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定理已证明

刘维尔定理(复分析)

命题陈述

任何有界整函数必为常数:若 f:C→Cf : \mathbb{C} \to \mathbb{C} 在整个复平面 C\mathbb{C} 上全纯,且存在实常数 M≥0M \ge 0 使得对所有 z∈Cz \in \mathbb{C} 都有 ∣f(z)∣≤M|f(z)| \le M,则 ff 是常值函数。

为什么成立?

在实数直线 R\mathbb{R} 上,像 sin⁡x\sin x 这样的光滑函数可以在保持介于 −1-1 和 11 之间的同时永远振荡。但在复平面 C\mathbb{C} 中,全纯函数无法做到这一点:平均值性质迫使任意一点处的函数值严格等于以该点为中心、任意大半径 RR 的圆周上的平均值。如果函数在 C\mathbb{C} 上处处被限制在半径为 MM 的圆盘内,那么在越来越大的圆周上取平均就会使导数没有非零的余地——非常数的整函数若要产生任何变化,就必须在某个方向上无界增长(例如 ∣sin⁡(iy)∣=sinh⁡∣y∣→∞|\sin(iy)| = \sinh|y| \to \infty)。

证明思路

固定任意 z0∈Cz_0 \in \mathbb{C},在半径为 R>0R > 0 的圆周 CR={∣z−z0∣=R}C_R = \{|z - z_0| = R\} 上对一阶导数应用柯西积分公式:f′(z0)=12πi∮CRf(z)(z−z0)2 dzf'(z_0) = \frac{1}{2\pi i} \oint_{C_R} \frac{f(z)}{(z - z_0)^2}\,dz。沿周长 2πR2\pi R 利用 ∣f(z)∣≤M|f(z)| \le M 与 ∣z−z0∣=R|z - z_0| = R 估计该积分,得到柯西估计式 ∣f′(z0)∣≤12π⋅MR2⋅2πR=MR|f'(z_0)| \le \frac{1}{2\pi} \cdot \frac{M}{R^2} \cdot 2\pi R = \frac{M}{R}。令 R→∞R \to \infty,即迫使对每个 z0∈Cz_0 \in \mathbb{C} 都有 f′(z0)=0f'(z_0) = 0;由于 C\mathbb{C} 连通,故 ff 为常数。(历史上,奥古斯丁–路易·柯西于1844年发表了这一证明;约瑟夫·刘维尔在1847年的讲义中讲述了该结果,定理因此得名。)

提出者

证明者

用到此定理的主题

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分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Lars V. Ahlfors (1979). Complex Analysis
  2. Reinhold Remmert (1991). Theory of Complex Functions