极坐标形式的C-R方程

许多函数写成极坐标 z=reiθ 后形式最简,例如 ln⁡|z|、arg⁡z、zn。此时若先转回直角坐标再套 C-R方程,展开计算会很繁琐;把 C-R 方程本身用 (r,θ) 写出,就能直接在极坐标下判断解析性。

极坐标下的 C-R 方程

设 f(z)=u(r,θ)+iv(r,θ),其中 z=reiθ 且 r>0,则 f 可微当且仅当 u,v 作为 (r,θ) 的函数可微,并且

ur=1rvθ,vr=−1ruθ

也可逐项写出:

∂u∂r=1r∂v∂θ,∂v∂r=−1r∂u∂θ

与直角坐标的 ux=vy、uy=−vx 只差一个因子 1r。

只在 r>0 处有效

因子 1r 在 z=0 处失效,极坐标形式的 C-R 方程不能用来讨论原点处的可微性。它适用的区域总是不含原点的

导数公式

在满足上述方程的点处,导数有两个等价写法:

f′(z)=e−iθ(ur+ivr)=1iz(uθ+ivθ)

推导思路:由 x=rcos⁡θ、y=rsin⁡θ 用链式法则把 ur,uθ 表示成 ux,uy 的组合(v 同理),代入直角坐标的 f′(z)=ux+ivx,再用 C-R 方程消去 uy,vy,即得第一式;把 uθ,vθ 的链式法则表达式乘以 1iz=e−iθir 并整理,就得到第二式。两式在极坐标下分别对应"沿径向求导"和"沿角向求导"两种看法。

用途

极坐标形式的优点是:函数的实部、虚部若天然以 r,θ 表出,就不必展开成 x,y 的多项式。常见做法是直接算出 ur,uθ,vr,vθ,验证两条方程是否处处成立,成立则 f 在该区域内解析,并可顺手读出 f′(z)。

以 f(z)=zn 为例,u=rncos⁡nθ、v=rnsin⁡nθ,于是

ur=nrn−1cos⁡nθ=1rvθ,vr=nrn−1sin⁡nθ=−1ruθ

两条方程在不含原点的区域上处处成立(n≥1 时在整个 C 上成立),故 zn 解析,且 f′(z)=e−iθ⋅nrn−1einθ=nzn−1,与 幂函数 的结论一致。

判据选择

实部虚部含 |z|、arg⁡z 或写成 rncos⁡nθ 形式时优先用极坐标形式;含 x,y 的多项式时用直角坐标的 C-R方程 更快。两者是同一组条件的两种写法,结论必须一致。

例题

见 解析性与C-R方程#极坐标形式的C-R方程。

教材 §22