留数定理

\gdef\red#1{{\color{cb8680}{#1}}} \gdef\green#1{{\color{4f8d63}{#1}}} \gdef\gray#1{{\color{gray}{#1}}} \gdef\purple#1{{\color{B189C6}{#1}}} \gdef\orange#1{{\color{dfa04b}{#1}}} \gdef\white#1{{\color{white}{#1}}}

留数

留数定义

  • 定义:考虑 aaf(z)f(z)孤立奇点,因此存在 R>0R > 0 使得 ffN(a,R){a}N(a, R) - \{a\} 中解析。定义 ffaa 处的 留数 (residue)

    Resz=af(z)12πiza=ρ<Rf(z)dz\green{\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z)} \coloneqq \frac{1}{2\pi i} \oint_{|z - a| = \rho < R} f(z) dz

留数

留数定义

  • 定义:考虑 aaf(z)f(z)孤立奇点,因此存在 R>0R > 0 使得 ffN(a,R){a}N(a, R) - \{a\} 中解析。定义 ffaa 处的 留数 (residue)

    Resz=af(z)12πiza=ρ<Rf(z)dz\green{\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z)} \coloneqq \orange{\frac{1}{2\pi i}} \oint_{|z - a| = \rho < R} f(z) dz

    留数的记号

    留数的记号因人而异,可以写

    Resf(a),Res(f,a),Resz=af(z),Reszaf(z),\operatorname{Res}f(a), \quad \operatorname{Res}(f, a), \quad \operatorname{Res}\Big|_{z = a}f(z), \quad \mathop{\operatorname{Res}}_{z \to a}f(z), \quad \cdots

留数

留数定义

只有一个奇点

根据设定,ff 在去心邻域内解析,因此积分围道 包围一个奇点 aa

奇点类型

aa 可以是 ff 的任意孤立奇点,三种都行

留数

留数定义

ρ\rho 无关性

显然积分与 ρ\rho 无关,只要 0<ρ<R0 < \rho < R

围道

积分围道 不一定 是圆圈,只要是在 N(a,R){a}N(a, R) - \{a\} 中的简单围道即可。

留数

留数定义

Laurent 展开系数

ff0<za<R0 < |z - a| < R 中解析,因此可 Laurent 展开,

f(z)=n=+λn(za)nf(z) = \sum_{n = - \infty}^{+\infty} \lambda_n (z - a)^n

其中,

λ1=12πiza=ρf(ζ)dζ=Resz=af(z)\lambda_{-1} = \frac{1}{2\pi i} \oint_{|z - a| = \rho} f(\zeta) d\zeta = \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z)

留数

留数例子

  • 考虑 f(z)=λzf(z) = \frac{\lambda}{z}

    奇点是 00,是 单极点f(z)=+0+λz1+0+f(z) = \cdots + 0 + \lambda z^{-1} + 0 + \cdots

    留数 Resz=0f(z)=λ\mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0}f(z) = \lambda

  • 考虑 f(z)=λz1f(z) = \frac{\lambda}{z - 1}

    奇点是 11,是 单极点f(z)=+0+λ(z1)1+0+f(z) = \cdots + 0 + \lambda (z - 1)^{-1} + 0 + \cdots

    留数 Resz=1f(z)=λ\mathop{\operatorname{Res}}_{z = 1}f(z) = \lambda

留数

留数例子

  • 考虑 f(z)=λz2f(z) = \frac{\lambda}{z^2}

    奇点是 00,是 二阶极点f(z)=+0+λz2+0+f(z) = \cdots + 0 + \lambda z^{-2} + 0 + \cdots

    留数 Resz=0f(z)=0\mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0}f(z) = 0

  • 考虑 f(z)=λz3f(z) = \frac{\lambda}{z^3}

    奇点是 00,是 三阶极点f(z)=+0+λz3+0+f(z) = \cdots + 0 + \lambda z^{-3} + 0 + \cdots

    留数 Resz=0f(z)=0\mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0}f(z) = 0

留数

留数例子

  • 高阶极点的留数为零?
  • 考虑 f(z)=1z2λz1f(z) = \frac{1}{z^2} \frac{\lambda}{z - 1}λ0\lambda \ne 0

  • 原点 是孤立奇点,且是 二阶极点

  • 以原点为中心,在去心邻域 0<z<10 < |z| < 1 内,

    f(z)=λz211z=λz2k=0zk=λz2 λzλ\begin{align*} f(z) &= - \frac{\lambda}{z^2} \orange{\frac{1}{1 - z}} = - \frac{\lambda}{z^2} \orange{\sum_{k = 0}z^k}= - \frac{\lambda}{z^2} \ \green{- \frac{\lambda}{z}} - \lambda - \ldots \end{align*}

    因此

    Resz=0f(z)=λ0\mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0} f(z) = - \lambda \ne 0

留数

留数例子

  • 考虑在 aa 某邻域中解析的函数 φ(z)\varphi(z),以及

    f(z)=1(za)mφ(z),m1f(z) = \frac{1}{(z - a)^m} \varphi(z), \qquad m \ge 1

  • φ\varphi 做泰勒展开,

    f(z)=1(za)mk0φ(k)(a)k!(za)k=+1(za)mφ(m1)(a)(m1)!(za)m1+\begin{align*} f(z) &= \frac{1}{(z - a)^m} \orange{\sum_{k \ge 0} \frac{\varphi^{(k)}(a)}{k!} (z - a)^k} \\ &= \ldots + \frac{1}{\red{(z - a)^m}} \green{\frac{\varphi^{(m - 1)}(a)}{(m - 1)!}} \red{(z - a)^{m - 1}} + \ldots \end{align*}

留数

留数例子

  • 因此

    Resz=af(z)=φ(m1)(a)(m1)!\mathop{\operatorname{Res}_{z = a}} f(z) = \green{\frac{\varphi^{(m - 1)}(a)}{(m - 1)!}}

    高阶导数公式

    • 也可以用高阶导数公式:若 φ(z)\varphi(z)aa 某邻域内解析,

      Resz=af(z)=12πiφ(z)(za)mdz=1(m1)!φ(m1)(a)\operatorname{Res}_{z = a}f(z) = \frac{1}{2\pi i}\oint \frac{\varphi(z)}{(z - a)^m}dz = \frac{1}{(m - 1)!} \varphi^{(m - 1)}(a)

