数学物理方法 / 复变函数
第五章学习讲义
留数及其应用
留数算法 → 实积分与围道 → 多值分支 → 辐角原理与数根。按教材顺序展开概念、例题、证明主线与解题条件;每章附原书习题路线和自编检查题。
严镇军教材配套讲读教材108—141页20道自编检查题离线SVG公式与图解
对应严镇军《数学物理方法》印刷第108—141页;正文从108页到138页上部,习题从138页中部到141页。扫描文件页序仍等于印刷页码加6。本讲义沿原书顺序讲完5.1、5.2的六类内容和5.3,并另加习题路线、检查题及解析。
本章主线 第四章告诉你函数在奇点附近能展开成罗朗级数。本章先问:沿一个小圈积分,究竟会留下哪一项?答案只有负一次幂。把这个系数算出来,再设计一条合适的闭路,就能算复积分、许多实积分,还能数出区域里的零点。
第一轮的过关标准 会选择求留数的方法;会逐个判断奇点在围道内、外还是线上;会写“闭路积分等于目标积分加辅助路径积分”的完整等式;会说明辅助路径为何消失;会用儒歇定理数根并保留重数。背出最后一条留数公式,只完成了其中一小部分。
学习顺序:先跟着例题写关键步骤,再独立完成检查题,最后按习题路线回到原书。证明段落均说明用途,不要求第一轮逐行背诵。
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 。
5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页
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
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。
5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页
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。
5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页
04 高阶极点:先认准阶数,再决定求导或展开
若 为 阶极点,写
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。
5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页
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。
5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页
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。
5.1 · 教材108—112页;补充对应习题138—139页
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。
第五章 / 5.2.1
三角有理函数的定积分
教材112—115页
5.2.1 · 教材112—115页
09 先把一个完整周期变成单位圆一周
对 ,只要原积分有意义,令 。必须同时替换三样:
于是积分变成单位圆逆时针的有理函数闭路积分。 是微分带来的,不能漏掉;它可能引入0点的候选奇点,也可能与化简后的分子消掉,必须看最终表达式。
图 5-3 三角换元后的极点 p 与 1/p当前 p=0.5,内部极点为 p=0.5。
若积分区间是 或 ,先利用周期与对称性补成整圈,写清倍数。不可不说明就把半周期直接当成单位圆一周。含 的表达式不一定关于 对称,更要实际检查。
5.2.1 · 教材112—115页
10 教材例1:泊松型积分的两个互为倒数的极点
求
代换并化简:
候选极点是 和 。由于 ,只有 在内。其留数为 ,所以
这题应能不看答案完整重算一次,尤其检查化简时 因子如何抵消。若题设改为 ,内部点交换,结果为 ; 时原积分在 发散,不属于同一普通积分公式。
5.2.1 · 教材112—115页
11 分子有 cos mθ:先合并成指数,避免凭空增加极点
教材例2求 , 为正整数。原被积函数关于 对称,半周期积分是全周期的一半。
先计算全周期复积分
分母为 ,只有 在内;解析分子 不会在0引入负幂。去掉外面的 后,留数为 。故 ,为实数。
因此原积分为
全周期正弦部分为0,也可直接由对称性核验。若直接代入 仍能做,但会引入0处高阶项;采用指数法是为了少算这些抵消项。
第五章 / 5.2.2
三条引理与围道的选择
教材115—118页
5.2.2 · 教材115—118页
