虚数填补了数学的那一个缺口？

复数是人类数域扩充的一大步，如我一样的学渣恨它(太难了)，大佬爱它(太美了)。大概从大一高等代数与它相遇开始，这个让数学爱好者又爱又恨的东西便产生了。

1

复数诞生——代数学家的记号

我猜想复数的引入是一些代数学家干的，当他们在求解方程x^2+1=0时，创造性的假设有±i两个根，开始引入了复数。

而且显然，i和1是R-线性无关的(就是说没有两个非零实数a、b能满足a+bi=0)，于是自然而然的张成了一个二维R-线性空间，被记作C。(自然，高中课本更愿意把z∈C看做a+bi也正基于此——二维向量嘛)

随后他们很快就定义了一套加减法出来，也就像是高中课本所说的那样。

2

欧拉公式——欧拉的技巧

上过高数的一定忘不了泰勒公式，作为实函数微分学的最高成就，给多少学生留下了心理阴影。

泰勒展开

这个时候，大数学家欧拉来了。欧拉是个天才，天赋应当说除了伽罗瓦以外数学家里应该是在第一梯队的。当然他也有很多“混”出来的结论，比如说那个著名的π^2/6。在复变领域，他依旧有很敏锐的洞察力——他看到上面exp、sin、cos项泰勒展开都有一样的系数——除了正负号以外。于是他引入了虚数，带进去，诶，成立了！

欧拉的技巧

当然把x=π带进去就是幼儿园小朋友都知道的e^(iπ)+1=0这条烂大街的公式了。

欧拉公式在物理系被经常使用，一般是以傅里叶的形式出现——这个记号大大简化了傅里叶的形式、体现了傅里叶的性质(评论区大佬提出：主要体现在能够很好的描述相位)。

3

复分析——分析学的美丽乐章

不同于我们物理系的选手，隔壁数学系的人总是要“浪费”大量时间纠结在定义上。Taylor展开固然美丽，但需要可导这些条件——等等，复空间上exp、cos、sin都没定义，哪来的可导性质？

数学家开始研究复变函数的严格定义。首先复空间上的度量是很好定义的，就按二维欧氏空间来就好了(就是高中的模长)。由此函数的极限就可以定义了，自然，级数、导数的东西也有了。

多项式函数本就是可以定义的，于是数学家干了个事情——把结论当成定义推广(这是数学发展贯穿始终的一个手法，随处可见)——用泰勒级数去定义了exp、sin、cos之流的东西。

此外还有一个描述解析性质充要条件的柯西黎曼方程，连起了数分和复分析，将实函数的结论带入复分析中。

柯西黎曼方程

如果说数学分析最深刻的两个公式是泰勒公式和牛顿-莱布尼茨-格林-高斯-斯托克斯公式，一个标志着微分学的巅峰，一个标志着积分学的巅峰，复分析最深刻的我猜想是下面的两个公式。

柯西积分公式

洛朗级数

可以看到复分析的高阶导数，其实是用积分定义的，这跟实的完全不一样，至于洛朗级数——泰勒的推广，非常深刻。

柯西积分公式也有很多导出结论，比较著名的最小模定理、刘维尔定理、留数定理等等。

我们不妨说一下刘维尔定理：一个全纯函数如果(绝对值)有界必然是常函数，柯西积分公式反证法一步出答案(证明留作习题答案略)，作者凭借这个史上最短证明一举拿下博士学位——他的博士导师是欧姆，没错，电阻那个欧姆定律的欧姆。

4

代数闭域——代数学家的喜讯

代数学基本定理，这个高中生人尽皆知的、也是高斯一生(高斯自认为)最伟大的贡献——一个一元n次复多项式在复平面内有n个根就可以来自这里(虽然高斯本人最早的证法远不如用复分析证明的简洁)。

用复分析工具(刘维尔定理)变得异常简洁：

代数学基本定理的简要证明：n次多项式只要有一个根，数学归纳即可证明。

一般叫基本定理的都很深刻，比如说算数基本定理、微积分基本定理之类的，代数基本定理告诉大家——复数是代数闭域！

有了代数闭域，代数学家就能搞事情了，比如线性代数里折磨每一个大一新生的Jordan标准型。

若尔当标准型

后面若尔当标准型还将在矩阵函数、常微分方程里反复出现，成为学渣心里挥之不去的痛。

5

黎曼猜想——菲尔茨奖在向你招手

还有些人接着在做分析，比如引入了解析延拓什么的。其中最著名的莫过于黎曼猜想。

黎曼函数

如果你能证明上面这个黎曼函数的所有非平凡零点(就是不包括负偶数的零点)实部都是1/2，你将获得菲尔兹奖——菲尔茨奖在向你招手！

据说这个东西跟数论什么的都有联系(评论区大佬说与素数分布有关)，在数学界有很重要的地位。具体我就不太懂了，坐等相关领域大佬补充。

END

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