第二章解析函数积分
§2.1复变函数的积分
2.1.1复积分的定义
记∫ l f(z)dz=lim n→∞ max|Δz k |→0 ∑ k=0 n f(ζ k )Δz k –称f(z)沿l从A到B的积分。Δz k =z k −z k−1 f(z)–被积分函数l–积分路径
2.1.2复积分存在条件
令ζ k =ξ k +iη k ,Δz k =Δx k +iΔy k 则f(ζ k )=u(ξ k ,η k )+iv(ξ k ,η k )=u k +iv k f(ζ k )Δz k =(u k +iv k )(Δx k +iΔy k )=(u k Δx k −v k Δy k )+i(v k Δx k +u k Δy k )
∑ k=1 n f(ζ k )Δz k =∑ k=1 n (u k Δx k −v k Δy k )+i∑ k=1 n (v k Δx k +u k Δy k )则有:∫ l f(z)dz=∫ l udx−vdy+i∫ l vdx+udy
存在条件:(1)l分段光滑;(2)f(z)在l上连续.
2.1.3复积分性质
1.∫ l ∑ k=1 n c k f k (z)dz=∑ k=1 n c k ∫ l f k (z)dz2.∫ l f(z)dz=∑ k=1 n ∫ l k f(z)dz,l=∑ k=1 n l k 3.∫ l AB f(z)dz=−∫ l BA f(z)dz ⎫ ⎭ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⟵积分定义
4.|∫ l f(z)dz|≤{∫ l |f(z)|⋅|dz|,|dz|=dsMs,M≥|f(z)|,s=l的长度。 ←积分定义+|z 1 +z 2 |≤|z 1 |+|z 2 |
∣ ∣ ∣ ∑ k=0 n f(ζ k )Δz k ∣ ∣ ∣ ≤∑ n k=0 |f(ζ k )|⋅|Δz k |≤M∑ k=0 n |Δz k |
例1.lim r→0 ∫ |z|=r z 3 1+z 2 dz=?
∣ ∣ ∣ ∫ |z|=r z 3 1+z 2 dz∣ ∣ ∣ ≤∫ |z|=r ∣ ∣ ∣ z 3 1+z 2 ∣ ∣ ∣ |dz|≤r 3 1−r 2 ⋅2πr⟶ r→0 0
2.1.4计算方法
1.用定义计算
例2.计算:I=∫ l zdz,l:z 0 →z n
1)选ζ k =z k−1 ,f(z)=z,Δz k =z k −z k−1 I=∫ l zdz=lim n→∞ ∑ k=1 n [z k−1 (z k −z k−1 )]2)选ζ k =z k I=∫ l zdz=lim n→∞ ∑ k=1 n [z k (z k −z k−1 )]I=∫ l zdz=12 lim n→∞ {∑ k=1 n [z k−1 (z k −z k−1 )]+∑ k=1 n [z k (z k −z k−1 )]}=12 lim n→∞ ∑ k=1 n [z 2 k −z 2 k−1 ]=12 [z 2 n −z 2 0 ]
2.通过计算实线积分来计算
例3.计算:I=∫ l Rezdzl:1)0→2+i;2)0→2→2+i
I=∫ l Rezdz=∫ l xd(x+iy)=∫ l xdx+i∫ l xdyl:1)0→2+i:x=2y,y:0→1I=∫ l Rezdz=∫ 1 0 2yd(2y)+i∫ 1 0 2ydy=2+il:2)0→2→2+i:l 1 :y=0,x:0→2;l 2 :x=2,y:0→1I=∫ l Rezdz=∫ l 1 +l 2 xdx+i∫ l 1 +l 2 xdy=∫ 2 0 xdx+i∫ 1 0 2dy=2+2i
例4.计算:I=∫ l zdz,l:1)0→2+i;2)0→2→2+i
1),2)I=32 +2i
3.用极坐标计算
例5.证明:∮ l dz(z−a) n ={2πi,n=1,0,n≠1, l:|z−a|=r
§2.2柯西定理
2.2.1单连通区域的Cauchy定理
设f(z)在单连通区域σ内解析,l为σ内的任意一条分段光滑的曲线,则∮ l f(z)dz=0注:Cauchy定理被人们称之为解析函数的基本定理。
例1.∮ l dz(z−3) =?l:1)|z−3|=2;2)|z|=2
答:1)2πi;2)0
例2.∮ |z−3|=2 dz(z−3) 2 =?
