初等函数多值与分支

第 3 章的算题几乎都归结为同一件事:先写成指数形式,再决定取哪个分支。下面五道是标准题型,覆盖对数、复幂、反三角。

对数函数

例 1:Ln(−1) 与 ln⁡(−1)

−1 的模为 1、辐角主值为 π,故

Ln(−1)=ln⁡1+i(π+2kπ)=i(2k+1)π,k∈Z

即 Ln(−1)={…,−iπ, iπ, 3iπ,…}(多值);主值为

ln⁡(−1)=iπ
常见错误

把 Ln(−1) 直接写成 iπ 是漏掉了多值性;把 ln⁡(−1) 写成 iπ+2kπi 是把主值和全体值混为一谈。判据只有一条:大写 Ln 多值、小写 ln 主值(本库约定,教材恰好相反,见 复数的指数形式)。

幂函数

例 2:(−1)i 的全部值与主值

按复幂定义 zc=ecLnz,取 z=−1、c=i:

(−1)i=exp⁡[i⋅i(2k+1)π]=exp⁡[−(2k+1)π],k∈Z

所以全部取值是

…, e−3π, e−π, eπ, e3π, …

它们全是正实数,且随 k 增大向 0 凝聚、随 k 减小无限增大。主值(取 ln⁡(−1)=iπ)为 e−π。

例 3:ii 的全部值与主值

由 i=eiπ/2 得

Lni=i(π2+2kπ),k∈Z

代入定义:

ii=exp⁡[i⋅i(π2+2kπ)]=exp⁡[−(π2+2kπ)]

即

⋯, e−5π/2, e−π/2, e3π/2, e7π/2, ⋯

这些值全部是正实数:随 k 增大单调减小并向 0 凝聚,随 k 减小则无限增大;主值为 e−π/2。

对比地,12=exp⁡(22kπi)=cos⁡(22kπ)+isin⁡(22kπ),由于 2 是无理数,这些值都落在单位圆上且互不相同,主值为 1。

结果落在哪里,由底数与指数共同决定

例 2 与例 3 都落在正实轴上(这本身就反直觉),12 落在单位圆上,一般情形则散布到整个平面上(模按几何级数伸缩、可无限接近 0 也可无界,辐角稠密)。注意无论哪种情形,取值本身就是可数的一列点,不是一片区域。

反三角函数与反双曲函数

例 4:arccos⁡2

由 反三角函数与反双曲函数 的对数表示

arccos⁡z=−iLn(z+z2−1)

取 z=2:z2−1=3,平方根取主值 3,于是

arccos⁡2=−iLn(2+3)=−iln⁡(2+3)

最后一步用了 Ln 的主值(2+3>0,故主值取实对数)。结果为纯虚数,说明实 arccos 在 [−1,1] 之外虽然无实值,但作为复函数仍处处有定义。

注意平方根 z2−1 也可取 −3,此时 z+z2−1=2−3,得 −iln⁡(2−3)=iln⁡(2+3);再叠加对数带来的 2kπ,arccos⁡2 的全部取值就是

±iln⁡(2+3)+2kπ,k∈Z

两族取值互为相反数(差 2kπ),原因很直接:w=arccos⁡z 即 cos⁡w=z,而 cos 是偶函数,所以 ±w 都是解。

例 5:arcsin⁡i

计算 arcsin⁡i。代入公式并取主值分支,注意 i⋅i=−1、1−i2=2,于是

arcsin⁡i=−iLn(−1+2)=−iln⁡(2−1)=iln⁡(2+1)

最后一步用了 ln⁡(2−1)=−ln⁡(2+1)。结果纯虚,说明 arcsin 可以把纯虚数映为纯虚数,这一点在实函数中是无从谈起的(实 arcsin 只在 [−1,1] 上有定义)。

算这类题的三步

  1. 化成指数形式:把底数或自变量写成 reiθ,明确 r 与一个具体的 θ;
  2. 套公式并带上 2kπ:对数/复幂写全多值,方根写 θ+2kπn,别漏掉 θ 的除法;
  3. 按题意取分支:要主值就固定 k=0 并用 arg,要全部值就保留 k∈Z,并说明取值集合的结构(有限个、无穷个、落在哪条曲线上)。

相关笔记

教材 §29–§32、§35