复变函数与积分变换系列(三) - 复变函数的积分

本文深入探讨了复变函数积分的基本概念与核心定理,包括C-R方程、C-G定理、圈圈公式、复合闭路定理等,并详细讲解了不同类型的复变函数积分计算方法,如纯分母奇点函数积分、带分子变量分母奇点函数积分等,同时介绍了调和函数及其在解析函数中的应用。

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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

KaTeX parse error: Expected '}', got '\part' at position 8: \frac{\̲p̲a̲r̲t̲ ̲u}{\part x} = \…

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:zz0=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(zz0)n+1dz={2πi(n=0)0(n̸=0)

1.4 复合闭路定理

cccnnn 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=1nckf(z)dz

1.5 Cauchy积分公式

f(z)f(z)f(z)z0z_0z0 连续
∮cf(z)z−z0dz=2πif(z0) \oint_c\frac{f(z)}{z-z_0}dz = 2\pi if(z_0) czz0f(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!(zz0)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)dzcf(z)dz : 简单非闭合曲线积分

一般题目所给出的积分路径 cccf(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[02])


∫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)xiydz+(2,0)(2,8)xiydz=02xdx+08(2iy)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=ty=t3y = t^3y=t3t∈(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)=tit3

∫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+8iczdz=02tit3d(t+it3)=02t+3t5+i2t3dt=34+8i


[B] ∮cf(z)dz\oint_cf(z)dzcf(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}}dzc(zz0)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|=2c(z1)1dz,   c:z=2


∮c1(z−1)dz=2πi \oint_{c}\frac{1}{(z-1)} dz = 2\pi i c(z1)1dz=2πi


[C2] ∮c1(z−z1)(z−z2)dz\oint_c \frac{1}{(z-z_1)(z-z_2)}dzc(zz1)(zz2)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|=2c(z1)(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(z1)(z+1)1dz=c1(z1)z+1zdz+c2(z+1)z1zdz=c1(z1)1+11dz+c2(z+1)111dz=0


[D1] ∮cf(z)(z−z0)dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_0)}dzc(zz0)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|=2c(z1)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(z1)zdz=c(z1)1dz=2πi


[D2] ∮cf(z)(z−z1)(z−z2)dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_1)(z-z_2)}dzc(zz1)(zz2)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|=2c(z1)(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(z1)(z+1)zdz=c1(z1)z+1zdz+c2(z+1)z1zdz=c1(z1)1+11dz+c2(z+1)111dz=2πi


[D3] ∮cf(z)(z−z0)5dz\oint_c\frac{f(z)}{(z-z_0)^5}dzc(zz0)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|=2c(z1)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(z1)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}dzc(zz1)2(zz2)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|=3c(z1)2(z2)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(z1)2(z2)3zdz=c1(z1)2(z2)3zdz+c2(z2)3(z1)2zdz=1!2πi[((z2)3z)(1)z=2]+2!2πi[((z1)2z)(2)z=1]=


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

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