留数

留数的常用公式

  • 公式 1:Laurent 展开求 1-1 次幂系数

  • 公式 2:若 aamm-阶极点,则

    Resz=af(z)=1(m1)!dm1dzm1z=a[(za)mf(z)]\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) = \frac{1}{(m - 1)!} \frac{d^{m - 1}}{dz^{m - 1}}\bigg|_{z = a}\Big[ (z - a)^m f(z) \Big]

    mm

    注意 mmm1m - 1 的位置。当 m=1m = 1 的时候,定义 00 阶导数

    d0dz0z=a[(za)f(z)]=limza[(za)f(z)]\frac{d^0}{dz^0}\bigg|_{z = a} \Big[(z - a) f(z)\Big] = \lim_{z \to a}\Big[(z - a)f(z)\Big]

留数

留数的常用公式

  • 公式 2:若 aamm-阶极点,则

    Resz=af(z)=1(m1)!dm1dzm1z=a[(za)mf(z)]\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) = \frac{1}{(m - 1)!} \frac{d^{m - 1}}{dz^{m - 1}}\bigg|_{z = a}\Big[ (z - a)^m f(z) \Big]

    说明

    由于 f(z)f(z)aamm-阶极点,因此aa 去心邻域 f(z)=φ(z)/(za)mf(z) = \varphi(z)/(z - a)^m。用刚介绍的讨论,

    Resz=af(z)=φ(m1)(a)(m1)!=1(m1)!dm1dzm1z=a[(za)mf(z)]\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) = \frac{\green{\varphi}^{\purple{(m - 1)}}\green{(a)}}{\orange{(m - 1)!}} = \frac{1}{\orange{(m-1)!}} \purple{\frac{d^{m - 1}}{dz^{m - 1}}}\bigg|_{z = a}\Big[\green{(z - a)^m f(z)}\Big]

留数

留数的常用公式

  • 公式 3:若 f(z)=φ(z)ψ(z)f(z) = \frac{\varphi(z)}{\psi(z)},其中 φ,ψ\varphi, \psiaa 某邻域内解析,且 φ(a)0\varphi(a)\ne 0,而 aaψ\psi单零点。则

    Resz=af(z)=φ(a)ψ(a)\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) = \frac{\varphi(a)}{\psi'(a)}

    导数

    导数只对分母做。

留数

留数的常用公式

  • 公式 3:若 f(z)=φ(z)ψ(z)f(z) = \frac{\varphi(z)}{\psi(z)},其中 φ,ψ\varphi, \psiaa 某邻域内解析,且 φ(a)0\varphi(a)\ne 0,而 aaψ\psi单零点。则

    Resz=af(z)=φ(a)ψ(a)\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) = \frac{\varphi(a)}{\psi'(a)}

    说明

    显然 aa单极点。利用公式 2,

    Resz=af(z)=limza(za)f(z)=limza(za)φ(z)ψ(a)(za)+O(za)2=φ(a)ψ(a)\begin{align*} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) &= \lim_{z \to a} (z - a)f(z)\\ &= \lim_{z \to a} (z - a)\frac{\varphi(z)}{\psi'(a)(z - a) + O(z - a)^2} = \frac{\varphi(a)}{\psi'(a)} \end{align*}

留数

留数的常用公式

  • 公式 4:若 f(z)=φ(z)zaf(z) = \frac{\varphi(z)}{z - a},其中 φ\varphiaa 某邻域内解析,且 φ(a)0\varphi(a)\ne 0。则

    Resz=af(z)=φ(a)\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z) = \varphi(a)

    说明

    用上一个公式证明。

留数

留数的常用公式

  • 公式 5:考虑若

    f(z)=φ(z)(zz1)(zz2)(zzn),zizj,ijf(z) = \frac{\varphi(z)}{(z - z_1)(z - z_2) \cdots (z - z_n)}, \qquad z_i \ne z_j, \forall i \ne j

    φ(z)\varphi(z) 在所有 ziz_i 附近解析,则

    Resz=zif(z)=φ(zi)j=1,jin(zizj)\mathop{\operatorname{Res}}_{z = z_i} f(z) = \frac{\varphi(z_i)}{\prod_{\substack{j = 1, j \ne i}}^n(z_i - z_j)}

留数

说明

利用公式 3,以及暴力求导结果

[(zz1)(zz2)(zzn)]z=zi=j=1jin(zizj)[(z - z_1)(z - z_2) \cdots (z - z_n)]'_{z = z_i} = \prod_{\substack{j = 1 \\ j \ne i}}^n(z_i - z_j)

留数

留数的常用公式

  • 例:考虑函数 f(z)=1znf(z) = \frac{1}{z^n}n=1,2,3,n = 1, 2, 3, \ldots。求 ff 在原点处的留数。

    • 由定义,留数是原点附近的一个围道积分,或者 Laurent 展开负一次幂项系数。可以考虑直接计算:当 n=1n = 1 时结果为 11,否则为 00
留数

留数的常用公式

  • 或者用公式 2:原点是 nn-阶极点,因此

    Resz=0f(z)=1(n1)!dn1dzn1z=0[zn1zn]\mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0}f(z) = \frac{1}{(n - 1)!}\frac{d^{n - 1}}{dz^{n - 1}} \bigg|_{z = 0}\Big[z^n\frac{1}{z^n}\Big]

    (1) 当 n>1n > 1 时,dn1dzn1[1]=0\frac{d^{n - 1}}{dz^{n - 1}} [1] = 0

    (2) 当 n=1n = 1 时,

    d0dz0[1]=limz01=1\frac{d^0}{dz^0} [1] = \purple{\lim_{z \to 0} 1} = 1

留数

留数的常用公式

  • 例:证明

    Resz=zk1z2n+1=zk2n\operatorname{Res}_{z = z_k} \frac{1}{z^{2n} + 1} = - \frac{z_k}{2n}

    其中 zkz_k1-1 的第 kk2n2n 次根,zkeπi2n+2πik2nz_k \coloneqq e^{\frac{\pi i}{2n} + \frac{2\pi i k}{2n}}

    说明

    利用公式 3,以及 (z2n+1)=2nz2n1(z^{2n} + 1)' = \purple{2n z^{2n - 1}}

    Resz=zk1z2n+1=12nzk2n1=zk2nzk2n=zk2n\operatorname{Res}_{z = z_k} \frac{1}{z^{2n} + 1} = \frac{1}{\purple{2n z_k^{2n - 1}}} = \frac{z_k}{2n z_k^{2n}} = - \frac{z_k}{2n}

