刘维尔定理与代数基本定理

刘维尔定理

若 f 是有界整函数,即 f 在整个复平面上 解析 且存在常数 M 使

|f(z)|≤M(对一切 z∈C)

则 f 必为常数。

证明

f 是整函数,故在任意 z0 的一个任意大的圆盘 |z−z0|≤R 上解析。由 解析函数的导数公式 中的柯西不等式

|f′(z0)|≤MRR≤MR

令 R→∞,得 f′(z0)=0。因 z0 是任意的,故 f′≡0;而区域上导数恒为零的解析函数为常数。

这一定理说明"解析 + 有界"是非常强的条件:在复平面上,整函数只要有界就退化。对照实函数,sin⁡x 有界但显然不是常数 —— 这是复分析与实分析的重要差别(关键在于复平面是"没有边界、没有两端"的)。

代数基本定理

设

P(z)=a0+a1z+⋯+anzn,an≠0, n≥1

是 n 次复系数多项式,则 P(z) 在复平面内至少有一个零点;进一步,P 在复数域内恰有 n 个零点(计重数),并可分解为

P(z)=an(z−z1)(z−z2)⋯(z−zn)

证明(反证)

若 P(z) 在复平面上处处不为零,则

f(z)=1P(z)

是整函数。又当 |z|→∞ 时 |P(z)|→∞,故 |f(z)|→0,于是 f 有界。由刘维尔定理 f 为常数,从而 P 为常数,与 n≥1、an≠0 矛盾。

这说明复数域是代数闭域。实系数多项式在实数范围内可能没有根(如 z2+1=0),但在复数范围内总能分解到底 —— 例如 z2+1=(z−i)(z+i)。

相关:解析、幂函数、解析函数的导数公式、最大模原理

教材 §49