2 + [\Im(x)]^2} = \sqrt{a^2 + b^2} \nonumber

将实部与虚部放到复平面中(实部 = x,虚部 = y),则辐角主值(arg\arg)和辐角(Arg\text{Arg})为:

arg(z)(π,π]Arg(z)=arg(z)+2kπ\begin{align} &\arg(z) ∈ (-\pi , \pi ] \\ &\text{Arg}(z) = \arg(z) + 2k\pi \end{align}
NOTE

部分教材对于辐角主值(arg\arg)和辐角(Arg\text{Arg})的定义可能相反(即将辐角主值定义为 Arg\text{Arg},将辐角定义为 arg\arg

在本教程中,我们以辐角主值为 arg\arg 的定义为准,并在符号前均附上中文名词以确保可读性。

对于计算辐角 Arg\text{Arg},有以下情况对应公式:

Arg(z)={arctan ⁣(yx),x>0,arctan ⁣(yx)+π,x<0, y0,arctan ⁣(yx)π,x<0, y<0,π2,x=0, y>0,π2,x=0, y<0.\mathrm{Arg}(z)= \begin{cases} \arctan\!\left(\dfrac{y}{x}\right), & x>0, \\[6pt] \arctan\!\left(\dfrac{y}{x}\right)+\pi, & x<0,\ y\ge 0, \\[6pt] \arctan\!\left(\dfrac{y}{x}\right)-\pi, & x<0,\ y<0, \\[6pt] \dfrac{\pi}{2}, & x=0,\ y>0, \\[6pt] -\dfrac{\pi}{2}, & x=0,\ y<0. \end{cases} \nonumber

这一定义不依赖任何「特殊角记忆」,对所有复数都有效。

其中我们在高等数学一中学过,arctant=θ,  tanθ=t\arctan t = \theta,\ \ \tan\theta = t


求复数开方#

若要求 416^4\sqrt{16} (等价为 416+0i^4\sqrt{16 + 0i} ),用以下公式:

nz=zn×(cosθ+2kπn+i×sinθ+2kπn),k=1,2,n1\displaystyle ^n\sqrt{z} = |z|^{n} \times \Bigg( \cos{\frac{\theta + 2k\pi}{n}} + i \times \sin{\frac{\theta + 2k\pi}{n}}\Bigg), k = 1,2,\cdots n-1 \nonumber

将题目中的内容逐一代入即可。


代数式、三角式和指数式#

对于代数式、三角式和指数式,其公式如下:

  • 代数式:z=a+biz = a + bi
  • 三角式:z=r(cosθ+sinθ)z = r(\cos\theta +\sin\theta)
  • 指数式:z=reiθz = re^{i\theta}

其中,三者变量间的换算方式如下:

  • r=a2+b2r = \sqrt{a^2 + b^2}
  • θ=arg(z)\theta = \arg(z)(辐角主值)
  • a=rcosθa = r\cos\theta
  • b=rsinθb = r\sin\theta

通过以上转换公式,即可以完成代数式、三角式和指数式间的转换。

复数方程#

复数方程和一般方程#

一般方程转复数方程#

对于一般方程 Ax+By+C=0 Ax + By + C = 0Ax+By=CAx + By = C),若要将其转化为复数形式,只需将以下两个式子代入到原方程中:

  • x=z+zˉ2\displaystyle x = \frac{z + \bar{z}}{2}
  • y=zzˉ2i\displaystyle y = \frac{z-\bar{z}}{2i}

随后,化简为形如 Dz+Ezˉ+F=0Dz + E\bar{z} + F = 0 的形式即可。

复数方程转直角坐标方程方程#

面对「将 (A+zˉ)=B\Re(A + \bar{z}) = B(A+z)=B\Re(A + z) = B 化为直角方程」类题,只需将以下两个式子代入原方程:

  • z=x+yiz = x + yi
  • zˉ=xyi\bar{z} = x - yi

随后,将求出的实部代入回题中 \Re ,求出 x = … 或 y = … 即为直角坐标方程。


复数方程和参数方程#

参数方程转复数方程#

对于形如 {x=y=\displaystyle \begin{cases} x &=& \dots \\ y &=& \dots\end{cases} 的参数方程,若要求其复数方程,仅需将该方程直接代入到 z=x+yiz = x + yi 并进行化简即可。

复数方程化参数方程#

对于一个形如 z=A+Biz = A + Bi 的方程,若要将其转化为参数方程,只需从原方程中分离出实部和虚部,并写成 {x=实部y=虚部\displaystyle \begin{cases} x &=& \text{实部} \\ y &=& \text{虚部}\end{cases}

例如,对于 z=(1+i)t+2+iz = (1 + i)t + 2 + i,将其展开可得到实部为 t+2t + 2,虚部为 t+i t + i,则可得到参数方程:

{x=t+2y=t+i\displaystyle \begin{cases}x &=& t + 2 \\ y &=& t + i\end{cases} \nonumber

映射的象#

已知复数方程求象#

已知某一复数方程 z=z = \dots,则其映射的象有 w=z2\text{w} = z^2

已知辐角主值范围求象#

已知一复数的辐角主值为 A<arg(z)<BA < \arg(z) < B,求其在映射方程 w=z2\text{w} = z^2 下的象,只需遵循以下方法:

  1. z=reiθz = re^{i\theta},将其代入映射方程 w=z2\text{w} = z^2

  2. θ\theta 表示 arg(w)\arg(\text{w}) arg(w)=上一步中求的的 e 的次方内的 i 的系数\arg(\text{w}) = \text{上一步中求的的 e 的次方内的 i 的系数} 例如在这一例题的映射方程下,第一步代入得到 w=r2e2θ×i\text{w} = r^2 e^{2\theta \times i},则这一步中 arg(w)=2θ\arg(\text{w}) = 2\theta

  3. 计算:arg(w)=arg(w)θ×arg(z)\arg(\text{w}) = \dfrac{\arg{(\text{w})}}{\theta} \times \arg(z) 并将题中范围代入即可

已知 x,yx, y 表示的方程,求象#

已知某一方程,要求其在映射方程下的象。例如已知 2(x2+y2)+3x4y+1=02(x^2 + y^2) + 3x - 4y +1 = 0,求其在映射 w=1z\text{w} = \dfrac{1}{z} 下的象:

  1. 获得映射方程的反函数(z=1wz = \dfrac{1}{\text{w}},即将 w=\text{w} = \dots 化为 z=z = \dots 形式),并将 z=x+yi,w=u+viz = x + yi, \text{w} = u + vi 代入其中。
  2. 用式子右侧实部和虚部表示左侧 x, y。在此例题中,上一步代入得到 x+yi=1u+vi\displaystyle x + yi = \frac{1}{u + vi},分母合理化后为 x+yi=uu2+v2+vu2+v2ix + yi = \dfrac{u}{u^2 + v^2} + \dfrac{-v}{u^2 + v^2} i,则有以下情况:
    • x=uu2+v2x = \dfrac{u}{u^2 + v^2}
    • y=vu2+v2y = \dfrac{-v}{u^2 + v^2}
  3. 将第二步得到的 x,yx,y 代回原方程,化简即可。
复变函数|基础运算
https://fuwari.vercel.app/posts/复变函数基础运算/
Author
Montrong
Published at
2025-12-30
License
CC BY-NC-SA 4.0