    其中最后一个等号用了 zk2n+1=0z_k^{2n} + 1 = 0

留数

留数的常用公式

说明

  • 也可以先把 z2n+1z^{2n} + 1 因式分解,z2n+1=k=02n1(zzk)z^{2n} + 1 = \prod_{k = 0}^{2n - 1}(z - z_k),利用公式 5 得到

    Resz=zk1z2n+1=1j=0jk2n1(zkzj)\operatorname{Res}_{z = z_k} \frac{1}{z^{2n} + 1} = \frac{1}{\prod_{\substack{j = 0 \\ j \ne k}}^{2n - 1}(z_k - z_j)}

  • 比较两个方法,得到恒等式

    zk2n=1j=0jk2n1(zkzj)- \frac{z_k}{2n} = \frac{1}{\prod_{\substack{j = 0 \\ j \ne k}}^{2n - 1}(z_k - z_j)}

留数

留数定理

留数定理

留数定理

  • 留数定理:设 ff 在单连通或复连通区域 DD 中有 有限个 孤立 奇点 ai=1,,na_{i = 1, \ldots, n},且 ffD{ai}\overline D - \{a_i\} 上解析。则

    12πiDf(z)dz=i=1nResz=aif(z)\frac{1}{2\pi i}\oint_{\partial D} f(z) dz = \sum_{i = 1}^n \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i}f(z)

留数定理

留数定理

留数定理

留数定理

留数定理

留数定理

留数定理

留数定理

  • 留数定理:设 ff 在单连通或复连通区域 DD 中有 有限个 孤立 奇点 ai=1,,na_{i = 1, \ldots, n},且 ffD{ai}\overline D - \{a_i\} 上解析。则

    12πiDf(z)dz=i=1nResz=aif(z)\frac{1}{2\pi i}\oint_{\partial D} f(z) dz = \sum_{i = 1}^n \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i}f(z)

    证明思路

    对复通区域 D{ai}D - \{a_i\} 使用柯西积分定理即可。

留数定理

留数定理的应用

留数定理的应用

常见围道积分的计算

  • 计算积分

    Iz=ρ0,11z(z1)2dz\mathcal{I} \coloneqq \oint_{|z| = \rho \ne 0, 1} \frac{1}{z(z - 1)^2} dz

    求解

    • 首先判断奇点:

      一阶极点 z=0z = 0 \qquad\qquad 二阶极点 z=1z = 1

    • 0<ρ<10 < \rho < 1:围道包围原点,

      I=(2πi)Resz=0f(z)=2πilimz0[zf(z)]=2πi\mathcal{I} = (2\pi i) \mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0} f(z) = 2\pi i\lim_{z \to 0} [zf(z)] = 2\pi i

留数定理的应用

常见围道积分的计算

求解

  • ρ>1\rho > 1:围道包围 z=0z = 0z=1z = 1,于是

    I=2πi(Resz=0f(z)+Resz=1f(z))\mathcal{I} = 2\pi i \left( \mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0}f(z) + \mathop{\operatorname{Res}}_{z = 1}f(z) \right)

    第一个留数已经知道了。
留数定理的应用

常见围道积分的计算

求解

  • 利用留数公式计算第二个留数,

    = 2πi[1+1(21)!ddzz=1((z1)2f(z))]= 2πi[11z2z=1]=0\begin{align*} = & \ 2\pi i\left[ 1 + \frac{1}{(2 - 1)!} \frac{d}{dz}\Big|_{z = 1} \Big((z - 1)^2 f(z)\Big) \right] \\ = & \ 2\pi i\left[ 1 - \frac{1}{z^2}\Big|_{z = 1} \right] = 0 \end{align*}

留数定理的应用

常见围道积分的计算

  • 计算积分

    I=z=ρ>0sinzzdz\mathcal{I} = \oint_{|z| = \rho > 0} \frac{\sin z}{z} dz

    求解

    • 围道包围奇点为原点,因此 I=2πiResz=0sinzz\mathcal{I} = 2\pi i \operatorname{Res}_{z = 0}\frac{\sin z}{z}。有许多方法计算。

    • 原点是 可去奇点,因此 主要部分,从而 1-1-次幂项系数为零,因此留数为零。

    • 也可以用 Cauchy 积分公式,I=2πi(sinz)z=0=0\mathcal{I} = 2\pi i (\sin z)\Big|_{z = 0} = 0

留数定理的应用

常见围道积分的计算

  • 计算积分

    I=z=ρ>0zsinzdz,ρ>0,ρnπ\mathcal{I} = \oint_{|z| = \rho > 0} \frac{z}{\sin z} dz, \qquad \rho > 0, \rho \ne n \pi

    求解

    • 先判断奇点:

      sinz=0z=kπ,kZ\sin z = 0 \qquad \Rightarrow \qquad z = k\pi, \quad k\in \mathbb{Z}

    • 无穷多个奇点:对称 分布在 00 两侧。

留数定理的应用

常见围道积分的计算

求解

  • 假设 nπ,(n1)π,,0,,(n1)π,nπ-n \pi, - (n - 1)\pi, \ldots, 0, \ldots, (n - 1)\pi, n \pi 被围道所包围。

  • 这些都是积分函数的 单极点,除了原点是 可去极点

  • 计算留数

    Resz=kπzsinz=z(sinz)z=kπ=kπcoskπ=(1)kkπk=00\mathop{\operatorname{Res}}_{z = k \pi} \frac{z}{\sin z} = \frac{z}{(\sin z)'} \Big|_{z = k \pi} = \frac{k\pi}{\cos k\pi} = (-1)^k k\pi \xrightarrow{k = 0} 0

留数定理的应用

常见围道积分的计算

求解

于是积分等于

I= 2πik=n+n(kπ)(1)k= 2πik=1+n(kπ)(1)k+2πik=1n(kπ)(1)k=0\begin{align*} \mathcal{I} = & \ 2\pi i \sum_{k = - n}^{+n} (k \pi) (-1)^k\\ = & \ 2\pi i \sum_{k = 1}^{+n} \red{(k \pi)} \blue{(-1)^k} + 2\pi i \sum_{k = 1}^{n} \red{(- k \pi)} \blue{(-1)^{- k}} = 0 \end{align*}