12 大圆弧:函数趋零还不够,先乘上弧长
若大圆弧 的角跨度固定为 ,曲线上 ,则
所以 在相应角域内统一成立,是大弧消失的充分条件。教材引理1就是这个结论。有理函数分母次数至少比分子高2时,,乘弧长 后趋零。
最简单的反例 ,但半圆弧积分恒为 ,不消失;因为它只有 ,乘弧长后为常数量级。不能把“函数很小”偷换成“它沿长曲线的积分很小”。
5.2.2 · 教材115—118页
13 小圆弧:一个简单极点留下角跨度乘留数
若 ,沿小圆弧 、,则
一阶极点时 。证明拆成 与余项,余项模为 ,乘弧长 后消失。若 ,整段小弧消失。
图 5-4 从左向右绕过实轴点,小弧的方向决定符号从左到右的上半小弧为顺时针。
上半平面绕开实轴点 沿实轴从左往右,在点 上方挖一条小半圆,参数角由 降到0,是顺时针,贡献 。小弧是在辅助等式左边的哪一项,必须先写出来,最后移项才决定目标积分中出现什么符号。
不要说“曲线上极点算一半” 不是把留数定理中的点机械地算半个,而是先绕开,使定理有合法路径,再精确计算小弧极限。高阶极点的小弧一般还可能发散,这个一阶极点公式不能直接照搬。
5.2.2 · 教材115—118页
14 约当引理:指数在上半平面衰减,端点也要控制
对 ,。上半平面衰减,下半平面增长,所以常把 闭合到上方。若上半圆上 ,约当引理给
与普通大弧估计相比,它允许 ,不必达到 。
图 5-5 指数的参数符号决定闭合的半平面实轴从左向右,上弧从右向左;加上半平面留数。
证明主线要看懂端点 取 ,积分模不超过 。用 ()及对称性,积分上界可压到 。即使端点处指数模为1,整个端点小区间仍能被控制。
教材给出半平面下缘为 的较宽版本,把低于实轴的一小段圆弧单独估计;第一轮标准上半圆版本足以处理本章多数习题。若 ,改闭下半平面,方向通常顺时针,留数定理前变成 。
5.2.2 · 教材115—118页
15 辅助函数与围道要一起选:把目标放进一条完整等式
留数法没有一个包打天下的代换。先问目标能否成为 、 或 ,再问剩下的路径积分能否消失或换回同一个目标。
| 目标的结构 |
常选的辅助函数或围道 |
为什么 |
| 完整周期三角有理式 |
,单位圆 |
三角变有理式 |
| 全实轴有理式 |
,半圆 |
大弧由次数差消失 |
| 乘正弦、余弦 |
,按符号选半平面 |
指数衰减 |
| 实轴有辅助极点 |
绕开的小半圆 |
保留确定的小弧贡献 |
|
旋转 的射线或三角形 |
二次相位变高斯衰减 |
| 高斯乘余弦 |
平移的矩形 |
上边和下边相互联系 |
| 非整数幂 |
沿分支切口的钥匙孔 |
上下岸相差相位 |
解答必须出现的一句等式 不是只写“由留数定理,答案为……”,而是先写 ,并交代每条辅助段的极限。你的主要得分点通常就在这些条件和符号上。
第五章 / 5.2.3
有理函数的实积分
教材118—120页
5.2.3 · 教材118—120页
16 全实轴有理积分的标准模板
设 ,约去共同因子后实轴没有极点,分母次数至少比分子高2。于是实轴两端绝对收敛。取实线段 加上逆时针上半圆(此处同一个字母 也常用于半径,具体解题可改记半径 ),有
大弧因次数差趋零,故
这里只加上半平面内的点。若闭下方,则曲线顺时针,应写 乘下半平面留数和;结果当然一致,可以选计算更少的一边。
半轴题先看奇偶性 若 偶,则 。若没有偶性,不能直接除2。若实轴有极点,先判断原积分是否存在,不能套这条没有实轴极点的模板。
5.2.3 · 教材118—120页
17 教材例3:三阶极点也只求一个系数
求
上半平面只有 ,为三阶极点;下方的 不参与当前留数和。消掉三阶因子后
所以
乘 得
大弧上 ,弧长 ,上界 。别因为有理函数次数明显就完全省掉说明,写这个上界很短,也能证明条件确实满足。
5.2.3 · 教材118—120页
18 普通广义积分与主值:对称截断不自动代表收敛
普通 要求在一个固定点拆开的左右两端分别收敛;若实轴有奇点,两侧也分别要求收敛。柯西主值则规定对称地取极限,例如
在0有奇点时,还要规定删除对称小区间 后的极限。取极限的方式属于定义,必须写清。
例如 ,但普通广义积分不存在。又如 的对称主值为0,而左右无穷端分别对数发散。留数围道自然给出某种对称截断时,要先检查它算的是普通积分还是主值。 上一模板因绝对收敛,所以两者一致;不能在缺少收敛检查时沿用这个结论。
第五章 / 5.2.4
带正弦、余弦的实积分
教材120—121页
5.2.4 · 教材120—121页
19 把 cos 和 sin 打包成指数,再取实部、虚部
设 , 为实轴上实值的有理函数,无实轴极点,分母次数至少比分子高1。先算
这些有理函数的尾部配合振荡可保证两端相应积分收敛;若次数差只为1,可能是条件收敛,不能声称一定绝对收敛。上半圆用约当引理,得
