解析函数的导数公式

定理(高阶导数公式)

设 f 在沿正向的简单闭围道 C 上及其内部 解析,z0 是 C 内部任意一点,则 f 在 z0 处存在各阶导数,且

f(n)(z0)=n!2πi∮Cf(z)(z−z0)n+1dz,n=0,1,2,…

其中 n=0 时就是 柯西积分公式。特别地

f′(z0)=12πi∮Cf(z)(z−z0)2dz,f″(z0)=22πi∮Cf(z)(z−z0)3dz

为什么这是"反常"的结论

实函数可导一次完全不能保证可导两次(例如 f(x)=x2sin⁡(1/x) 这类反例),而这里的结论是:复变函数只要在一个区域内解析,就在该区域无穷次可微。

证明思路:在柯西积分公式两端对 z0 求导,需要论证"积分号下求导"合法 —— 用 积分模的上界 证明相应的差商对 z 一致收敛,再对 n 归纳。

解析 ⇒ 各阶导数解析 ⇒ 各阶偏导数连续(回看 导数 中那条"f 可导的充分条件",原先额外假设的连续性其实可以去掉)。

柯西不等式

设 f 在 |z−z0|≤R 上解析,MR=max|z−z0|=R|f(z)|,则

|f(n)(z0)|≤n!MRRn

取 C 为圆周 |z−z0|=R,对高阶导数公式用 ML 估计即得(教材把这条不等式作为 §49 的引理单独给出)。这个不等式的价值在于:只要知道 f 在一个圆上的最大模,就能控制它在圆心处的所有导数。它是 刘维尔定理与代数基本定理 的唯一工具。

反用公式计算积分

把被积函数凑成 f(z)(z−z0)n+1,则

∮Cf(z)(z−z0)n+1dz=2πin!f(n)(z0)

例题

见 解析性与C-R方程#解析函数的导数公式。

另一道同型题(∮|z|=1sin⁡zz4dz)见 柯西积分公式应用#解析函数的导数公式。

相关:柯西积分公式、解析、最大模原理

教材 §48–§49