留数定理的应用

常见围道积分的计算

  • 计算积分

    I=z=1e1z\mathcal{I} = \oint_{|z| = 1} e^{\frac{1}{z}}

    求解

    • 注意到 z=0z = 0本性奇点,只须 Laurant 展开然后取 1-1-次幂项。
    • 在原点去心邻域 0<z<0 < |z| < \infty 中定义 z~=1/z\tilde z = 1/z,于是

      ez~=k01k!(z~)k=k01k!1zkλ1=1I=2πi×1e^{\tilde z} = \sum_{k \ge 0} \frac{1}{k!} (\tilde z)^k = \sum_{k \ge 0} \frac{1}{k!} \frac{1}{z^k} \qquad \Rightarrow\lambda_{-1} = 1 \qquad \Rightarrow \mathcal{I} = 2\pi i \times 1

留数定理的应用

其他复积分计算

  • 假设 f(z)f(z)aa 处有一个 单极点Arc(r,θ1θ2)\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2) 是以 aa 为中心半径为 rr 的一小段弧,从辐角 θ1\theta_1 延伸到 θ2\theta_2。论证

    1i(θ1θ2)limr0Arc(r,θ1θ2)f(z)dz=Resz=af(z)\frac{1}{i(\theta_1 - \theta_2)}\lim_{r \to 0}\int_{\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2)} f(z) dz = \operatorname{Res}_{z = a}f(z)

留数定理的应用

其他复积分计算

  • 假设 f(z)f(z)aa 处有一个 单极点Arc(r,θ1θ2)\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2) 是以 aa 为中心半径为 rr 的一小段弧,从辐角 θ1\theta_1 延伸到 θ2\theta_2。论证

    1i(θ1θ2)limr0Arc(r,θ1θ2)f(z)dz=Resz=af(z)\frac{1}{i(\theta_1 - \theta_2)}\lim_{r \to 0}\int_{\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2)} f(z) dz = \operatorname{Res}_{z = a}f(z)

留数定理的应用

其他复积分计算

求解

  • 由于 aa 是单极点,在 aa 的去心邻域,f(z)=Rza+g(z)f(z) = \frac{R}{z - a} + g(z),其中 RRffaa 的留数g(z)g(z) 是一个在 aa 邻域内解析的函数。
  • 因此,

    Arc(r,θ1θ2)f(z)dz=θ1θ2Rreiθrieiθdθ+Arc(r,θ1θ2)g(z)dz\int_{\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2)} f(z) dz = \int_{\theta_1}^{\theta_2} \frac{R}{r e^{i\theta}} r ie^{i\theta} d\theta + \int_{\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2)} g(z) dz

留数定理的应用

其他复积分计算

求解

  • 第一项 非零 (分子分母 rr 抵消了)

    θ1θ2Rreiθrieiθdθ=iR(θ2θ1)\int_{\theta_1}^{\theta_2} \frac{R}{r e^{i\theta}} r ie^{i\theta} d\theta = i \green{R} (\theta_2 - \theta_1)

  • 第二项 (r\propto r) 趋于零,因为 g(z)g(z) 解析,因此在 aa 的小邻域内 有界,而积分曲线长度 趋于零
  • 因此,

    limr0Arc(r,θ1θ2)f(z)dz=i(θ2θ1)Resz=af(z)\lim_{r \to 0}\int_{\operatorname{Arc}(r, \theta_1 \to \theta_2)} f(z) dz = i (\theta_2 - \theta_1) \green{\mathop{\operatorname{Res}}_{z = a}f(z)}

留数定理的应用

其他复积分计算

  • 推论:若 f(z)f(z)aa 处有单极点,则小半圆积分给出 半留数

    12πif(z)dz=12Resz=af(z)\frac{1}{2\pi i}\int f(z)dz = \orange{\frac{1}{2}} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} f(z)

留数定理的应用

三角有理函数积分

  • 考虑 有理函数 R(x,y)R(x, y),以及 [0,2π][0, 2\pi] 积分

    I=02πR(cosθ,sinθ)dθ\mathcal{I} = \int_0^{2\pi} R(\cos \theta, \sin \theta) d\theta

  • 利用

    cosθ=12(eiθ+eiθ),sinθ=12i(eiθeiθ)\cos \theta = \frac{1}{2} (e^{i \theta} + e^{- i \theta}), \qquad \sin \theta = \frac{1}{2i} (e^{i \theta} - e^{- i \theta})

  • 重写

    I=z=1R(z+z12,zz12i)dziz,z=eiθ\mathcal{I} = \oint_{|z| = 1} R\left(\frac{z + z^{-1}}{2}, \frac{z - z^{-1}}{2i}\right) \frac{dz}{iz}, \qquad z = e^{i \theta}

dθd\theta

注意 dz=d(eiθ)=eiθidθ=zidθdz = d(e^{i\theta}) = e^{i \theta} i d\theta = z i d\theta,因此 dθ=dz/(iz)d\theta = dz/(iz).

留数定理的应用

三角有理函数积分

说明

积分微元

dz=deiθ=ieiθdθ=izdθdθ=dzizdz = de^{i \theta} = i e^{i \theta} d\theta = iz d\theta \qquad\Rightarrow \qquad d\theta = \frac{dz}{iz}

留数定理的应用

三角有理函数积分

  • 考虑 0<a<10 < a < 1。计算

    I=02πdθ1+acosθ\mathcal{I} = \int_0^{2\pi} \frac{d\theta}{1 + a \cos\theta}

    求解

    按公式,

    I=z=111+az+z12dziz=(2i)z=1dzaz2+2z+a\mathcal{I} = \oint_{|z|= 1 } \frac{1}{1 + a \frac{z + z^{-1}}{2}} \frac{dz}{iz} = (-2i) \oint_{|z| = 1}\frac{dz}{az^2 + 2z + a}

留数定理的应用

三角有理函数积分

求解

  • 分母有两个根 (积分函数的两个 单极点)

    z±=2±44a22a=1a±1a21z_\pm = \frac{-2 \pm \sqrt{4 - 4a^2}}{2a} = - \frac{1}{a} \pm \sqrt{\frac{1}{a^2} - 1}

  • 显然,z>z+|z_-| > |z_+|,因为 0<a<10 < a < 1
留数定理的应用

三角有理函数积分

求解

  • 接下来判断两个单极点与 单位圆相对位置
  • 韦达定理:

    z+z=1z+z=1z+<1<zz_+ z_- = 1 \Rightarrow |z_+| |z_-| = 1 \Rightarrow |z_+| < 1 < |z_-|

