5.2.6 多值函数的积分|数学物理方法

数学物理方法 · 5.2.6 多值函数的积分
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第五章 / 5.2.6

多值函数的积分

教材127—132页,原书带星号

5.2.6 · 教材127—132页,原书带星号

26 多值表达式要先选成单值解析分支

留数定理用于一个确定的单值解析函数,不能把 的全部值直接放进积分。选一个角度区间后定义 ,同时删去相应射线。该开域内 ,而切口上下岸有不同边界值。

本节沿用教材的 ,即沿正实轴割开。正实轴上岸 ,下岸 ;负实轴在域内,。这里说上、下岸,是把实际路径放在开域内、最后贴近切口取极限。

与第二章的主值区分 本书第二章主值角是 ,本节的 是另一个分支,不能因为同样写 就忽略角度约定。对上半平面的点 ,两种分支恰好都给 ,但不能据此说它们在全域相同。

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27 教材例8:对数乘偶有理函数,用上半圆连接正负半轴

求 。选 ,沿上半圆闭合并绕开0。负实轴 上有 ,分母仍为 ,所以两条实轴段合起来,在极限中成为

图 5-8 上半平面对数围道把两条实半轴联系起来
i:二阶极点负轴:ln x+iπ正轴:ln x两段实轴合计2I+iπA大弧、小弧均消失选择确定的对数分支;负半轴的附加 iπ 不能省掉。

正轴积分为 I,负轴贡献 I+iπA;上方极点只包括 i。

上方唯一极点为 ,二阶留数

大弧上界量级为 ,小弧量级为 。故

比较实部得到 ,虚部还核对了 。这题不能用 ,那会直接丢掉决定等式正确性的 。

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28 钥匙孔围道:上下岸方向相反,数值也可能不同

对非整数实数 ,选 ,分支为 。从正实轴上岸的 走向 ,沿大圆逆时针绕到下岸,再沿下岸从 回 ,最后绕小圆顺时针回起点。

图 5-9 钥匙孔围道:两岸相位不同,方向相反
0-1上岸:θ→0,向右zᵖ=xᵖ下岸:θ→2π,向左zᵖ=exp(2πip) xᵖ两岸合计 [1-exp(2πip)]I原点是挖掉的分支点;留数和取切口域内其余全部孤立奇点。

图中相位记为 e^(2πip);下岸反向是另一个负号来源。

上岸积分为 。下岸由于 且方向反向,贡献为 。若大、小弧都趋零,便得到

留数和取这个分支域内的全部有限孤立奇点,通常包含上、下半平面两边,不是只取上半平面。原点是分支点,位于挖掉的小圆内,不是把它当普通孤立极点加入留数和。

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29 教材例9:从收敛范围到分支值,一个条件都不能漏

求 。0附近像 ,要求 ;无穷端像 ,要求 。所以普通积分存在范围为 。

取上一个钥匙孔模板,唯一极点在 ,由于本分支 ,留数为 。小弧量级 ,大弧量级 ,范围与原积分收敛恰好吻合。于是

化简使用 。在 内正弦为负,最终答案为正,与原被积函数正值一致,是很好的符号检查。

把 换记,可得常用形式 ,。这不是两个互相矛盾的公式,而是指数参数相差1。

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30 含 log 的钥匙孔为什么有时要平方 log

若整圈钥匙孔用 ,上下岸差为 ,会把目标中的 消掉,只留下不带对数的积分。要提取 ,可改用 ,因为

所以两岸和为 。原书在例9后提示用这个方法再算例8,正是这个原因。

这一星号小节学到什么程度 至少会写分支、上下岸取值、反向符号和大、小弧条件。复杂对数高阶留数可第二轮再练;如果本课程考试覆盖星号内容,就必须能独立重算例8、例9及对应检查题。它有明确的做题用途,不是只为抽象扩充概念。

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。