本文是《复变函数完全入门》系列的第一篇,覆盖复数的定义、运算、几何表示、欧拉公式和复平面。阅读本文仅需掌握高中数学中的实数运算和三角函数。本系列的目标是为理解势流理论中的保角变换打下完整的数学基础——保角变换是连接复变函数和空气动力学势流理论的数学桥梁。


第一部分:为什么要有复数

一、概念引入——一个简单方程引发的”数字危机”

1.1 问题

解方程 x2+1=0x^2 + 1 = 0

实数范围内无解——因为任何实数的平方都非负。但如果我们”强行”定义一个数 ii,使得 i2=1i^2 = -1,那么方程的解就是 x=±ix = \pm i

这个看起来很简单的”强行定义”,在16世纪引起了数学界激烈的争论。当时的数学家将 ii 称为”虚数”(imaginary number)——这个名称本身就带有贬义。

1.2 历史的五分钟

时间 人物 贡献
1545 卡尔达诺(Cardano) 在《大术》中首次使用 15\sqrt{-15} 计算三次方程的解——“虚数”的首次出场
1572 邦贝利(Bombelli) 系统地使用了 ii 的运算规则,被公认为复数的先驱
1748 欧拉 给出 eiθ=cosθ+isinθe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta——数学中最美的公式
1806 阿尔冈(Argand) 提出复平面(Argand图)——把复数”可视化”了
1832 高斯 正式采用”复数”(complex number)这个术语,并完成了复数理论的公理化

1.3 定义

复数(Complex Number) 是形如 z=a+biz = a + bi 的数,其中 a,ba, b 是实数,i=1i = \sqrt{-1}

  • a=Re(z)a = \text{Re}(z)——**实部**
  • b=Im(z)b = \text{Im}(z)——**虚部**
  • 复数的全体记为 C\mathbb{C}

两个复数相等a+bi=c+dia+bi = c+di 当且仅当 a=ca=cb=db=d


二、复数的运算

2.1 四则运算

运算 规则 举例
加减 (a+bi)±(c+di)=(a±c)+(b±d)i(a+bi)\pm(c+di) = (a\pm c)+(b\pm d)i (3+2i)+(14i)=42i(3+2i)+(1-4i)=4-2i
乘法 (a+bi)(c+di)=(acbd)+(ad+bc)i(a+bi)(c+di) = (ac-bd)+(ad+bc)i (1+2i)(34i)=11+2i(1+2i)(3-4i)=11+2i
除法 a+bic+di=(a+bi)(cdi)c2+d2\frac{a+bi}{c+di} = \frac{(a+bi)(c-di)}{c^2+d^2} 1i=i\frac{1}{i} = -i

乘法的手算例子

(2+3i)(12i)=2(12i)+3i(12i)=24i+3i6i2=2i+6=8i (2+3i)(1-2i) = 2(1-2i) + 3i(1-2i) = 2-4i+3i-6i^2 = 2 - i + 6 = 8 - i

2.2 共轭复数

z=a+biz = a+bi 的**共轭**记为 zˉ=abi\bar{z} = a - bi

重要性质:

  • zzˉ=a2+b2z \cdot \bar{z} = a^2 + b^2——**一个实数**
  • z1±z2=zˉ1±zˉ2\overline{z_1 \pm z_2} = \bar{z}_1 \pm \bar{z}_2
  • z1z2=zˉ1zˉ2\overline{z_1 z_2} = \bar{z}_1 \bar{z}_2

共轭在除法中的作用

1+2i34i=(1+2i)(3+4i)(34i)(3+4i)=(38)+(6+4)i9+16=5+10i25=15+25i \frac{1+2i}{3-4i} = \frac{(1+2i)(3+4i)}{(3-4i)(3+4i)} = \frac{(3-8)+(6+4)i}{9+16} = \frac{-5+10i}{25} = -\frac{1}{5} + \frac{2}{5}i

2.3 模长

z=a2+b2=zzˉ |z| = \sqrt{a^2 + b^2} = \sqrt{z\bar{z}}

几何含义:复平面上从原点到点 zz 的距离。


三、复数的几何表示——复平面

3.1 概念

在复平面上:

  • 水平轴 = 实轴(Re\text{Re}
  • 垂直轴 = 虚轴(Im\text{Im}
  • 每个复数 z=a+biz = a+bi 对应一个点 (a,b)(a,b)

3.2 极坐标表示

复数也可以用极坐标表示:

z=r(cosθ+isinθ) z = r(\cos\theta + i\sin\theta)

其中:

  • r=zr = |z|——模长
  • θ=arg(z)\theta = \arg(z)——**幅角**(argument),从正实轴开始逆时针的角度

实部和虚部的极坐标表达:

a=rcosθ,b=rsinθ a = r\cos\theta, \quad b = r\sin\theta

3.3 手算例子

复数 z=1+iz = 1 + i

  • 模:z=12+12=2|z| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}
  • 幅角:θ=arctan(1/1)=π/4=45\theta = \arctan(1/1) = \pi/4 = 45^\circ