  • 因此,zz_- 位于单位 圆外z+z_+ 位于单位 圆内
留数定理的应用

三角有理函数积分

求解

  • 积分提取单位圆 z+z_+ 处的留数,

    I=2πi(2i)Resz=z+1a(zz+)(zz)=2πi(2i)a(z+z)=2π1a2\begin{align*} \mathcal{I} & = 2\pi i(-2i) \mathop{\operatorname{Res}}_{z = z_+}\frac{1}{a(z - z+) (z - z_-)} = \frac{2\pi i(-2i)}{a(z_+ - z_-)} = \frac{2\pi}{\sqrt{1 - a^2}} \end{align*}

    因为 z+z=2a21z_+ - z_- = 2 \sqrt{a^{-2} - 1}
留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 考虑 m0m \ge 0,计算

    I=+f(x)eimxdx\mathcal{I} = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{i m x}dx

    其中 f(x)f(x) 满足如下性质
    • 上半平面 几乎处处解析,除了 有限个 孤立奇点 {ai}\{a_i\}
    • 有如下 zz 一致趋零行为: 当 z+|z| \to +\inftyImz0\operatorname{Im}z \ge 0

      {zf(z)0,若 m=0f(z)0,若 m>0\left\{\begin{array}{c c} z f(z) \Rightarrow 0, & \text{若} \ m = 0 \\ f(z) \Rightarrow 0, & \text{若} \ m > 0 \end{array}\right .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 则有

    limR+R+Rf(x)eimxdx=2πiiResz=ai[f(z)eimz]\lim_{R \to +\infty} \int_{-R}^{+R}f(x)e^{im x}dx = 2\pi i \sum_{i} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i} \Big[f(z)e^{im z} \Big]

    一致趋零

    函数 f(z)0f(z) \Rightarrow 0 指的是函数 ff 一致趋零,即当 zz \to \infty (沿上半平面的所有方向) f(z)f(z) 都趋于零,而且趋零的速度 大致相同

    ϵ>0\forall \epsilon > 0R>0\exists R > 0,s.t. 当 z>R|z| > R 就有 f(z)<ϵ|f(z)| < \epsilon

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

一致趋零例子

下面是常见的 zz \to \infty 时一致趋零的函数

1zm>00,Pm(z)Pm+1(z)0 ,1zm>0+a0, aC .\begin{align*} \frac{1}{z^{m > 0}} \Rightarrow 0, \qquad \frac{P_m(z)}{P_{m + 1}(z)} \Rightarrow 0 \ , \qquad \frac{1}{z^{m > 0} + a} \Rightarrow 0, \ a \in \mathbb{C} \ . \end{align*}

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

证明概要

[R,R][-R, R] 的积分可以通过添加大半圆变成围道积分,

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

证明概要

(1) Jordan 引理 (证明见教材):大 zz 一致趋零行为导致

limR+ΓRf(z)eimzdz=0 .\begin{align*} \lim_{R \to +\infty}\red{\int_{\Gamma_R}} f(z) e^{i m z} dz = 0 \ . \end{align*}

(2) 利用留数定理

(R+R+ΓR)f(z)eimzdz= 2πiiResz=ai[f(z)eimz]limR+R+Rf(z)eimzdz= 2πiiResz=ai[f(z)eimz] .\begin{align*} \left(\int_{-R}^{+R} + \red{\int_{\Gamma_R}}\right)f(z) e^{i m z}dz = & \ \purple{2\pi i \sum_{i} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i} \left[f(z) e^{i m z}\right]}\\ \orange{\lim_{R \to + \infty}} \int_{-R}^{+R} f(z)e^{imz}dz = & \ \purple{2\pi i \sum_{i} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i} \left[f(z) e^{i m z}\right]} \ . \end{align*}

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

主值与一般值

  • 无界积分 +\int_{-\infty}^{+\infty} 本身 没有明确定义
  • 上面的极限

    limR+R+Rf(x)eimxdx\begin{align*} \lim_{R \to +\infty}\int_{-R}^{+R}f(x) e^{i m x} dx \end{align*}

    定义 了无界积分的 主值 (principal value)。在许多场合中,+\int_{-\infty}^{+\infty} 指代的就是主值。
留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

主值与一般值

  • 除了主值,还可以考虑 一般值

    limR1,R2R1R2f(x)eimxdx . \coloneqq \lim_{R_1 \to \infty,R_2 \to \infty}\int_{- R_1}^{R_2} f(x) e^{i m x}dx \ .

  • 主值是一般值的 特殊情况 R1=R2R_1 = R_2,比一般值更容易 存在

    R1R2xx2+1dx=12ln1+R221+R12R2=λR1,R1+12ln(λ2) . \int_{- R_1}^{R_2} \frac{x}{x^2 + 1} dx = \frac{1}{2}\ln \frac{1 + R_2^2}{1 + R_1^2} \xrightarrow{R_2 = \lambda R_1, R_1 \to +\infty} \frac{1}{2}\ln(\lambda^2) \ .

    若一般值确实 存在,则主值 == 一般值。
留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

mm 的符号

  • 上述定理只适用于 m=0m = 0 或者 m>0m > 0
  • 为了 ΓR\Gamma_R 积分最后 为零,在 上半平面zz \to \infty 时候我们希望指数因子快速 衰减:利用 z=zeiθ=zcosθ+izsinθz = |z|e^{i\theta} = \purple{|z|\cos\theta + i |z| \sin \theta}

    eimz=eim(zcosθ+izsinθ)=eimzcosθemzsinθ,θ[0,π] e^{im z} = e^{im (\purple{|z| \cos \theta + i |z| \sin \theta})} = e^{ i m |z| \cos \theta} \red{e^{- m |z| \sin \theta}}, \qquad \theta \in [0, \pi]

    sinθ0\red{\sin \theta} \ge 0,需要 m0m \ge 0 保证快速衰减 (或不增长 不干活可以但别捣乱)。
  • 如果 m<0m < 0,则应当取 下半平面ΓR\Gamma_R 以及 下半平面 的孤立奇点留数。
留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 计算积分

    +1x2n+1dx,n=1,2,3, .\begin{align*} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{x^{2n} + 1}dx, \qquad n = 1, 2,3,\ldots \ . \end{align*}

    求解

    • 由于 n1n \ge 1,因此积分函数可以看成 f(z)eimzf(z) e^{i m z} with m=0m = 0zf(z)0zf(z) \Rightarrow 0