此时 是余弦积分, 是正弦积分。这里强调 实值,是为了合法地把 原样移出实、虚部运算;若 本身复值,需另行拆分。
不要选 闭上半平面后指望自动衰减,因为 中还含 ,上方会增长。选择 的目的,就是只保留能衰减的那一支。 时不能依赖这个引理,回到有理积分的次数条件。
5.2.4 · 教材120—121页
20 教材例4的推广:二阶极点算出带参数的余弦积分
求 时
选 。上方唯一二阶极点在 ,留数为
因此 为实数,原积分即
全实轴正弦积分为0,既可由虚部为零看出,也可由奇偶性检查。取 就是原书例4;若题目改为 ,偶性使结果再除2。
5.2.4 · 教材120—121页
21 一个简单极点与半轴 x sin(mx) 型积分
先算 的
因为 的留数为 。若分子有 ,则 在 的留数为 ,因此复积分为 。
取虚部并用 的偶性,得
这与原书习题6的第一类直接对应。它的尾部像 ,一般仅条件收敛,但约当引理仍可用。先判函数奇偶性,再决定取全轴的一半,能防止最后丢一个2。
第五章 / 5.2.5
杂例:绕点、旋转和平移
教材121—127页
5.2.5 · 教材121—127页
22 教材例5:sinc平方为何要引入一个有极点的辅助函数
求 。原被积函数在0可补连续,没有真正发散;但直接把 闭到上方会指数增长。利用 ,改选
在0附近 ,所以辅助函数有一阶极点,留数为 。这不矛盾:原实积分和辅助复函数可以有不同的奇点结构。
沿上方挖小半圆,把0排除在区域外,闭路内无奇点。完整等式是
大弧上两项 与 都消失。小弧顺时针,贡献 。所以
取实部得到 ,即全轴 sinc 平方积分为 ,半轴为
实部在0可补连续,得到的是普通收敛积分;虚部 在0近似 ,这里只具有对称主值。原书中这一步的复辅助积分应按主值理解,不能把虚部拆成两侧普通广义积分。
5.2.5 · 教材121—127页
23 同一小弧思路得到狄利克雷积分
对 ,用 并向上绕开0。闭路内无极点,大弧用约当引理,小弧贡献 ,故
虚部 在0可补成 ,在无穷端振荡收敛;它是偶函数。因此
若 ,结果变为 ,可用奇性或闭下半平面推得。 时积分为0,不能从 的公式直接代入极限得到 ;积分与参数极限在这里不能任意交换。
这一例是为原书习题6里的含 正弦积分作准备。不要把 判成0:偶性发生在整个被积函数,不是只看分子 。
5.2.5 · 教材121—127页
24 教材例6:菲涅耳积分的三角形围道
求 、。选 ,沿三角形 。函数整,闭路积分为0。
图 5-6 二次相位要旋转,高斯平移要用矩形三角形的斜边反向走回原点;旋转让二次振荡变成高斯衰减。
竖边 ,模为 ,故其积分模不超过 。斜边角为 ,写 ,从 走回0,于是
令 ,利用高斯积分 ,得
原实积分的条件收敛可用 后的狄利克雷判别说明。为什么不用普通上半圆? 在第二象限会增长;必须根据二次相位选方向。此题的核心是让 变成负实数。
5.2.5 · 教材121—127页
25 教材例7:高斯乘余弦要用平移的矩形
求 的 。先令 ,记 ,把问题归结到 。
图 5-7 高斯余弦积分的矩形围道与上边反向矩形上边与下边关联,而不是直接消失;高斯平移由此产生 e^(-t²)。
对 ,取 沿矩形 积分。两条竖边模均被 控制,趋零。上边反向,且
虚部在对称区间为奇函数,积分为0。因此闭路积分为零给出
由余弦对 的偶性,结果延伸到所有实 ;再回到原变量并除2:
这题没有任何极点,仍然属于复积分方法的应用。保留它,是要训练“辅助边不一定消失,也可以变成目标积分的倍数”。第一轮若考试只考留数半圆模板,可第二轮再熟练矩形构造;正文的推导和用途都应看懂。
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。
5.2.6 · 教材127—132页,原书带星号
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 。
5.2.6 · 教材127—132页,原书带星号
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。
5.2.6 · 教材127—132页,原书带星号
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。
5.2.6 · 教材127—132页,原书带星号
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。
第五章 / 5.3
辐角原理与儒歇定理
教材132—138页上部
5.3 · 教材132—138页上部
31 对数导数为什么会自动数重数
若 是 的 阶零点,局部写 、。不用真的选全域对数,直接求导相除:
