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5-2-2 全纯函数的模在一个小圆盘上是常数推出此函数为常数

是的,如果一个全纯函数在一个小圆盘上(即在某个开集上)的模是常数,那么通过柯西-黎曼(Cauchy-Riemann)方程可以推出这个全纯函数在这个小圆盘上是常数。

详细证明

假设 \( f(z) \) 是在开集 \( U \subset \mathbb{C} \) 上的全纯函数,并且在某个小圆盘 \( D(z_0, r) \subset U \) 上 \( |f(z)| = c \),其中 \( c \) 是一个常数。我们需要证明 \( f(z) \) 在 \( D(z_0, r) \) 上是常数。 设 \( f(z) = u(x, y) + iv(x, y) \),其中 \( z = x + iy \),\( u \) 和 \( v \) 分别是 \( f \) 的实部和虚部。因为 \( f \) 是全纯函数,它满足柯西-黎曼方程: \[ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \] \[ \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} \] 由于 \( |f(z)| = c \),我们有 \[ |f(z)|^2 = u(x, y)^2 + v(x, y)^2 = c^2 \]

计算 u 和 v 的导数

对上述等式两边分别对 \( x \) 和 \( y \) 求导,得到: \[ \frac{\partial}{\partial x} (u(x, y)^2 + v(x, y)^2) = 0 \] \[ 2u \frac{\partial u}{\partial x} + 2v \frac{\partial v}{\partial x} = 0 \] \[ u \frac{\partial u}{\partial x} + v \frac{\partial v}{\partial x} = 0 \] 类似地,对 \( y \) 求导,得到: \[ \frac{\partial}{\partial y} (u(x, y)^2 + v(x, y)^2) = 0 \] \[ 2u \frac{\partial u}{\partial y} + 2v \frac{\partial v}{\partial y} = 0 \] \[ u \frac{\partial u}{\partial y} + v \frac{\partial v}{\partial y} = 0 \]

使用柯西-黎曼方程

利用柯西-黎曼方程: \[ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \] \[ \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} \] 我们可以把这些导数代入上面的等式中: \[ u \frac{\partial v}{\partial y} + v \frac{\partial v}{\partial x} = 0 \] \[ u (-\frac{\partial v}{\partial x}) + v \frac{\partial v}{\partial x} = 0 \] \[ -u \frac{\partial v}{\partial x} + v \frac{\partial v}{\partial x} = 0 \] \[ (v - u) \frac{\partial v}{\partial x} = 0 \] 由于这对任意的 \( z \) 成立; \[ \, \] 类似地,可以得到: \[ u \frac{\partial u}{\partial y} + v (-\frac{\partial u}{\partial x}) = 0 \] \[ u \frac{\partial u}{\partial y} - v \frac{\partial u}{\partial y} = 0 \] \[ (u - v) \frac{\partial u}{\partial y} = 0 \] 从而: \[ \frac{\partial u}{\partial x} = 0 \quad 且 \quad \frac{\partial u}{\partial y} = 0\] 或 \[ u = v \] 而当 u = v 时,将 u = v 代入C-R方程可得 \[ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial u}{\partial y} \quad \text{和} \quad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial u}{\partial x} \] 结合以上两条等式,可以得出: \[ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial u}{\partial y} = 0 \]

结论

对于函数 \( f(z) \), \( u \) 和 \( v \) 的偏导数都是零。 这表明 \( u \) 和 \( v \) 都是常数。因此,\( f(z) \) 在 \( D(z_0, r) \) 上是常数。

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