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复变函数 第1次作业

Chasse_neige

5.若 |z|=1,请证明对任意复数 ab,均有

|az+bbz+a|=1

证明:由于 |z|=1,所以 zz=1

|az+bbz+a|=|az+b||bz+a|=|az+b||bz+a|=|az+b||bz+a|=|az+b||zz(bz+a)|=|az+b||z(b+az)|=|az+b||z||az+b|=1

6.请利用单倍角的三角函数表示 cos(nθ)sin(nθ),并给出 cos(3θ)sin(3θ) 的具体表达式。

cos(nθ)=einθ+einθ2=12((cosθ+isinθ)n+(cosθisinθ)n)=12(k=0nikCnkcosnkθsinkθ+k=0n(i)kCnkcosnkθsinkθ)=12(2k=0[n2]i2kCn2kcosn2ksin2kθ)=k=0[n2]i2kCn2kcosn2kθsin2kθsin(nθ)=einθeinθ2i=12i((cosθ+isinθ)n(cosθisinθ)n)=12i(k=0nikCnkcosnkθsinkθn=0k(i)kcosnkθsinkθ)=12i(2in=0[n2]i2kCn2k+1cosn2k1θsin2k+1θ)=n=0[n2]i2kCn2k+1cosn2k1θsin2k+1θ

特别地,对于 n=3

cos(3θ)=k=01i2kC32kcos32kθsin2kθ=cos3θ3cosθsin2θsin(3θ)=n=01i2kC32k+1cos32k1θsin2k+1θ=3cos2θsinθsin3θ

7.请利用多倍角三角函数的线性关系表达 cosnθsinnθ,并给出 cos3θsin3θ 的具体表达式。

cosnθ=(eiθ+eiθ2)n=k=0[n+12]Cnkei(n2k)θ+ei(n2k)θ2n=12n1k=0[n+12]Cnkcos((n2k)θ)sinnθ=(eiθeiθ2i)n=k=0[n+12]Cnk(1)kei(n2k)θ+(1)nkei(n2k)θ(2i)n={1(2i)n1k=0[n2](1)kCnksin((n2k)θ)(n为奇数)1(2i)nk=0[n2]2(1)kCnkcos((n2k)θ)(n为偶数)

特别地,对于 n=3

cos3θ=122k=01C3kcos((32k)θ)=14(cos(3θ)+3cosθ)sin3θ=1(2i)2k=01(1)kC3ksin((32k)θ)=14(sin(3θ)3sinθ)

11 证明下列 Cauchy-Riemann 条件,其中 w=u+iv=ρeiφz=x+iy=reiθ

(a)

ur=1rvθ,vr=1ruθ

考虑沿着径向的逼近方式:

limΔz0ΔwΔz=limΔr0Δu+iΔveiθΔr=urcosθ+vrsinθ+i(vrcosθvrsinθ)

再考虑沿着角向的逼近方式:

limΔz0ΔwΔz=limΔθ0Δu+iΔvr(icosθsinθ)Δθ=1r((vθcosθuθsinθ)i(uθcosθ+vθsinθ))

对比上述二式,得到

urcosθ+vrsinθ=1r(vθcosθuθsinθ)vrcosθvrsinθ=1r(uθcosθ+vθsinθ)

ur=1rvθ,vr=1ruθ

14.已知函数 f(z)=u+iv 在区域 G 中解析,则对于常实数 abau+bv 在区域中也解析的条件为什么?并据此证明若在 GImf(z)=0,则 f(z) 为常函数。

也解析的条件:由于 f(z) 解析,所以 f(z) 的各个偏导数在区域 G 中连续,即 au+bv 的各个偏导数在区域 G 中连续,所以 au+bv 在区域中也解析的充要条件即为 Cauchy-Riemann 条件:

aux+bvx=uy+bvy=0

若在 GImf(z)=0,则 v=0,即有

ux=uy=0

由于由于 f(z) 解析,所以在区域 GuC1,所以在区域 Gdu=0

所以对于任意路径的积分有

u(x)u(x0)=x0xdu=0

f(z) 为常函数。

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