总感觉所有的函数都能最后能够用初等函数表达式来表达,数学中有一个专有名词来形容这种感觉,解析函数。 但是感觉不一定就是对的。

常见的解析函数:

  • 多项式函数: 例如 f(z) = a₀ + a₁z + a₂z² + … + aₙzⁿ
  • 指数函数: f(z) = eᶻ
  • 三角函数: sin(z), cos(z), tan(z) 等
  • 对数函数: log(z) (需要选择合适的支点)
  • 有理函数: 两个多项式函数的商
  • 一些特殊函数: 例如 Bessel 函数、Gamma 函数等

解析函数的性质:

  • 可导性: 解析函数在其解析区域内是无限次可导的。
  • 柯西-黎曼方程: 如果一个复变函数 f(z) = u(x, y) + iv(x, y) 在某个区域内解析,则其实部 u(x, y) 和虚部 v(x, y) 满足柯西-黎曼方程:
    ∂u/∂x = ∂v/∂y
    ∂u/∂y = -∂v/∂x
    
  • 唯一性定理: 如果两个解析函数在某个区域内相等,则它们在整个复平面上都相等。
  • 解析延拓: 如果一个函数在某个区域内解析,则它可以唯一地延拓到更大的区域内。

非解析函数的研究方法

  • 分段研究: 很多非解析函数是由分段函数定义的,例如绝对值函数 f(z) = |z|。对于这类函数,可以将它们分解成不同的解析函数片段,并在每个片段上分别进行研究。 然后,需要仔细分析函数在分段点处的行为,例如连续性、可导性等。

  • 逼近理论: 可以尝试用解析函数序列来逼近非解析函数。例如,可以用多项式函数逼近连续函数,或者用傅里叶级数逼近周期函数。 通过分析逼近函数序列的性质,可以推断出原函数的一些性质。 这类方法在数值分析和信号处理中非常有用。

  • 分布理论 (Distribution Theory): 分布理论是研究广义函数的理论,可以用来处理一些非常不规则的函数,例如狄拉克δ函数。 在分布理论的框架下,可以定义非解析函数的导数等概念,并进行相关的分析。 这类方法在物理学和工程学中有着广泛的应用。

  • 利用函数的特定性质: 对于一些特殊的非解析函数,可以利用它们的特定性质进行研究。 例如,对于共轭函数 f(z) = z̅,可以利用它的几何意义来理解它的性质。

  • 数值方法: 对于难以进行解析研究的非解析函数,可以采用数值方法进行研究。 例如,可以使用有限差分法或有限元法来求解包含非解析函数的微分方程。 这类方法在实际应用中非常重要。

非解析函数不需要函数表达式吗?

非解析函数的表达式则可能更加复杂,或者无法用初等函数来表达。例如:

  • 分段函数: 需要用多个表达式来描述不同区间上的函数值。
  • 狄拉克δ函数: 无法用传统的函数表达式来描述,需要借助分布理论来定义。
  • 由积分或微分方程定义的函数: 可能没有显式的表达式,只能通过数值方法或其他间接方法来研究。