5.1 留数定理|数学物理方法

数学物理方法 · 5.1 留数定理
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第五章 / 5.1

留数定理

教材108—112页;补充对应习题138—139页

5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页

01 留数就是负一次幂系数,与奇点阶数不同

设 是孤立奇点,去心邻域内有罗朗展开

沿该邻域内包围 一周的逆时针小圆积分。第三章已算过: 的整圈积分只有 时不为零,值为 。因此

定义 。记号可以读作“函数 在点 的留数”。它不是 点的函数值,也不是极点阶数,更不等于负幂部分所有系数之和。

图 5-1 整圈积分只留下负一次幂
f=4/(z-a)²+3/(z-a)+2负二次项整圈贡献:0负一次项整圈贡献:2πi × 3常数项整圈贡献:0最强负幂决定极点阶数;负一次幂系数才是留数。

留数=3;闭路正向一周的积分=3 × 2πi。

两个必须对照的例子 有二阶极点,但留数为0; 有本性奇点,却有留数1。前者积分为0,后者整圈积分为 。所以“留数为零”不能推出可去奇点,“本性奇点”也不妨碍使用留数定理。

这段定义必须理解:它把第四章的展开与第三章的积分接上。以后具体计算往往不用真的写出完整罗朗级数,但所用简便公式都在提取同一个 。

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02 留数定理:先列点的位置,再把内部贡献相加

若 是正向简单闭曲线, 在曲线及内部除有限个孤立奇点 外解析,并且曲线上没有奇点,则

在内

正向即逆时针。顺时针一周要整体加负号;曲线绕多圈或有自交时,要用相应绕数加权,不能无条件仍把每个点算一次。第一轮题目通常给简单闭曲线,按此版本即可。

证明的主线与第三章挖洞相同:在各奇点周围挖互不相交的小圆,外边界积分等于这些小圆的逆时针积分之和;每个小圆积分正好是 乘该点留数。无需在整个大区域写一个共同的罗朗展开。

图 5-2 挖掉内部孤立奇点后,把大圈变成小圈之和
a₁a₂a₃C 内:逐点计算留数各小圈按逆时针记账大圈积分 = 小圈积分之和外部点不参与当前求和定理要求路径上无奇点;挖洞区域的内边界方向与此记账方向相反。

图中小圈都按各自逆时针书写,因此外圈积分等于它们的积分之和。

每题先写这四行 围道和方向;全部候选奇点;哪些真正留下奇点、哪些在内部;内部各点的留数。最后才相加。若点恰在线上,先停止套公式,判断题目是否另行规定主值或绕行。

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03 一阶极点:消掉一个因子,或用分母导数

若 是一阶极点,

若 , 在 附近解析,、,则更方便:

理由是 。若 ,该点可能抵消成可去点,公式给0仍可用于解析延拓后的留数,但不要再称它为一阶极点。若 ,此简式不能直接用。

例题 ,在 的留数为 ,在 的留数为 。同一函数不同点要分别代入。指数分母同理: 在每个 都是一阶极点,留数均为1,因为分母导数在那里等于1。

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04 高阶极点:先认准阶数,再决定求导或展开

若 为 阶极点,写

在解析

则

因为 的泰勒展开里,第 次项除以 后恰好成为负一次幂。二阶极点求一阶导;三阶极点求二阶导再除2;阶数高时可直接展开到所需项,未必硬求许多次导数。

完整示范 ,令 ,所以留数为 。这与 中取一次项完全一致。

先约掉再判阶 在0处,分子有二阶零点、分母有三阶零点,实际只剩一阶极点。若一眼看见分母三次方就开始求二阶导,会白做许多计算。

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05 教材例1:同一个和式,在不同点只看奇异部分

教材取

在 ,第一项解析,留数为0;第二项留数为 。故 。

在 ,第二项解析,不参与留数。第一项是三阶极点,用分子二阶导:

这里不应把整个和式统一乘 后展开一大堆。解析项在当前点留数为零,可以先删掉。

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06 教材例2:正切有无穷多个极点,但每条有限围道只数内部

的极点为 ,均为一阶极点,其留数

在 内没有极点,所以积分为0。在 ( 为正整数)内,有 ,共 个,曲线上没有极点。因此

这题训练的是“全体奇点可以无穷多,但当前闭路内必须能逐个有限计数”,以及 求导带负号。

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07 本性奇点不必全展开:只追踪能凑成负一次幂的项

教材例3为 。展开 只含奇数负幂,五次方仍只含奇数负幂,乘 后只含偶数幂,根本不可能出现 。故0虽是本性奇点,留数却为0,绕单位圆积分为0。

这个判断也可用奇偶性: 是奇函数,乘奇函数 后为偶函数,罗朗展开只含偶次幂。先看结构,再展开,能省去大量乘法。

教材例4为 。直接只看最低次项:

所以 ,留数为 。单位圆只包围0,不包含其他 ,积分为 。这里 表示被 的常数倍控制,首项已经足以求出留数。

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08 无穷远点的留数:变量变换还有一个微分因子

原书习题2把第四章的无穷远奇点接到留数。定义相对于无穷远点的正向,是平面上一条顺时针大圆,于是

负号来自 、。无穷远留数不是简单求 在0的留数,微分因子不能漏掉。若 在大 区域的罗朗展开含 ,则无穷远留数为 。

若扩充平面上只有有限个有限孤立奇点和一个无穷远孤立奇点,那么全部留数(包括无穷远)之和为0。例:,有限留数1,无穷远留数 ; 在无穷远有极点,但留数为0。留数仍不能直接说明奇点类型。

掌握边界 正文最常考有限点的三种算法:一阶极限、商的分母导数、高阶提取。无穷远公式主要服务原书习题2和绕大圈的快捷计算,第二轮再熟练,但应先知道多出的 为什么存在。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第五章整理;正文印刷页108—138上部,章末习题138—141。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第五章含20道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月15日。