复变函数的积分
Author : Benjamin142857
Date : 2018/10/1
[TOC]
1. 有关的几个定理与公式
1.1 C-R 方程
Cauchy Riemann equation - 柯西黎曼方程,对于 f(z)=u+ivf(z) = u + ivf(z)=u+iv
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1.2 C-G 定理
Cauchy Goursat theorem - 柯西古萨定理,对于 f(z)f(z)f(z) 在D内解析
∮cf(z)dz=0
\oint_cf(z)dz=0
∮cf(z)dz=0
1.3 圈圈公式
c:∣z−z0∣=rc : |z-z_0|=rc:∣z−z0∣=r
∮cdz(z−z0)n+1={2πi,(n=0)0,(n≠0)
\oint_{c}\frac{dz}{(z-z_0)^{n+1}} = \begin{cases} 2\pi i,(n=0) \\ 0,(n\neq0)\end{cases}
∮c(z−z0)n+1dz={2πi,(n=0)0,(n̸=0)
1.4 复合闭路定理
ccc 含 nnn 个奇点,每个奇点可以画个 ckc_kck 小圆,k=1,2,...,nk=1,2,...,nk=1,2,...,n
∮cf(z)dz=∑k=1n∮ckf(z)dz
\oint_cf(z)dz = \sum_{k=1}^n\oint_{c_k}f(z)dz
∮cf(z)dz=k=1∑n∮ckf(z)dz
1.5 Cauchy积分公式
f(z)f(z)f(z) 在 z0z_0z0 连续
∮cf(z)z−z0dz=2πif(z0)
\oint_c\frac{f(z)}{z-z_0}dz = 2\pi if(z_0)
∮cz−z0f(z)dz=2πif(z0)
1.6 高阶导数公式
f(n)(z0)=n!2πi∮f(z)(z−z0)n+1dz f^{(n)}(z_0) = \frac{n!}{2\pi i}\oint\frac{f(z)}{(z-z_0)^{n+1}}dz f(n)(z0)=2πin!∮(z−z0)n+1f(z)dz
1.7 Laplace方程
拉普拉斯方程,对于函数 ϕ(x,y)\phi(x, y)ϕ(x,y)
KaTeX parse error: Expected '}', got '\part' at position 8:
\frac{\̲p̲a̲r̲t̲^2\phi}{\part x…
2. 常见形式的复变函数积分
[A] ∫cf(z)dz\int_cf(z)dz∫cf(z)dz : 简单非闭合曲线积分
一般题目所给出的积分路径 ccc 在 f(z)f(z)f(z) 的解析区域内或 f(z)f(z)f(z) 全平面解析,根据 C-G定理,积分与路径无关,转为x,y重积分
例 :求 ∫cz‾dz, c:y=x3(x∈[0→2])\int_{c}\overline z dz,\ \ \ c : y=x^3(x\in [0\rightarrow 2])∫czdz, c:y=x3(x∈[0→2])
∫cz‾dz=∫(0,0)(2,0)x−iydz+∫(2,0)(2,8)x−iydz=∫02xdx+∫08(2−iy)idy=34+8i \int_c \overline z dz \\= \int_{(0, 0)}^{(2,0)}x-iydz + \int_{(2, 0)}^{(2,8)}x-iydz \\= \int_0^2xdx + \int_0^8(2-iy)idy\\=34+8i ∫czdz=∫(0,0)(2,0)x−iydz+∫(2,0)(2,8)x−iydz=∫02xdx+∫08(2−iy)idy=34+8i
路径未必在解析区域内的万能做法,但计算复杂
例 :求 ∫cz‾dz, c:y=x3(u(t)−u(t+2))\int_{c}\overline z dz,\ \ \ c : y=x^3(u(t)-u(t+2))∫czdz, c:y=x3(u(t)−u(t+2))
x=tx = tx=t,y=t3y = t^3y=t3,t∈(0,2)t\in (0,2)t∈(0,2)
z=t+it3z = t+it^3z=t+it3
