5.4 原书习题路线、检查题与速查|数学物理方法

数学物理方法 · 5.4 原书习题路线、检查题与速查
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第五章 / 5.4

原书习题路线、检查题与速查

原书习题138—141页

5.4 · 原书习题138—141页

38 一张表决定先补哪一块

题型 原书题号 应先会的方法 第一轮完成标准
求有限点留数 1 判阶、极限、求导、短展开 算出目标系数,避免全展开
无穷远留数 2 与微分因子 记住额外负号及总和关系
复闭路积分 3 列奇点、画区域、算内部留数和 点在内外线上均分清
三角有理积分 4 单位圆代换、区间倍数 不漏
有理实积分 5 次数差、大弧、奇偶性 收敛范围与半轴系数正确
含正弦余弦 6 指数辅助函数、约当、小弧 不直接用增长的 cos z 闭合
特殊围道 7 四分之一圆、矩形等 辅助边逐段说明
分支与对数,带星号 8 切口、上下岸、相位 先定分支再算留数
数根与根的分布 9—10 儒歇、圆环相减 边界严格不等式,计重数

建议第一轮按1 → 3 → 4 → 5 → 6 → 9学习,每类先做两道代表小题,再回头完成其他小题。第二轮补2、7、8和10的较长证明。特殊围道不是盲猜:它们都在利用指数衰减、平移关系或分支跳跃。下面20道是自编检查题,编号与原书分开;其中会复用关键模板检验你是否能独立完成。

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练习1 一阶、高阶与可去点要先判清

求 在 的留数;求 在0的留数;求 在0的留数。

展开解析:三种结构对应三种动作

第一问为一阶极点,留数 。第二问为三阶极点,留数为 。第三问原式在0可去,延拓后 没有负幂,留数为0。不要把分母有 就一律判作极点。

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练习2 二阶极点也可能留数为零

求 在 的奇点阶数与留数。

展开解析:阶数取决于最强负幂,留数只取负一次项

分子在 非零,故为二阶极点。消因子后 ,,代 得 。所以留数为0,但二阶主部并未消失。这也解释全轴奇函数 的收敛积分为0,与留数法一致。

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练习3 本性奇点只取一项

求 在0的留数,以及沿单位圆逆时针的积分。

展开解析:先判断需要指数展开的哪一项

。乘 后,只有原来的 变成 。所以留数 ,闭路积分 。不必写完无穷多个负幂,也不能用有限阶极点的求导公式代替定义。

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练习4 围道内、外、线上分别处理

计算 ,分别取 ,均为逆时针。

展开解析:先画出两个候选点

在1的留数为 ,在3的留数为 。 只包围1,结果 ; 两点都包围,和为0,结果0; 时点1落在路径上,普通闭路积分无定义,不能直接套定理。

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练习5 单位圆代换中的 1/(iz)

求 时 。

展开解析:两根中只有一根在单位圆内

代换得 。两根为 、,满足 。内部留数为 ,故答案 。结果为正,且 很大时近似 ,可由原式核验。

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练习6 半轴有理积分与两个上方极点

求 。

展开解析:先扩成全轴再除2

上方两根为 、,均为一阶极点,各留数 、。其和为 ,全轴积分为 乘此和,即 。原函数偶,半轴答案 。大弧量级 。

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练习7 余弦的参数正负与半轴系数

求 时 。

展开解析:先做 b>0,其他情形单独说明

时上半平面的一阶留数为 ,全轴复积分 ,半轴余弦积分为 。 由余弦对参数偶性替换为 ; 由有理积分直接算为 。统一结果为 。不应把负参数仍闭上半平面而不检查增长。

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练习8 含 1/x 的正弦积分可以拆成两个已知模板

求 时 。

展开解析:拆分后各自都收敛

利用 。两项分别由狄利克雷积分与本章的 模板得到 、。答案为 。两项在0都因正弦因子变得可积,尾部也收敛,所以这次拆分合法;不能对一般发散项随便分开积分。

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练习9 sinc 的三次方:参考原书习题6的辅助函数

求 。提示取 。

展开解析:常数与一次项被消掉,留下简单极点

分子展开为 ,所以 ,留数为 。上方挖小半圆,内部无极点,小弧积分趋于 ;大弧所有项都消失,故实轴复辅助积分的主值为 。取虚部,利用 ,得全轴 sinc 三次方积分为 。它是偶函数,半轴答案 。虚部在0可补连续,原目标为普通收敛积分;实部的 才需要主值。