极坐标:z=2(cosπ4+isinπ4)z = \sqrt{2}(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4})


四、欧拉公式——数学中最美的方程

4.1 公式

欧拉公式

eiθ=cosθ+isinθ \boxed{e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta}

这是数学中最重要的公式之一。它将三个看起来毫不相关的数学对象——指数函数、三角函数、虚数单位——联系在了一起。

4.2 特殊取值

θ=π\theta = \pi

eiπ+1=0 e^{i\pi} + 1 = 0

这就是欧拉恒等式——数学中五个最重要的常数出现在同一个方程中:e,i,π,1,0e, i, \pi, 1, 0

4.3 极坐标的指数形式

利用欧拉公式,复数的极坐标形式可以写成:

z=reiθ \boxed{z = r e^{i\theta}}

乘法的几何意义

z1z2=r1eiθ1r2eiθ2=r1r2ei(θ1+θ2) z_1 z_2 = r_1 e^{i\theta_1} \cdot r_2 e^{i\theta_2} = r_1 r_2 e^{i(\theta_1 + \theta_2)}

即:模长相乘,幅角相加

除法的几何意义

z1z2=r1r2ei(θ1θ2) \frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2} e^{i(\theta_1 - \theta_2)}

n次幂(De Moivre公式):

zn=rneinθ=rn(cosnθ+isinnθ) z^n = r^n e^{in\theta} = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta)

4.4 手算例子:复数乘法

z1=2eiπ/3z_1 = 2e^{i\pi/3}z2=3eiπ/6z_2 = 3e^{i\pi/6}

乘积:

z1z2=23ei(π/3+π/6)=6eiπ/2=6i z_1 z_2 = 2\cdot 3 \cdot e^{i(\pi/3 + \pi/6)} = 6e^{i\pi/2} = 6i

验证(用代数形式):

z1=2(cos60+isin60)=1+3iz_1 = 2(\cos 60^\circ + i\sin 60^\circ) = 1 + \sqrt{3}i z2=3(cos30+isin30)=332+32iz_2 = 3(\cos 30^\circ + i\sin 30^\circ) = \frac{3\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i

乘积:

(1+3i)(332+32i)=332+32i+92i+332i2 (1+\sqrt{3}i)(\frac{3\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i) = \frac{3\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i + \frac{9}{2}i + \frac{3\sqrt{3}}{2}i^2 =332+6i332=6i = \frac{3\sqrt{3}}{2} + 6i - \frac{3\sqrt{3}}{2} = 6i

✓ 一致!


五、复数在微分方程中的出现——复特征根的意义

二阶 ODE 的特征方程可能有共轭复根 r=α±iβr = \alpha \pm i\beta

对应的解:

y=eαt(C1cosβt+C2sinβt) y = e^{\alpha t}(C_1\cos\beta t + C_2\sin\beta t)

复数的几何在这里变得非常自然:

  • eαte^{\alpha t}——模长变化(衰减或增长)
  • eiβte^{i\beta t}——单位圆上的旋转(振荡)

整个二阶系统的动态行为,就是复数在复平面上轨迹的实数投影。


六、完整概念地图

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实数 ℝ ──缺 i²=-1──→ 复数 ℂ

├── 代数形式: z = a + bi
├── 极坐标形式: z = r(cosθ + i sinθ) = re^(iθ)

├── 运算
│ ├── 加/减:分量运算
│ ├── 乘:模相乘,角相加
│ ├── 除:模相除,角相减
│ └── 幂:De Moivre 公式

├── 共轭: z·z̄ = |z|²

└── 欧拉公式: e^(iθ) = cosθ + i sinθ

└── 为什么复变函数可以"求导"

七、核心公式速查卡

公式 含义
z=a+biz = a + bi 复数的代数形式
z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2+b^2} 模长
zˉ=abi\bar{z} = a - bi 共轭
z=r(cosθ+isinθ)=reiθz = r(\cos\theta + i\sin\theta) = re^{i\theta} 极坐标/指数形式
z1z2=r1r2ei(θ1+θ2)z_1z_2 = r_1r_2e^{i(\theta_1+\theta_2)} 乘法:模相乘角相加
zn=rneinθz^n = r^ne^{in\theta} De Moivre 幂公式

参考文献

  1. Brown, J. W., & Churchill, R. V. (2013). Complex Variables and Applications (9th ed., Chapter 1). McGraw-Hill. ISBN: 978-0-07-338317-0.
  2. Needham, T. (1997). Visual Complex Analysis. Oxford University Press. — 复变函数最直观的入门书
  3. Euler, L. (1748). Introductio in Analysin Infinitorum (Vol. 1, Chapter 8). — 欧拉公式的原文
  4. Gauss, C. F. (1832). “Theoria residuorum biquadraticorum”. — 复数术语的正式确立

下一节:解析函数与柯西-黎曼方程

复变函数可以”求导”吗?可以——但条件比实变函数苛刻得多。柯西-黎曼方程是复可微的门槛,也是势流理论中坐标变换的关键。