    • 积分函数的 单极点 (不含 ±1\pm 1)

      z2n+1=0ak=eπi2ne2πi2nk,k=0,1,2,,2n1 . z^{2n} + 1 = 0 \quad \Rightarrow \quad a_k = e^{\frac{\pi i}{2n}} e^{\frac{2\pi i}{2n} k}, \quad k = 0, 1, 2, \ldots, \orange{2n - 1} \ .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

求解

  • 其中位于 上半平面 的是 k=0,1,2,,n1k = 0, 1, 2, \ldots, \orange{n - 1},共 nn 个。
  • 求留数

    Resz=akf(z)=公式 312nak2n1=ak2nak2n=ak2n(1)=ak2n \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_k}f(z) \stackrel{\text{公式 3}}{=} \frac{1}{2n a_k^{2n - 1}} = \frac{a_k}{2n \green{a_k ^{2n}}} = \frac{a_k}{2n \green{(-1)}} = \purple{- \frac{a_k}{2n}}

  • 根据积分公式

    I=2πik=0n1Resz=akf(z)=2πi2nk=0n1ak=2πi2nk=0n1eπi2nekπin \mathcal{I} = 2\pi i\sum_{k = 0}^{n - 1} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_k} f(z) = \purple{-} \frac{2\pi i}{\purple{2n}} \sum_{k = 0}^{n -1} \purple{a_k} = - \frac{2\pi i}{2n} \sum_{k = 0}^{n -1} \orange{e^{\frac{\pi i}{2n}}} e^{\frac{k \pi i}{n}}

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

求解

利用等比数列求和公式

= 2πi2neπi2n(1eπinn)1eπin=eπinn=1 2πin1eπi2neπi2n= 2πin12isin(π2n)=πn1sinπ2n .\begin{align*} = & \ - \frac{2\pi i}{2n} \orange{e^{\frac{\pi i}{2n}}} \frac{(1 - \red{e^{ \frac{\pi i}{n}n}} )}{1 - e^{\frac{\pi i}{n}}} \stackrel{\red{e^{\frac{\pi i }{n}n} = -1}}{=}\ - \frac{2\pi i}{n} \frac{1}{\purple{e^{- \frac{\pi i}{2n}} - e^{\frac{\pi i}{2n}}}}\\ = & \ - \frac{2\pi i}{n} \frac{1}{\purple{2i \sin(- \frac{\pi}{2n})}} = \frac{\pi}{n} \frac{1}{\sin \frac{\pi}{2n}} \ . \end{align*}

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 计算积分

    I=0+cosmxx2+1dx,m>0\begin{align*} \mathcal{I} = \int_0^{+\infty} \frac{\cos mx}{x^{2} + 1} dx, \qquad m > 0 \end{align*}

    积分下限

    注意下限是 00,不是 -\infty

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

求解

  • 首先要把积分化为全实轴积分。

    I=12+cosmxx2+1dx\mathcal{I} = \orange{\frac{1}{2}} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\cos mx}{x^2 + 1}dx

  • 利用 函数性,和 函数性,

    I=12+cosmx+isinmxx2+1dx=+12eimxx2+1dx\mathcal{I} = \frac{1}{2} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\cos mx + \red{i \sin mx}}{x^2 + 1}dx = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{2}\frac{e^{i m x}}{x^2 + 1}dx

    积分函数现在是 f(x)eimxf(x) e^{i m x} 的形式,其中 m>0m > 0
留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

求解

  • f(z)f(z) 在上半平面有单极点 z=+iz = + i

    Resz=+if(z)eimz=Resz=+i12eimzz2+1=[12eimz(z2+1)]z=i=12em2i . \mathop{\operatorname{Res}}_{z = + i} f(z)e^{i m z} = \mathop{\operatorname{Res}}_{z = + i} \frac{1}{2}\frac{e^{i m z}}{z^2 + 1} = \left[\frac{1}{2}\frac{e^{i m z}}{(z^2 + 1)'}\right]_{z = i} = \purple{\frac{1}{2} \frac{e^{-m}}{2i}} \ .

  • 因此

    I=(2πi)×12em2i=π2em . \mathcal{I} = (2\pi i) \times \purple{\frac{1}{2} \frac{e^{-m}}{2i}} = \frac{\pi}{2} e^{-m} \ .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

另一种思路是取实部

+cosmxx2+1dx=Re+eimxx2+1dx .\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\cos m x}{x^2 + 1}dx = \operatorname{Re}\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i m x}}{x^2 + 1} dx \ .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 考虑 m>0m > 0,计算积分

    I=+sinmxxidx,m>0\begin{align*} \mathcal{I} = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sin mx}{x - i} dx, \qquad m > 0 \end{align*}

    • 拆解 sinmx\sin mx

      I=12i+eimxeimxxidx . \mathcal{I} = \frac{1}{2i} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i m x} - e^{- i m x}}{x - i} dx \ .

    • 两个积分分别计算
留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 第一个积分 1zi\frac{1}{z-i} 在上半平面有单极点 ii,利用 Resz=ieimzzi=em\operatorname{Res}_{z = i} \frac{e^{i m z}}{z - i} = \orange{e^{- m}}

    12i+eimzzidz=12i(2πi)em=πem . \frac{1}{2i}\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i m z}}{z - i}dz = \frac{1}{2i} (2\pi i) \orange{e^{-m}} = \pi e^{-m} \ .

  • 第二个积分可以利用变量替换 z=zz' = -z

    +eimzzidz=+eimzzidz=0 \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{-i m z}}{z - i}dz = - \int_{+\infty}^{-\infty} \frac{e^{i m z'}}{ - z' - i}dz' = 0

    因为 (z+1)1eimz(z' + 1)^{-1}e^{i m z'}zz' 上半平面 没有 奇点。

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

总结

I=πem . \mathcal{I} = \pi e^{-m} \ .

