多复变函数论笔记 - 第一章 全纯函数 - 第一节 复欧氏空间

复欧氏空间

定义

对 𝑛∈ℕ+,定义 𝑛 个复平面的笛卡尔积为 𝑛 维复数空间

ℂ𝑛={𝑧:𝑧=(𝑧1,𝑧2,⋯,𝑧𝑛),𝑧𝑗∈ℂ,1≤𝑗≤𝑛},

其具有自然的 𝑛 维复向量空间结构。ℂ𝑛 上的标准 Hermite 内积为

⟨𝑎,𝑏⟩=∑𝑗=1𝑛𝑎𝑗𝑏𝑗¯,𝑎,𝑏∈ℂ𝑛,

该内积产生的范数 ‖𝑎‖=⟨𝑎,𝑎⟩ 诱导出了 ℂ𝑛 中的欧氏距离

dist(𝑎,𝑏)=‖𝑎−𝑏‖,∀𝑎,𝑏∈ℂ𝑛.

为与一维复空间的 |𝑧|=𝑧𝑧¯ 书写形式统一,对 𝑧∈ℂ𝑛,也记 |𝑧|=‖𝑧‖。

与 ℝ2𝑛 的联系

定义以 𝑎∈ℂ𝑛 为圆心,𝑟>0 为半径的开球为

𝐵(𝑎,𝑟)={𝑧∈ℂ𝑛:|𝑧−𝑎|<𝑟}.

设 𝑧=(𝑧1,𝑧2,⋯,𝑧𝑛)∈ℂ𝑛,记 𝑧𝑗=𝑥𝑗+𝑖𝑥𝑗+𝑛,𝑥𝑗,𝑥𝑗+𝑛∈ℝ,则映射

𝑓:ℂ𝑛→ℝ2𝑛,𝑓(𝑧)=(𝑥1,⋯,𝑥2𝑛)

是 ℂ𝑛 到 ℝ2𝑛 的一个实线性同构,且对 ℝ2𝑛 上的 L-2 范数有 |𝑓(𝑧)|2=|𝑧|,所以 𝑓(𝐵(𝑎,𝑟)) 为 ℝ2𝑛 上以 𝑓(𝑎)∈ℝ𝑛 为圆心,𝑟>0 为半径的开球,即 ℂ𝑛 与 ℝ2𝑛 拓扑同胚。

由此可将 ℝ2𝑛 中的拓扑、分析的通常概念替换到 ℂ𝑛 中。

基础概念

开集
设 𝐷⊂ℂ𝑛 为一点集,若 ∀𝑎∈𝐷,∃𝑟>0,使得 𝐵(𝑎,𝑟)⊂𝐷,则称 𝐷 为开集。
连通集
设 𝐷⊂ℂ𝑛 为一点集,若 𝐷 不能表示为两个非空开集之并,则称 𝐷 是连通的。
区域
连通的开集。
相对紧子集
设 Ω⊂𝐷 为一子集,若其闭包 Ω¯⊂𝐷,则称 Ω 为 𝐷 的一个相对紧子集,记为 Ω⊂⊂𝐷。
多圆柱

定义以 𝑎=(𝑎1,⋯,𝑎𝑛)∈ℂ𝑛 为圆心,𝑟=(𝑟1,⋯,𝑟𝑛)(𝑟𝑗>0,1≤𝑗≤𝑛) 为(多)半径的开多圆柱为

𝑃(𝑎,𝑟)={𝑧∈ℂ𝑛:|𝑧𝑗−𝑎𝑗|<𝑟𝑗,1≤𝑗≤𝑛},

其为 ℂ 中 𝑛 个开圆盘的笛卡尔积。

多圆域
更一般地,称 𝑛 个复平面区域 𝐷𝑗∈ℂ(1≤𝑗≤𝑛) 的笛卡尔积 𝐷=𝐷1×⋯×𝐷𝑛 为一个多圆域。

点集 𝐴⊂ℂ𝑛 的拓扑边界记为 𝔟𝐴

绝对空间

称映射 𝜏:ℂ𝑛→ℝ+𝑛,𝑓(𝑎)=𝑓((𝑎1,⋯,𝑑𝑛))=(|𝑎1|,⋯,|𝑎𝑛|) 为绝对空间,ℂ𝑛 中点集在绝对空间下的像可更为方便地用几何表示。

容易画出 𝜏(𝐵(0,𝑟)) 和 𝜏(𝑃(0,(𝑟1,𝑟2))) 在绝对空间的图形如下

Hartogs 图形

当 𝑛>2 时,为简化书写,通常记 𝑧=(𝑧′,𝑧𝑛),其中 𝑧′=(𝑧1,⋯,𝑧𝑛−1)∈ℂ𝑛−1。

设 𝑟=(𝑟1,⋯,𝑟𝑛) 满足 0<𝑟𝑗<1,1≤𝑗≤𝑛,定义区域

𝐻(𝑟)={𝑧=(𝑧′,𝑧𝑛)∈ℂ𝑛:𝑧′∈𝑃′(0,𝑟′),|𝑧𝑛|<1}∪{𝑧=(𝑧′,𝑧𝑛)∈ℂ𝑛:𝑧′∈𝑃′(0,𝑟′),𝑟𝑛<|𝑧𝑛|<1}

称 (𝐻(𝑟),𝑃(0,1)) 这样的一个「对」为一个(欧式)Hartogs 图形。

𝐻(𝑟) 的图形可表示如下

Reinhardt 域

注意对 𝑟=(𝑟1,⋯,𝑟𝑛)∈ℝ+𝑛 而言,

𝜏−1(𝑟)={(𝑟1𝑒𝑖𝜃1,⋯,𝑟𝑛𝑒𝑖𝜃𝑛):0≤𝜃𝑗≤2𝜋,1≤𝑗≤𝑛}

是一个 𝑛 维的实环面(𝑛 个圆环的笛卡尔积)。因此有如下定义:

设 Ω⊂ℂ𝑛 为一点集,若 ∀𝑎∈Ω,环面

𝜏−1(𝜏(𝑎))={𝑧∈ℂ𝑛:𝑧=(𝑎1𝑒𝑖𝜃1,⋯,𝑎𝑛𝑒𝑖𝜃𝑛),0≤𝜃𝑗≤2𝜋,1≤𝑗≤𝑛}

也落在 Ω 内,则称 Ω 是圆形的。在 ℂ𝑛 中,只有圆形点集的绝对空间表示才是有意义的。

设 Ω⊂ℂ𝑛 为以原点为中心的开圆形域,则称 Ω 为 Reinhardt 域。若 Ω 还满足 ∀𝑎∈Ω,均有 𝑃(0,𝜏(𝑎))⊂Ω,则称 Ω 是完备的。𝐵(0,𝑟) 和 𝑃(0,𝑟) 是完备的 Reinhardt 域,但是 𝐻(𝑟) 是不完备的 Reinhardt 域。

考虑全纯函数的洛朗级数展开时就会遇到 Reinhardt 域,ℂ 中典型的完备 Reinhardt 域是以原点为圆心的开圆盘,而典型的不完备 Reinhardt 域是以原点为圆心的圆环区域。