后一项在 附近解析,所以 在这里有一阶极点,留数为 。若 是 的 阶极点,写 ,同样得到留数 。
所以 记录的是零点给正的重数,极点给负的阶数。零点虽然可能三重、四重,在对数导数中都变成一阶极点,但留数分别是3、4,信息没有丢失。
5.3 · 教材132—138页上部
32 辐角原理的积分版本:得到的是 N-P
设 在 内部亚纯,也就是除孤立极点外解析,并且在边界 上没有零点、也没有极点。对正向简单闭曲线,
其中 是内部零点总重数, 是内部极点总阶数。它直接由上一单元的留数和得到。
三个边界条件 边界不能有零点,否则 在路径上失去定义;边界不能有极点;内部不能有未处理的本性奇点,因为此处定理建立在亚纯函数的零、极点结构上。若题目只给出一个积分值,你得到的是 ,除非已知没有极点,不能立刻把它称为零点数。
5.3 · 教材132—138页上部
33 几何版本:连续跟踪像曲线绕原点多少圈
当 沿 逆时针走一周, 在另一张平面画出闭曲线,可能自交、也可能绕多圈,但不能穿原点。沿这条曲线连续跟踪辐角,记总变化为 ,则
图 5-10 连续辐角记录净绕圈数,不能只看主值终点零点总重数减极点总阶数为 3;连续辐角变化为 6π。
不是终点主值减起点主值 起点、终点是同一个数,主辐角差当然为0;但连续跟踪的角度可以增加 。例如 ,单位圆在像平面绕原点三周,; 则顺时针两周,变化为 。
教材的几何推导是 。整圈 回到原值,,剩下的就是 。要会解释这个图像,不必把复杂自交像曲线的每一段角度都手工测出来。
5.3 · 教材132—138页上部
34 教材例子:三角分母的零点位置也要列全
取
内部零点为 ,均一重; 在外。 的全部零点为 ,在半径3内只有0,故分母使0成为四阶极点,分子在那里非零。于是 ,得到
边界上既没有这几个零点,也没有 ,所以可用定理。此题不是求 的留数,而是先把零点、极点数清楚,再求像曲线的净绕圈数。
5.3 · 教材132—138页上部
35 儒歇定理:边界上一个部分严格压住另一个部分
若 在 及内部解析,且边界上处处满足
则 与 在内部有相同的零点总重数。把复杂函数分成“容易数根的主项”和“小扰动”,就能不求出具体根而数清根数。
证明可以看连续变形 ():边界上 ,零点不会穿过边界,所以数目保持不变。按教材的辐角证明, 始终在圆 里,绕原点净圈数为0,因此 与 的辐角增量相同。
图 5-11 儒歇定理的边界比较与零点总重数主项 -5z³;按重数计,共 3 个内部零点。
用在哪,验证在哪 不等式只要求在边界,不必在整个内部成立;但两个函数的解析性要覆盖边界和内部。通常版要求严格小于,若只证出 ,不能直接交卷,需进一步排除等号或换拆法。主项不一定是最高次幂:小圆上常数项或低次幂也可能更大。
5.3 · 教材132—138页上部
36 教材例1:单位圆上 -5z³ 压住所有其他项
求 在 的零点数。选 ,。在 上
因此 与 有相同的内部零点总重数,为3。这里不是说 在原点有三重根;事实上 。结论只是它在圆内共有3个根,按重数计。
圆环题要两次计数再相减 对 ,在 上 的模为3,其他两项总模至多 ,故小圆内1根。在 上 的模16,大于 ,故大圆内4根。两个边界均无根,因此圆环 内有3根。这与原书习题10对应。
5.3 · 教材132—138页上部
37 教材例2:代数基本定理在这里证明的用途
对 ,,在足够大的圆上,低次项之和除以 一致趋零,所以最终有 。儒歇定理给大圆内恰有 个零点,按重数计。
还应说明大圆外没有漏根:同一个“首项大于其余项”的估计对所有足够大 都成立,故大圆外 不为零。于是全复平面总共有 个根。这说明以前用过的多项式根数结论可由复分析统一推出。
需要熟背吗 若考试不考定理证明,第一轮能说清“大圆上最高次项压住其余项”即可;具体数根题的选主项、估计和重数才是优先训练内容。保留证明是为了说明儒歇定理不只是计算技巧,也能建立全局结论。
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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 。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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 。
5.4 · 原书习题138—141页 · 自编检查题
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”。
5.4 · 原书习题138—141页
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。