複素解析

1. 複素数と複素平面

(1) 複素数

\[ z = x + iy\quad (x,y\in\mathbb{R},\ i^2=-1) \]

(2) 複素平面(Argand 図)

x–y 平面にプロット。 絶対値:\(|z|=\sqrt{x^2+y^2}\) 偏角:\(\arg z\)

(3) オイラーの公式

\[ e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta \]

2. 複素関数と複素微分

(1) 複素関数

\[ f(z)=u(x,y)+iv(x,y) \]

(2) 複素微分の定義

\[ f'(z_0) = \lim_{z\to z_0} \frac{f(z)-f(z_0)}{z-z_0} \]

(3) 解析関数(正則関数)

ある領域で複素微分可能な関数を「正則」と呼ぶ。

3. コーシー・リーマンの方程式(CR方程式)

(1) 条件

\[ \frac{\partial u}{\partial x} =\frac{\partial v}{\partial y}, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} =-\frac{\partial v}{\partial x} \] を満たすとき、その点で f(z) は複素微分可能。

(2) 物理での意味

4. 等角写像(Conformal mapping)

(1) 定義

正則関数 f(z) は「角度を保存する写像」。

(2) 代表例

(3) 物理応用

5. 複素積分(経路積分)

(1) 経路積分

曲線 C に沿った積分: \[ \int_C f(z)\,dz \]

(2) 路に依らない条件

ある領域で正則であれば積分値は経路に依らない。

6. コーシーの積分定理

(1) 内容

f(z) が領域 D で正則なら \[ \oint_{\partial D} f(z)\,dz = 0 \]

(2) 物理への応用

7. コーシーの積分公式

(1) 公式

\[ f(a) = \frac{1}{2\pi i} \oint_{\partial D} \frac{f(z)}{z-a}\,dz \]

(2) n 階微分

\[ f^{(n)}(a) = \frac{n!}{2\pi i} \oint \frac{f(z)}{(z-a)^{n+1}}\,dz \]

(3) 重要性

8. Taylor 展開と Laurent 展開

(1) Taylor 展開(正則域)

\[ f(z)=\sum_{n=0}^{\infty} a_n (z-a)^n \]

(2) Laurent 展開(特異点周り)

\[ f(z)=\sum_{n=-\infty}^{\infty} c_n (z-a)^n \]

(3) 物理での意味

9. 特異点の分類

(1) 除去可能特異点

Laurent 展開に負のべきが出ない。

(2) 極(Pole)

\[ f(z) \sim \frac{A}{(z-a)^m} \] の形を持つ。

(3) 本質的特異点

Laurent 展開に負の無限項を持つ。 (例)\(e^{1/z}\)

10. 留数(Residue)と留数定理

(1) 留数の定義

Laurent 展開の \((z-a)^{-1}\) の係数: \[ \operatorname{Res}(f,a)=c_{-1} \]

(2) 留数定理

\[ \oint f(z)\,dz = 2\pi i \sum \operatorname{Res}(f,a_k) \]

(3) 物理での応用

11. ローラン展開からの極の階数判定

(1) m 次の極

\[ (z-a)^m f(z) \] が正則で 0 でなければ m 次の極。

(2) 留数の公式(高階極)

\[ \operatorname{Res}(f,a) = \frac{1}{(m-1)!} \lim_{z\to a} \frac{d^{m-1}}{dz^{m-1}} [(z-a)^m f(z)] \]

12. よく出る典型問題(物理系)

13. 複素解析の物理応用まとめ

参考URL

 

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