f(z)=t−it3f(z) = t-it^3f(z)=t−it3
∫cz‾dz=∫02t−it3d(t+it3)=∫02t+3t5+i2t3dt=34+8i\int_c \overline z dz = \int_0^2t-it^3d(t+it^3) = \int_0^2t+3t^5+i2t^3dt=34+8i∫czdz=∫02t−it3d(t+it3)=∫02t+3t5+i2t3dt=34+8i
[B] ∮cf(z)dz\oint_cf(z)dz∮cf(z)dz : 任意函数闭合曲线积分
若在解析区域, C-G定理
∮Cf(z)dz=0
\oint_C f(z)dz = 0
∮Cf(z)dz=0
[C1] ∮c1(z−z0)n+1dz\oint_c\frac{1}{(z-z_0)^{n+1}}dz∮c(z−z0)n+11dz : 纯分母奇点函数积分 - 单奇点
[圈圈公式]
例 :求 ∮c1(z−1)dz, c:∣z∣=2\oint_{c}\frac{1}{(z-1)} dz,\ \ \ c : |z|=2∮c(z−1)1dz, c:∣z∣=2
∮c1(z−1)dz=2πi \oint_{c}\frac{1}{(z-1)} dz = 2\pi i ∮c(z−1)1dz=2πi
[C2] ∮c1(z−z1)(z−z2)dz\oint_c \frac{1}{(z-z_1)(z-z_2)}dz∮c(z−z1)(z−z2)1dz : 纯分母奇点函数积分 - 多奇点
[复合闭路定理 + 圈圈公式 + Cauchy积分公式]
例 :求 ∮c1(z−1)(z+1)dz, c:∣z∣=2\oint_{c}\frac{1}{(z-1)(z+1)} dz,\ \ \ c : |z|=2∮c(z−1)(z+1)1dz, c:∣z∣=2
∮c1(z−1)(z+1)dz=∮c1zz+1(z−1)dz+∮c2zz−1(z+1)dz=∮c111+1(z−1)dz+∮c21−1−1(z+1)dz=0 \oint_{c}\frac{1}{(z-1)(z+1)} dz\\=\oint_{c1}\frac{\frac{z}{z+1}}{(z-1)}dz + \oint_{c2}\frac{\frac{z}{z-1}}{(z+1)}dz \\= \oint_{c1}\frac{\frac{1}{1+1}}{(z-1)}dz + \oint_{c2}\frac{\frac{1}{-1-1}}{(z+1)}dz \\= 0 ∮c(z−1)(z+1)1dz=∮c1(z−1)z+1zdz+∮c2(z+1)z−1zdz=∮c1(z−1)1+11dz+∮c2(z+1)−1−11dz=0
[D1] ∮cf(z)(z−z0)dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_0)}dz∮c(z−z0)f(z)dz : 带分子变量分母奇点函数积分 - 一次单奇点
[ 圈圈公式 + Cauchy积分公式 ]
例 :求 ∮cz(z−1)dz, c:∣z∣=2\oint_{c}\frac{z}{(z-1)} dz,\ \ \ c : |z|=2∮c(z−1)zdz, c:∣z∣=2
∮cz(z−1)dz=∮c1(z−1)dz=2πi \oint_{c}\frac{z}{(z-1)} dz \\= \oint_{c}\frac{1}{(z-1)}dz \\= 2\pi i ∮c(z−1)zdz=∮c(z−1)1dz=2πi
[D2] ∮cf(z)(z−z1)(z−z2)dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_1)(z-z_2)}dz∮c(z−z1)(z−z2)f(z)dz : 带分子变量分母奇点函数积分 - 一次多奇点
[复合闭路定理 + 圈圈公式 + Cauchy积分公式]
例 :求 ∮cz(z−1)(z+1)dz, c:∣z∣=2\oint_{c}\frac{z}{(z-1)(z+1)} dz,\ \ \ c : |z|=2∮c(z−1)(z+1)zdz, c:∣z∣=2