答:0
注:Cauchy定理逆定理不成立。
2.2.2推论
解析函数的积分之值与路径无关。
例3.计算∫ l sinzdz,l:|z−1|=1的上半圆从0→2
答:1−cos2
2.2.3不定积分和原函数
1.定理:若f(z)在σ内解析,则在σ内F(z)=∫ z z 0 f(ζ)dζ,单值、解析且F ′ (z)=f(z)
证明:(1)∫ l AB f(ζ)dζ=∫ B A f(ζ)dζ=∫ z z 0 f(ζ)dζ(A=z 0 ,B=z)=F(z)(单值)
(2)F(z+Δz)−F(z)Δz =1Δz [∫ z+Δz z 0 f(ζ)dζ−∫ z z 0 f(ζ)dζ]=1Δz [∫ z z 0 f(ζ)dζ+∫ z+Δz z f(ζ)dζ−∫ z z 0 f(ζ)dζ]=1Δz ∫ z+Δz z f(ζ)dζ(沿z→z+Δz直线)
f(z)=1Δz ∫ z+Δz z f(z)dζ(沿z→z+Δz直线)
证明:∣ ∣ ∣ F(z+Δz)−F(z)Δz −f(z)∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ 1Δz ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∫ z+Δz z [f(ζ)−f(z)]dζ∣ ∣ ≤1Δz ∫ z+Δz z |f(ζ)−f(z)||dζ|
∵f(z)∈H(σ)∴f(z)连续∴∀ε>0,∃δ>0,ϵ|ζ−z|<δ→|f(ζ)−f(z)|<ε∴∣ ∣ ∣ F(z+Δz)−F(z)Δz −f(z)∣ ∣ ∣ <∣ ∣ ∣ 1Δz ∣ ∣ ∣ ε|Δz|=ε∴lim Δz→0 F(z+Δz)−F(z)Δz =f(z)→F ′ (z)=f(z)
注:上述定理条件可减弱为(1)∮ l f(z)dz=0;(2)f(z)在σ内连续。
2.原函数的定义:若φ ′ (z)=f(z),则称φ(z)为f(z)的原函数。显然,F(z)=∫ z z 0 f(ζ)dζ是f(z)的一个原函数。
3.φ(z)−F(z)=c
4.Newton−Leibniz公式:若f(z)∈H(σ),则有∫ z z 0 f(ζ)dζ=φ(z)−φ(z 0 )
例4.I=∫ 2+i 0 zdz=z 2 2 | 2+i 0 =32 +2i
5.对于解析函数,也可采用分部积分法
如,∫ 1+π2 i 1 ze z dz
答:−π2 e
例5.已知u=x 2 −y 2 −x为f(z)∈H(σ)的实部,求f(z).
