การวิเคราะห์เชิงซ้อน

ฟังก์ชันที่นิยมศึกษาในสาขาการวิเคราะห์เชิงซ้อนคือ ฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิก ซึ่งสามารถหาอนุพันธ์เชิงซ้อนได้ทุกจุดในโดเมน และสามารถประมาณค่าได้ด้วยอนุกรมเทย์เลอร์รอบจุดนั้น ฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกทุกฟังก์ชันจึงเป็น ฟังก์ชันวิเคราะห์

การวิเคราะห์เชิงซ้อนเป็นสาขาพื้นฐานของคณิตศาสตร์ที่มีมาอย่างยาวนานตั้งแต่ศตวรรษที่ 18 นักคณิตศาสตร์สำคัญที่มีผลงานในสาขานี้เช่น เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ แบร์นฮาร์ท รีมันน์ โอกุสแต็ง-หลุยส์ โคชี คาร์ล ไวเออร์ชตราส และ ลาร์ส อาห์ลฟอร์ส ตลอดจนนักคณิตศาสตร์ในศตวรรษที่ 20 คนอื่น ๆ

บทประยุกต์สำคัญของการวิเคราะห์เชิงซ้อนคือใช้ในระบบพลวัตเชิงซ้อน ซึ่งเป็นการพิจารณาระบบพลวัตของฟังก์ชันเชิงซ้อน และภาพแฟรกทัลที่เกิดขึ้นจากระบบพลวัติเชิงซ้อนนั้น ในทางทฤษฎีจำนวน การวิเคราะห์เชิงซ้อนเป็นเครื่องมือสำคัญของทฤษฎีจำนวนเชิงวิเคราะห์ โดยผ่านฟังก์ชันในการวิเคราะห์เชิงซ้อนรูปแบบหนึ่งซึ่งเรียกว่า ฟังก์ชันมอดุลาร์

ฟังก์ชันเชิงซ้อน คือฟังก์ชัน ${\displaystyle f\colon \mathbb {C} \to \mathbb {C} }$  จากเซตของจำนวนเชิงซ้อน ไปยังเซตของจำนวนเชิงซ้อน

ฟังก์ชันเชิงซ้อน ${\displaystyle f}$  จะหาอนุพันธ์ที่จุด ${\displaystyle z_{0}\in \mathbb {C} }$  ได้ก็ต่อเมื่อลิมิต

${\displaystyle f'(z_{0})=\lim _{z\to z_{0}}{\frac {f(z)-f(z_{0})}{z-z_{0}}}}$ 

หาค่าได้ ซึ่งเป็นนิยามที่คล้ายคลึงกับนิยามการอนุพันธ์ของฟังก์ชันค่าจริง แต่เนื่องจากลิมิตของจำนวนเชิงซ้อนต้องหาค่าได้ทุกทิศทาง และไม่จำเพาะเฉพาะทิศทางซ้ายและขวา (หรือบวกและลบ) อย่างในลิมิตของฟังก์ชันค่าจริง ความแตกต่างนี้ทำให้ฟังก์ชันเชิงซ้อนที่หาอนุพันธ์ได้มีลักษณะแตกต่างจากฟังก์ชันค่าจริงที่หาอนุพันธ์ได้

ฟังก์ชันเชิงซ้อนที่หาอนุพันธ์ได้ทุกจุดบนเซตเปิด ${\displaystyle \Omega \subseteq \mathbb {C} }$  บางเซตของจำนวนเชิงซ้อนจะเรียกว่า ฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกบน ${\displaystyle \Omega }$ 

สมบัติสำคัญของฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิก เช่น

• ฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกทุกฟังก์ชันสามารถหาอนุพันธ์ได้เป็นอนันต์
• ฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกทุกฟังก์ชันเป็นฟังก์ชันวิเคราะห์ นั่นคือ สำหรับแต่ละจุดในโดเมน ฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกสามารถเขียนแทนได้ด้วยอนุกรมกำลังที่ลู่เข้า

เครื่องมือสำคัญในการวิเคราะห์เชิงซ้อนอีกอันหนึ่งคือ ปริพันธ์ตามเส้น

บนระนาบเชิงซ้อน ทฤษฎีบทปริพันธ์ของโคชีกล่าวว่า หากพิจารณาปริพันธ์ตามเส้นของเส้นโค้งปิด (ซึ่งเรียกว่าปริพันธ์ตามเส้นรอบขอบ) และฟังก์ชันที่หาปริพันธ์เป็นฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกบนบริเวณที่ทางเดินปิดนั้นล้อมรอบ แล้วปริพันธ์จะมีค่าเท่ากับศูนย์โดยทันที และค่าของฟังก์ชันในบริเวณปิดดังกล่าว จะหาได้จากปริพันธ์ตามเส้นตัวหนึ่งบนทางเดินปิดนั้น (ดู สูตรปริพันธ์ของโคชี) ในบางครั้ง เราสามารถใช้การหาปริพันธ์ตามเส้นบนระนาบเชิงซ้อน เพื่อหาปริพันธ์ของฟังก์ชันค่าจริงบางตัวได้ ซึ่งเรียกวิธีการนี้ว่า วิธีการปริพันธ์ตามเส้นรอบขอบ

ฟังก์ชันเชิงซ้อนบางตัวจะมี โพล ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้ค่าของฟังก์ชันเชิงซ้อนไม่มีขอบเขต เราสามารถคำนวณ เรซิดิว สำหรับแต่ละโพลได้ ซึ่งเรซิดิวจะใช้ในการหาปริพันธ์ตามเส้นรอบขอบได้ ความสัมพันธ์นี้ปรากฏใน ทฤษฎีบทเรซิดิว