奇妙脑洞:复数理论和应用简介
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发布时间：2023-04-11 16:09
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时间：2023-09-25 12:49
数学的发展是一个逐渐扩展的过程。一开始人们发明了整数，然后发明了分数、负数、小数，认识到了 这样的无理数存在，随着解析几何的发展，又出现了向量这种多元概念。而在在这个过程中，无论是对数还是对向量进行加减乘除运算的结果都是一个数。但是数学家们自然而然就会想到，如果运算结果是二元数会怎么样？如果做一个定义： 就可以得到对四则运算自洽的二元数代数体系。称 形式的数为复数，其中 .这时候可以对这样的数系进行加减乘除运算。这是16世纪人们做的一个自然的想象。
18世纪以高斯为代表的数学家定义了复数的“长度”和“角度”。怎么做到的呢？因为这样的二元数，我们可以把它当作一个向量画在直角坐标系上。这样的向量之间满足平行四边形法则，它的乘法实际上也类似于线性代数乘法的旋转+伸缩。
欧拉恒等式的几何证明（复数乘积的三角形法+单位圆）
这个视频是关于欧拉公式 的几何证明的，介绍了复数乘法在几何图形上的基本原理
而根据2-范数形式定义的复数的长度的公式是： ,这个式子可以写成另外一种形式 ,其中 .这个绝对值定义与实数域的绝对值在形式上不同，但其实思想是一致的。它会导出很多逻辑上自洽但是形式上令人困惑的式子，很容易让爱钻牛角尖的初学者纠结其中。
除了定义长度（模），还可以定义辐角，也就是这个向量到横轴（实数轴）的夹角 ,并且分局简单的几何关系随之得出复数的三角表示法：
同时根据欧拉公式，复数还有指数表示法， 这里的 一般就直接写成了 ，意义是复数的辐角。
有了复数这个“二元数”以后，我们可以用它做很多事情。比如，对于 形式的曲线，可以通过下面的恒等式把它画成复数形式： 其他的解题步骤就不再一一介绍了。
而复数域的指数函数形式如下： 这为后面的傅立叶变换埋下了伏笔。当然，傅立叶变换是一个完整的学科，在信号与系统中有大量涉及，并不是本文的主题。
下面要引入几个重要概念。
首先定义复变函数的导数。
点可导：
区域可导： 在区域内任意点可导。
然后定*析函数的概念。
点解析： 在 及其领域内可导，就称为 在 这个点解析。
区域解析： 在区域内每一点解析，就称 在区域内解析。
若 在 不解析，就称 为 的奇点。
解析函数的和、差、积、商和复合都是解析函数。函数可导和解析分别有充要条件如下，这个条件来源于流体力学。 在 可导的充要条件是： 和 在 可微，且在 处满足条件 ，此时有
而函数解析的充要条件则是在点 的领域内可微，其他条件都相同。注意，只要能说明u和v在点或者区域内具有一阶连续偏导数，那么他就在点或者区域内是可微的，这是数学分析告诉我们的知识。这时候只要再满足上述条件，就可以推出可导或解析性。
然后复变函数有一个重要的定理——柯西积分公式：设 在区域 内解析， 为 内任一正向简单闭曲线， 的内部完全属于 ， 为 内任意一点，则
其中一个直接的推论是：
怎样计算复变函数的积分呢？
1. 在区域 内处处不解析，用一般积分法
2. 在区域 内解析，
若 是 内的一条正向简单闭曲线，由柯西-古萨定理，
若 是 内的一条非闭曲线， 对应曲线 的起点和终点，则有
3. 在区域 内不解析，
曲线 内只有一个奇点：
曲线 内有多于一个奇点：
（ 内只有一个奇点 ）
或： （留数基本定理）
若被积函数不能写成 形式，则须改用留数定理计算。
调和函数可以快速判断一个函数是否解析，这里不详细介绍。
复变函数的级数和泰勒展开可以推导出洛朗展开，利用展开成的洛朗级数可以求围线积分。
孤立奇点分为几种：可去奇点、极点和本性奇点。
下面介绍留数基本定理。
设 在区域 内除有限个孤立奇点 外处处解析， 为 内包围诸奇点的一条正向简单闭曲线，则
留数定理把求沿简单闭曲线积分的整体问题转化为求被积函数 在 内各孤立奇点处留数的局部问题。
复变函数的应用积分变换，主要有傅立叶变换和拉普拉斯变换。本篇就不介绍了。