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练习10 一个主值为零但普通积分不存在的例子

判断 是否存在,并求其对称柯西主值。

展开解析:问题发生在0,不是无穷端

无穷端像 可积;0附近像 ,两侧普通积分分别对数发散,因此普通广义积分不存在。对称删除 ,再作对称无穷截断时,被积函数为奇函数,主值为0。这个0不能写成普通广义积分的值。

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练习11 对数积分也可以用实代换交叉核验

求 ,并说明收敛性。

展开解析:倒数代换把积分变成相反数

0附近 可积,无穷端 可积,故绝对收敛。令 ,积分变成 ,所以 。复方法选上半圆对数分支也可算出同一值。原书例8的分母是平方,结果 ,不能把两个分母混为一谈。

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练习12 钥匙孔模板的基本值

求 ,说明选用的参数范围。

展开解析:指数 p=-1/2 在允许范围内

这是 ,,小、大弧均消失。取本节 ,在 的留数为 ;两岸因子 ,故 ,答案为 。也可代 得 核验。

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练习13 不同分母先试一个实代换

求 。

展开解析:变为已经推导过的幂积分

令 ,有 ,所以原积分是 。代入 ,得答案 。如果直接用钥匙孔也可,但需把 都算入留数和,且 的角应取 ;这正是跨半平面时容易混用主值的地方。

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练习14 辐角原理不能忘掉极点数

对 ,求沿单位圆逆时针一周的辐角变化与 。

展开解析:按重数相加再相减

内部三重零点在 ,点 在外;内部二阶极点在 。故 。辐角变化为 ,对数导数积分为 。边界上无零、极点,条件满足。若回答零点数3,尚未回答题目所问的净变化。

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练习15 小圆上低次幂也能作为主项

求 在 内的根数。

展开解析:不必执着于最高次项

在单位圆,,而 。所以与 有相同内部零点总重数,为2。这里两个根未必相同,也不位于0;儒歇只保留数目,不保留位置。

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练习16 圆环数根要数两次

求 在 内的根数,写出两条边界估计。

展开解析:小圆1根,大圆4根

小圆上 ,小圆内1根;大圆上 ,大圆内4根。两处都是严格不等式,保证边界无根,故圆环内为 根,按重数计。

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练习17 超越方程也能用儒歇定理

求 在 内的根数,其中 为正整数。

展开解析:边界上指数由实部控制

在 上 。两项整,故与 有同样的内部零点总重数,为 。不要求求出这些根的显式表达式,也不要求证明它们都是单根。

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练习18 无穷远留数的负号

求 与 在无穷远点的留数。

展开解析:先在大 z 展开,负一次项再变号

,故无穷远留数为 。 没有 项,无穷远留数为0。也可用 核验。前者在无穷远是可去点,却仍可有非零的无穷远留数,因为此处留数属于微分 的变换,不能把有限点“可去则留数0”直接搬过来。

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练习19 菲涅耳积分的尺度变化

求 。

展开解析:不用重做围道

令 ,积分为 乘标准菲涅耳积分 ,所以答案 。一般正参数 的结果为 。注意微分带来 ,不是 。

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练习20 高斯余弦积分的参数检查

求 ,并与不带余弦的积分比较。

展开解析:a=1,b=4

由矩形围道公式,答案为 。不带余弦时为 ,振荡后的有符号积分变小,与指数因子一致。结果为正是这个特定高斯变换的性质,不能推广为“任何正权乘余弦的积分都非负”。

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39 一页速查:每个公式旁边都放上条件

任务 核心式 最容易漏的条件
一阶留数 或 分母简单零点;先看分子抵消
m阶极点留数 在 a 解析
复闭路积分 正向、点在内部、路径无奇点
上半平面实积分 目标段加大弧 收敛;大弧统一估计
指数型半圆 在上方衰减 ,约当条件;下方变方向
绕过简单极点的小弧 参数角和方向;高阶另算
钥匙孔 单值分支、两岸方向、两弧消失
辐角原理 边界无零极点,按重数计
儒歇 只查边界 g、h 内外邻域解析;不等式严格

本章真正要练成的习惯 每一次写积分结果前,都能指出它来自哪一条完整围道等式;每一次数根前,都能指出主项为什么压住其余项。对数分支、实轴主值与无穷远留数是三处容易因简写混淆的地方,本讲义已将约定和微分因子明确写出。对第133页证明中极点对应的留数,统一采用 ,与定理和最终 一致。

完成前8题和14—17题,说明留数、基本实积分与数根已经过关;9—13题检查特殊围道和分支,18—20题检查拓展与参数变化。若尚未做对,不需要重新背整章,直接按习题表回到对应的计算单元。

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。