C-R方程

若复变函数 f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 在 z0 处可微,则其实部与虚部并不独立:在 (x0,y0) 处必须满足 C-R(Cauchy–Riemann)方程

∂u∂x=∂v∂y,∂u∂y=−∂v∂x

必要性

设 f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 在 z0=x0+iy0 处可微(可导),则 u(x,y) 与 v(x,y) 在 (x0,y0) 处的偏导数都存在,且在该点满足 C-R 方程

ux=vy,uy=−vx

充分性

设 u(x,y) 与 v(x,y) 在 (x0,y0) 的某个邻域内有定义,其偏导数 ux,uy,vx,vy 在 (x0,y0) 处存在且连续,并且在该点满足 C-R 方程 ux=vy、uy=−vx,则 f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 在 z0 处可微(可导),且

f′(z0)=ux+ivx=vy−iuy
两个前提都不能少

“偏导数存在 + C-R 方程”本身不足以保证可微,还需要偏导数连续(或直接设 u,v 可微);而必要性只要求可微,并不要求偏导数连续。

极坐标形式

在极坐标 z=reiθ 下,C-R 方程与导数写成

ur=1rvθ,vr=−1ruθ,f′(z)=e−iθ(ur+ivr)

推导与用法见 极坐标形式的C-R方程。

几何意义

设 f 在 z0 可微且 f′(z0)≠0,则它的线性化(Jacobi 矩阵)在 C-R 方程下形如

(uxuyvxvy)=(a−bba),a=ux, b=vx

即“乘以复数 a+ib=f′(z0)”。于是 f 在 z0 附近把每个小图形统一伸缩 |f′(z0)| 倍并旋转 arg⁡f′(z0),因此过 z0 的任意两条曲线在映射后夹角不变——这就是解析函数的保角性。

教材 §20–§21