​复杂函数的积分

学术   教育   2024-06-04 19:33   安徽  
将复连通区域的柯西定理、柯西积分公式与  阶导数公式结合起来,是计算某些复杂的解析函数绕闭合路径积分的重要工具。
柯西积分公式出发可以得到,一个单值解析函数的任意阶导数必定存在:
其中积分路径  是一条闭合曲线,函数变量  在闭合积分路径所包围的区域内取值,而积分变量  则在闭合积分路径上取值。
原则上说,求导数总要比求积分容易得多,因此,如果你想要利用上面的式子通过积分来求一个解析函数的导数,结果多半是得不偿失的。上述  阶导数公式只能说明一个单值解析函数的可导性,想用它来求导数并不现实。不过,这个  阶导数公式的意义不仅仅在于保证了  阶导数的存在那么简单,它协同复连通区域的柯西定理与柯西积分公式 (为了简单起见,有时候把  阶导数公式也叫做柯西积分公式) 一起,是计算一些复杂的解析函数绕闭合路径积分 (简称围道积分) 的重要工具。
设想有一个有奇点的复杂的解析函数 ,我们想要计算它绕某条包围奇点的闭合曲线的积分。对这样一个复杂的函数做积分,用常规的方法很可能是行不通的。但是,如果这个复杂的函数在闭合积分路径所围的区域内有一个奇点  ,并且能够写成类似于
这样的形式,就可以利用前面的  阶导数公式,通过计算   阶导数在  点的值而快速地把积分算出来:

我们来讨论一个对复杂函数做围道积分的实例,看一看柯西积分公式是如何起作用的。我们要计算下面这个积分:

计算这样的积分可以严格地按照以下程序分几个步骤进行:
第一步,把积分路径画出来。现在要计算的这个积分,它的积分路径是一条满足条件 的曲线,这是一个以 2 为圆心,半径等于 3 的圆周;
第二步,把被积函数的奇点找出来,每一个奇点各用一个以该奇点为圆心的小圆围起来,构造一个复连通区域。在这个积分中,被积函数有三个奇点,它们分别是

第三步,把对闭合路径的积分转换成沿围绕奇点的小圆的积分之和:

第四步,观察沿每个小圆积分时被积函数的特点,把它改写成柯西积分公式的形式。比如说,对沿  的积分,在闭合积分路径  内只有一个奇点 根据这个特点,把 这个因子改写成 的形式,把其余在 点非奇异的因子用一个新的函数符号 标记。把积分改写成这个样子后,就把沿   的积分与 的二阶导数联系起来了。对沿三个小圆的积分做类似的分析和改写,就得到以下积分公式:
其中三个新的函数分别是这样的:
第五步,把沿每个小圆的积分用柯西积分公式计算出来。比如说,只要算出 的二阶导数在 点的值,就得到了沿  积分的结果;
最后一步,把沿所有小圆积分的结果加起来:

这就得到了所求积分的结果。

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