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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。