∮cz(z−1)(z+1)dz=∮c1zz+1(z−1)dz+∮c2zz−1(z+1)dz=∮c111+1(z−1)dz+∮c2−1−1−1(z+1)dz=2πi \oint_{c}\frac{z}{(z-1)(z+1)} dz \\= \oint_{c1}\frac{\frac{z}{z+1}}{(z-1)}dz + \oint_{c2}\frac{\frac{z}{z-1}}{(z+1)}dz \\= \oint_{c1}\frac{\frac{1}{1+1}}{(z-1)}dz + \oint_{c2}\frac{\frac{-1}{-1-1}}{(z+1)}dz \\= 2\pi i ∮c(z−1)(z+1)zdz=∮c1(z−1)z+1zdz+∮c2(z+1)z−1zdz=∮c1(z−1)1+11dz+∮c2(z+1)−1−1−1dz=2πi
[D3] ∮cf(z)(z−z0)5dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_0)^5}dz∮c(z−z0)5f(z)dz : 带分子变量分母奇点函数积分 - 高次单奇点
[高阶导数公式 + 圈圈公式 + Cauchy积分公式]
例 :求 ∮cz(z−1)5dz, c:∣z∣=2\oint_{c}\frac{z}{(z-1)^5} dz,\ \ \ c : |z|=2∮c(z−1)5zdz, c:∣z∣=2
∮cz(z−1)5dz=2πi4![z(4)∣z=1]=0 \oint_{c}\frac{z}{(z-1)^5} dz \\= \frac{2\pi i}{4!}[z^{(4)}|_{z=1}]\\=0 ∮c(z−1)5zdz=4!2πi[z(4)∣z=1]=0
[D4] ∮cf(z)(z−z1)2(z−z2)3dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_1)^2(z-z_2)^3}dz∮c(z−z1)2(z−z2)3f(z)dz : 带分子变量分母奇点函数积分 - 高次多奇点
[高阶导数公式 + 圈圈公式 + 复合闭路定理 + Cauchy积分公式]
例 :求 ∮cz(z−1)2(z−2)3dz, c:∣z∣=3\oint_{c}\frac{z}{(z-1)^2(z-2)^3} dz,\ \ \ c : |z|=3∮c(z−1)2(z−2)3zdz, c:∣z∣=3
∮cz(z−1)2(z−2)3dz=∮c1z(z−2)3(z−1)2dz+∮c2z(z−1)2(z−2)3dz=2πi1![(z(z−2)3)(1)∣z=2]+2πi2![(z(z−1)2)(2)∣z=1]=不想算 \oint_{c}\frac{z}{(z-1)^2(z-2)^3} dz \\=\oint_{c1}\frac{\frac{z}{(z-2)^3}}{(z-1)^2}dz + \oint_{c2}\frac{\frac{z}{(z-1)^2}}{(z-2)^3}dz\\=\frac{2\pi i}{1!}[(\frac{z}{(z-2)^3})^{(1)}|_{z=2}] + \frac{2\pi i}{2!}[(\frac{z}{(z-1)^2})^{(2)}|_{z=1}]\\=不想算 ∮c(z−1)2(z−2)3zdz=∮c1(z−1)2(z−2)3zdz+∮c2(z−2)3(z−1)2zdz=1!2πi[((z−2)3z)(1)∣z=2]+2!2πi[((z−1)2z)(2)∣z=1]=不想算
3. 调和函数与偏微分法
调和函数 ϕ(x,y)\phi(x, y)ϕ(x,y)
- 在区域内具有二阶连续偏导
- 符合Laplace方程
[C-R方程]⇓\Downarrow⇓
区域内的解析函数 f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z) = u(x, y) + iv(x, y)f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 实部与虚部均为调和函数
区域内的解析函数的虚部为实部的共轭调和函数
偏微分法
通过 uuu ⇒\Rightarrow⇒ vvv ⇒\Rightarrow⇒ u+ivu+ivu+iv 或 通过 vvv ⇒\Rightarrow⇒ uuu ⇒\Rightarrow⇒ u+ivu + ivu+iv