虚部

小心,不能直接用取虚部的方法计算:

Im(eimzzi)  sinmzzi . \operatorname{Im} \bigg(\frac{e^{i m z}}{z - i}\bigg) \ \red{\ne} \ \frac{\sin mz}{z - i} \ .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 定理:函数 f(z)f(z)上半平面实轴 上几乎处处解析,除了有限个上半平面孤立奇点 {ai}\{a_i\} 和实轴上 单极点 {bj}\{b_j\}。此外,

    z上半平面:{zf(z)0,m=0f(z)0,m>0 .\begin{align*} z \xrightarrow{\text{上半平面}} \infty: \quad \left\{\begin{array}{c c} z f(z) \Rightarrow 0, & m = 0 \\ f(z) \Rightarrow 0, & m > 0 \end{array}\right . \ . \end{align*}

    则有

    +f(x)eimxdx=2πi[iResz=aif(z)eimz+12jResz=bjf(z)eimz]\begin{align*} \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{i m x} dx = 2\pi i \left[ \sum_{i} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i} f(z) e^{i m z} + \orange{\frac{1}{2}} \sum_{j} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = b_j} f(z) e^{i m z} \right] \nonumber \end{align*}

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

主值

此处的符号 +\int_{-\infty}^{+\infty} 同样指代积分 主值,定义为

+=limRϵ0[R,R]j(bjϵ,bj+ϵ) \green{\int_{-\infty}^{+\infty} = \lim_{\substack{ R\to \infty \\ \epsilon \to 0}} \int_{[- R , R] - \cup_j (b_j - \epsilon, b_j + \epsilon)}}

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

证明大意

要点:绕 bjb_j下小半圆 CjC_j 积分为 半留数

Cjf(z)eimz=2πi12Resz=bj[f(z)eimz] . \int_{C_j} f(z) e^{i m z} = 2\pi i \orange{\frac{1}{2}} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = b_j} \Big[f(z) e^{i m z}\Big] \ .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

证明大意

留数定理

 2πi[iResz=aif(z)eimz+jResz=bjf(z)eimz]= 2πif(x)eimxdx+2πij12Resz=bjf(z)eimz\begin{align*} & \ 2\pi i \left[\sum_{i} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a_i} f(z)e^{im z} + \sum_{j}\mathop{\operatorname{Res}}_{z = b_j} f(z)e^{im z}\right] \\ = & \ 2\pi i \int f(x)e^{i m x}dx + 2\pi i \sum_{j} \orange{\frac{1}{2}}\mathop{\operatorname{Res}}_{z = b_j} f(z)e^{im z} \end{align*}

其中,左边的完整留数项被右边的半留数项抵消了 一半

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 考虑 m>0m > 0,计算积分

    I=0+sinmxxdx . \mathcal{I} = \int_0^{+\infty} \frac{\sin mx}{x} dx \ .

    注意积分下限

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 利用偶函数性,

    I=12+sinmxxdx=12Im+eimxxdx . \mathcal{I} = \purple{\frac{1}{2}} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sin mx}{x} dx = \purple{\frac{1}{2}} \orange{\operatorname{Im}} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i m x}}{x} dx \ .

  • 于是利用积分公式以及单极点 z=0z = 0,可得

    I=12Im[2πi×12Resz=01zeimz]=π2 . \mathcal{I} = \purple{\frac{1}{2}}\operatorname{Im} \left[{2\pi i \times \orange{\frac{1}{2}} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = 0} \frac{1}{z}e^{i m z}}\right] = \frac{\pi}{2} \ .

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

mm 无关

上述积分结果与 mm 无关;后面介绍 δ\delta 函数还会碰到

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 考虑 m>0,a>0m > 0, a > 0,计算积分

    I=+sinmxxadx \mathcal{I} = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sin mx}{x - a}dx

留数定理的应用

无穷积分与瑕积分

  • 利用 aRa \in \mathbb{R},重写

I=Im+eimxxadx=Im[2πi12Resz=a(1zeimz)] \mathcal{I} = \purple{\operatorname{Im}} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i m x}}{x - a} dx = \purple{\operatorname{Im}} \Bigg[2\pi i \orange{\frac{1}{2}} \mathop{\operatorname{Res}}_{z = a} \Big(\frac{1}{z} e^{i m z}\Big)\Bigg]

  • 利用 Resz=az1eimz=eima\operatorname{Res}_{z = a}z^{-1}e^{i m z} = e^{im a}

    I=Im[πieima]=πcos(ma) \mathcal{I} = \operatorname{Im}\Big[\pi i e^{i m a}\Big] = \pi \cos (ma)

留数定理的应用

大圆弧引理

  • 大圆弧引理:若 f(z)f(z) 在大圆弧 CR={Reiθ  θ1θθ2}C_R = \{R e^{i \theta} \ | \ \theta_1 \le \theta \le \theta_2\}连续,且当圆弧上的点 zz 的大小 z|z| \to \inftyzf(z)λz f(z) \Rightarrow \lambda,则

    limR+CRf(z)dz=iλ(θ2θ1) . \lim_{R \to +\infty}\int_{C_R} f(z) dz = i \lambda (\theta_2 - \theta_1) \ .

    与之前的 Jordan 引理类似

留数定理的应用

小圆弧引理

  • 考虑一小段圆弧 Sϵ={a+ϵeiθ  θ1θθ2}S_\epsilon = \{a + \epsilon e^{i\theta} \ | \ \theta_1 \le \theta\le \theta_2 \}
  • 小圆弧引理:设 f(z)f(z)aa 附近小圆弧上 连续,当 zaz \to a(za)f(z)λ(z - a)f(z) \Rightarrow \lambda,则

    limϵ0Cϵf(z)dz=iλ(θ2θ1) . \lim_{\epsilon \to 0}\int_{C_\epsilon}f(z) dz = i \lambda (\theta_2 - \theta_1) \ .

留数定理的应用

小圆弧引理

解析性

小圆弧引理 没有假设 复解析性,只需要连续性和一致极限存在

aaf(z)f(z) 的单极点,则 λ=Resz=af(z)\lambda = \operatorname{Res}_{z = a}f(z)

  • 推论:若 (za)f(z)0(z - a)f(z) \Rightarrow 0,那么不管 θ1,θ2\theta_1, \theta_2 为何值,

    limϵ0Cϵf(z)dz=0\lim_{\epsilon \to 0} \int_{C_\epsilon} f(z) dz = 0

留数定理的应用

根式积分例子

  • 考虑根式函数的积分

    I=0+f(x)dx,f(x)=x1/3x2+1 . \mathcal{I} = \int_0^{+\infty} f(x) dx, \qquad f(x)= \frac{x^{1/3}}{x^2 + 1} \ .

