复变函数 $\mathrm{Ln}z$ 或 $\mathrm{Log}z$ 的定义.
复变函数 $\mathrm{Ln}z$ 或 $\mathrm{Log}z$ 的定义.
和实函数 $y=\ln x$ 的定义类似, 若复数 $\omega$ 满足 $e^{\omega}=z$, 则定义 $\mathrm{Ln}z=\omega$.
由于
\[
e^{\omega+i2k\pi}=e^{\omega}.
\]
因此, $f(z)=\mathrm{Ln}z$ 是一个多值函数. 设 $z=re^{i\theta}$, $\omega=u+iv$, $u,v$ 是实数. 则
\[
z=e^{\omega}=e^{u+iv}=e^u\cdot e^{iv}=e^u(\cos v+i\sin v)
\]
于是 $r=e^u$, 从而 $u=\ln r=\ln|z|$. $v=\theta+2k\pi$, $k$ 是任意整数.
\[
f(z)=\mathrm{Ln}z=u+iv=\ln r+i(\theta+2k\pi)
\]
如果仅考虑 $k=0$, $\theta=\arctan\frac{y}{x}$, 这里 $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$, 则称这样的 $\mathrm{Ln}z$ 函数是其中的一个(主)分支.
验证: $\mathrm{Ln}z$ 在任一分支上满足柯西-黎曼方程(Cauchy-Riemann equation), 从而 $\mathrm{Ln}z$ 在分支上是全纯函数.
由于满足柯西-黎曼方程是复变函数 $f(z)$ 可导(即全纯)的充要条件, 故
\[
\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}f(z)=\frac{\partial u}{\partial x}+i\frac{\partial v}{\partial x}.
\]
或简记为 $f'(z)=u_x+iv_x$.
Claim.
\[
\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}\mathrm{Ln}z=\frac{1}{z}
\]
参考自 [1] 第二卷 第九章 复变函数.
References:
[1] A. D. 亚历山大洛夫 等 著 《数学，它的内容、方法和意义》, 科学出版社