解析函數與柯西-黎曼方程

複導數(complex derivative)

在實數線上,導數量度的是曲線的斜率——當你微微推動輸入時,輸出變化得多快。複導數問的是同一個問題:f'(z) 就是 f 在點 z 處的變化率,只不過現在輸入 z 與輸出 f(z) 都是複數,所以「推動」z 意味著在平面上朝任何方向移動它。

形式上,f'(z_0) 是差商 (f(z) - f(z_0)) / (z - z_0) 當 z 趨近 z_0 時的極限。關鍵在於:z 可以從無窮多個方向趨近 z_0——沿實軸、沿虛軸、沿螺線、任何方式——而我們要求無論怎麼趨近都得到同一個極限值。若此值存在,它就是 f'(z_0)。例如對 f(z) = z^2,差商為 (z^2 - z_0^2)/(z - z_0) = z + z_0,趨於 2 z_0,故 f'(z) = 2z,與實數情形完全一致。

這種「與方向無關」正是整門學科的核心。把 z = x + i y 看成平面映射時,一個實可微的映射只要偏導數存在並線性地組合即可;但複可微的映射必須滿足遠為嚴苛的條件,這份額外的剛性正由柯西-黎曼方程刻畫。回報極為豐厚:一個函數只要在開集上具有「一次」複導數,竟然就有無窮多次導數並等於自身的冪級數——這在實變數中毫無對應。

對 f(z) = z^2 在 z_0 = 1 + i 處:差商為 z + z_0,從任何方向都趨於 2(1 + i),故 f'(1 + i) = 2 + 2i。

與方向無關:每一條趨近路徑給出相同答案,這正是它成為複導數的關鍵。

f'(z_0) 存在遠比把 f 當作雙變數映射的實可微更強;後者允許極限隨方向而異,前者則禁止。

又称
f'(z)複可導數