  • 若替换 xzx \to zf(z)f(z) 多值函数,三阶支点 0,0, \infty±i\pm i单极点
留数定理的应用

根式积分例子

分子 z1/3z^{1/3} 的的割线与单值分支设定:(1)1/3=eπi3(-1)^{1/3} = e^{\frac{\pi i}{3}}

留数定理的应用

根式积分例子

无穷近似

  • x0x \ge 0 时,x1/3x^{1/3} 有非常 确定 的实数值,因此 x1/3/(x2+1)x^{1/3}/(x^2 + 1) 也有非常确定的值。
  • 升级 xzx \to z 后,[0,+)[0, +\infty) 上方直线 C1C_1z1/3/(z2+1)z^{1/3}/(z^2 + 1) 的函数值无限接近 x1/3/(x2+1)x^{1/3}/(x^2 + 1) 在正实轴的值。

  • 通过研究 C1C_1 积分,可以无穷近似 原本的积分 I\mathcal{I}

留数定理的应用

根式积分例子

  • 补全积分围道

留数定理的应用

根式积分例子

  • 函数在割线上方 C1C_1 与下方 C2C_2 的取值,

    limϵ+0f(x+iϵ)=x1/3x2+1,limϵ+0f(xiϵ)=e2πi3x1/3x2+1 . \lim_{\epsilon \to +0}f(x + i \epsilon) = \frac{x^{1/3}}{x^2 + 1}, \quad \lim_{\epsilon \to +0}f(x - i \epsilon) = \orange{ e^{\frac{2\pi i}{3}}} \frac{x^{1/3}}{x^2 + 1} \ .

留数定理的应用

根式积分例子

  • 因此 (C1C_1 向右,C2C_2 向左)

    C2f(z)dz=e2πi3C1f(z)dz=e2πi3I . \int_{C_2} f(z) dz = \red{-} \orange{ e^{\frac{2\pi i}{3}}} \green{\int_{C_1}f(z) dz} = - e^{\frac{2\pi i}{3}} \green{\mathcal{I}} \ .

    C1C_1 积分几乎就是原本 [0,+)[0, +\infty) 积分

  • 因此

    (C1+C2)f(z)dz=(1e2πi3)I .\left({\int_{C_1} + \int_{C_2}}\right)f(z)dz = (1 - e^{\frac{2\pi i}{3}}) \green{\mathcal{I}} \ .

留数定理的应用

根式积分例子

  • 因此,

    Cf(z)dz=C1+C2+Cr+CRf(z)dz= 2πi±Resz±if(z)(1e2πi3)I+Cr+CRf(z)dz= 2πi±Resz±if(z)\begin{align*} \oint_C f(z) dz = \int_{C_1 + C_2 + C_r + C_R} f(z) dz = & \ 2\pi i \sum_\pm \mathop{\operatorname{Res}}_{z \to \pm i}f(z) \\ (1 - e^{\frac{2\pi i}{3}})\mathcal{I} + \cancel{\red{\int_{C_r + C_R} f(z) dz}} = & \ 2\pi i \sum_\pm \mathop{\operatorname{Res}}_{z \to \pm i}f(z) \end{align*}

  • 大圆弧小圆弧引理:Cr+CRC_r + C_R 积分 不贡献

    (z0)z1/3z2+1z00,zz1/3z2+1z0(z - 0) \frac{z^{1/3}}{z^2 + 1} \stackrel{z \to 0}{\Rightarrow} 0, \qquad z \frac{z^{1/3}}{z^2 + 1} \stackrel{z \to \infty}{\Rightarrow} 0

留数定理的应用

根式积分例子

  • 计算留数,利用公式 3,

    Resz=±iz1/3z2+1=z1/3(z2+1)z=±i=z1/32zz=±i \mathop{\operatorname{Res}}_{z = \pm i} \frac{z^{1/3}}{z^2 + 1} = \frac{z^{1/3}}{(z^2 + 1)'}\bigg|_{z = \pm i} = \frac{z^{1/3}}{2z} \bigg|_{z = \pm i}

  • 分子 z1/3z^{1/3}多值函数,我们已经选择了割线,并要求

    z1/3z=+i=e13πi2,z1/3z=i=e133πi2 Resz=+if(z)=12ie13πi2,Resz=if(z)=e133πi22(i)=12 z^{1/3}\bigg|_{z = + i} = \purple{e^{\frac{1}{3} \frac{\pi i}{2}}}, \quad z^{1/3}\bigg|_{z = - i} = \green{e^{\frac{1}{3} \frac{3\pi i}{2}}} \\ ~\\ \Rightarrow\mathop{\operatorname{Res}}_{z = +i}f(z) = \frac{1}{2i}\purple{e^{\frac{1}{3} \frac{\pi i}{2}}}, \quad \mathop{\operatorname{Res}}_{z = -i}f(z) = \frac{\green{e^{\frac{1}{3}\frac{3\pi i}{2}}}}{2(-i)} = - \frac{1}{2}

留数定理的应用

根式积分例子

  • 因此

    (1e2πi3)I= 2πi(12ieπi6+(12))I= π3 .\begin{align*} (1 - e^{\frac{2\pi i}{3}}) \mathcal{I} = & \ 2\pi i\left( \frac{1}{2i}e^{\frac{\pi i}{6}} + (- \frac{1}{2})\right) \\ \Rightarrow \qquad \mathcal{I} = & \ \frac{\pi}{\sqrt{3}} \ . \end{align*}

留数定理的应用

计算积分的另一种方法

  • 使用电脑软件,如 Mathematica
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留数定理的应用

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  • 有两种常见的解析区形状:开圆盘、环状

  • 问题:设 ff 在图中开圆盘中解析, 下面三个表达式分别等于多少?

留数定理的应用

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  • 若函数 f(z)f(z) 在图中开圆盘中解析,以 aa 为中心作泰勒展开
     ~
    f(z)=n=0+[Γdζ2πif(ζ)(ζa)n+1](za)n \displaystyle f(z) =\sum _{n=0}^{+\infty }\left[\oint _{\Gamma }\frac{d\zeta }{2\pi i}\frac{f( \zeta )}{( \zeta -a)^{n+1}}\right]( z-a)^{n}

  • 问题:Γ\Gamma 应该取 圆圈、 圆圈还是 两个都可以

留数定理的应用

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  • 若函数 f(z)f(z) 在图中开圆盘中几乎处处解析,红点为 奇点

  • 问题:是否有 f(z)=n=0+1n!f(n)(a)(za)nf(z) = \sum_{n = 0}^{+\infty}\frac{1}{n!} f^{(n)}(a)(z - a)^n

  • 问题:是否有 f(z)=n=0+1n!f(n)(a)(za)nf(z') = \sum_{n = 0}^{+\infty}\frac{1}{n!} f^{(n)}(a)(z' - a)^n