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序
复数ABC
是2维的数,其全体构成是复平面
,这是认识复数最方便的几何对象。我们中学接触的实数域上的连续函数,都可以在坐标系下画出曲线;然而,以复数作为变量的函数——复变函数,在复平面上是无法画出曲线的,因为复变函数本质上是复平面到自身的变换。
)是平移变换,乘法(
)是旋转和伸缩变换。欧拉公式(
)十分直白地体现了复数乘法的特性:
相乘,辐角
相加。
幂函数
,用欧拉公式去表示,
其几何意义很显然:将模长变成原来的n次方,辐角扩大为n倍。
对于复平面的作用,我们看到原来的正交的网格变成了彼此正交的抛物线(即所谓的共形变换),请读者自行证明。
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,即平方函数的反函数有重要的意义,它形象生动地解释了为什么平方根有两个,即
当我们围绕支点(上图原点)正向旋转,当我们处于这样的空间:原地旋转6圈才能回到起点,这听起来就像是科幻小说。
多项式函数
,即重根的情况。这样一来,多项式函数
可以视为对复平面逐次进行乘积变换。为方便讨论,我们不妨令多项式函数的首项系数
.
表示恒等映射,即
-
当
时,复平面沿着
方向平移了
个单位;
-
当
时,如下图,设
和
是多项式的两个零点,即
和
,
是复平面上其他任意一点
. 两个橙色向量恰好就代表着复数
.
-

,其模长即是两复数模长乘积,关键在
辐角:两辐角之和
.
沿着包围
和
的绿色大圆转一圈,你会发现,
的辐角增加了
——两圈!这相当于绕着两个零点各转了一圈。
绕着
正向旋转一周时,复数
的辐角
始终在一个很小的范围变化,即
,辐角
对
并没有贡献。

特别地,让
两点逐渐重合
,函数就退化为重根的情形:
这与我们讨论过的平方函数是一回事。
让我们回到非重根的情形。多项式的像
在每个根
局部,和复平面上一点局部类似,此时绕着某个根
旋转,和绕一次函数
的效果是一样的,辐角的增加都是
;然而当闭曲线充分远离全体根,
的拓扑特性开始显现,从而实现原像复平面转1周,像
上就会转
周,同理可得,对于
而言会转
周。

表示函数沿着曲线
转动所增加的辐角,其中
与
分别表示 在
的内部的零点和极点的个数,而我们考虑的是多项式函数,不存在极点,即
,所以对于多项式函数的辐角定理:
次代数方程在复数域有
个根。
次多项式,沿半径充分大的圆的辐角增量一定是
,于是一定有
个零点。而根据儒歇定理(Rouche’s theorem),多项式函数的辐角变化,当圆充分大时,只取决于最高次幂
(其他较低次幂的项与之相比微不足道),而幂函数的辐角增量和次数
相关,从而一举完成了代数基本定理的证明。
因为我们画的各种曲面
,本就是基于多项式的分解。
不过,相信这样的分析不是徒劳的。
跋
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