∵f(z)∈H(σ)→⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ∂u∂x =∂v∂y ,∂u∂x =2x−1∂v∂x =−∂u∂y ,∂u∂y =−2y
f ′ (z)=∂u∂x −i∂u∂y =2x−1+i2y=2z−1
→f(z)=∫ z z 0 (2ζ−1)dζ=z 2 −z+c
柯西定理:设f(z)在单连通区域σ内解析,l为σ内的任意一条分段光滑的曲线,
⇕
设f(z)在单连通区域σ内及σ ¯ =σ+l上均解析,
则∮ l f(z)dz=0
2.2.4推广的柯西定理
若f(z)∈H(σ),在σ ¯ =σ+l上连续,则∮ l f(z)dz=0
2.2.5复连通区域的柯西定理
设L=l+∑ k=1 n l k 为σ的复围线,f(z)∈H(σ)在σ ¯ =σ+L上连续,则∮ l f(z)dz=∑ k=1 n ∮ l k f(z)dz
例6.∮ |z|=a 1z 2 −1 dz=?,a>2
1z 2 −1 =12 [1z−1 −1z+1 ],答:0
例7.计算I=∮ l 1(z−a) n dz;l:包围a的围道
答:∮ l dz(z−a) n ={2πi,n=1,0,n≠1
§2.3柯西公式
2.3.1Cauchy公式
1.单连通区域的Cauchy公式:
设f(z)∈H(σ),在σ ¯ =σ+l上连续,a∈σ,则f(a)=12πi ∮ l f(z)z−a dz
证明:∮ l f(z)−f(a)z−a dz=∮ l ρ f(z)−f(a)z−a dz
→∣ ∣ ∣ ∮ l ρ f(z)−f(a)z−a dz∣ ∣ ∣ ≤∮ l ρ ∣ ∣ ∣ f(z)−f(a)z−a ∣ ∣ ∣ |dz|≤max|f(z)−f(a)|ρ ⋅2πρ
∵f(z)在a点连续,∴∀ε>0,∃δ>0,ϵ|z−a|<δ→|f(z)−f(a)|<ε
∮ l ρ ∣ ∣ ∣ f(z)−f(a)z−a ∣ ∣ ∣ |dz|<2πε=ε ′
∴∮ l f(z)−f(a)z−a dz=0
注:1)更一般:f(z)=12πi ∮ l f(ζ)ζ−z dζ
2)意义:解析函数在区域内的值由边界上的积分值确定。
3)可用来计算围道积分
∮ l f(ζ)ζ−z dζ=2πif(z)
∮ |z|=1 e z 2 dz=2πi
例1.计算∮ |z|=2 3z−1z(z−1) dz
答:6πi
例2.计算∮ |z−i|=12 e z z(z 2 +1) dz
答:π(sin1−icos1)
2.复通区域的柯西公式
设L=l+∑ k=1 n l k 为σ的边界复围线,f(z)∈H(σ)在σ ¯ =σ+L上连续,则
f(z)=12πi [∮ l f(z)ζ−z dζ−∑ k=1 n ∮ l k f(z)ζ−z dζ]
3.无界区域的柯西公式
设f(z)在围道l外单值解析,在l外至l上连续,且当z→∞时,f(z)一致区域零,则f(z)=12πi ∮ l f(ζ)ζ−z dζ
2.3.2柯西公式的推论
1.解析函数的任意阶导数
设l,σ,f(z)满足柯西定理存在的条件,则在σ内有:
f (n) (z)=n!2πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) n+1 dζ
当n=1时有:f ′ (z)=12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) 2 dζ
证明:ΔfΔz =f(z+Δz)−f(z)Δz =12πi 1Δz ∮ l [f(ζ)ζ−z−Δz −f(ζ)ζ−z ]dζ=12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z−Δz)(ζ−z) dζ
∣ ∣ ∣ ΔfΔz −12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) 2 dζ∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ 12πi ∮ l f(ζ)Δz(ζ−z−Δz)(ζ−z) 2 dζ∣ ∣ ∣ ≤12πi ∮l |f(ζ)|⋅|Δz||ζ−z−Δz||ζ−z| 2 |dζ|
∵f(z)在σ ¯ 上连续,∴有上界,设max|f(ζ)|=M,d=min|ζ−z|,s−l长,|Δz|<d2 则|ζ−z|≥d,|ζ−z−Δz|≥|ζ−z|−|Δz|>d2
∴∣ ∣ ∣ ΔfΔz −12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) 2 dζ∣ ∣ ∣ ≤12πi ∮ l |f(ζ)|⋅|Δz||ζ−z−Δz||ζ−z| 2 |dζ|<12π M|Δz|d 3 2 s=|Δz|Msπd 3
取δ=min[d2 ,επd 3 Ms ],则当|Δz|<δ时有:
∣ ∣ ∣ ΔfΔz −12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) 2 dζ∣ ∣ ∣ <ε
即f ′ =12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) 2 dζ
注意:(1)上述公式成立,实际上只用到条件:1)f(z)=12πi ∮ l f(ζ)(ζ−z) dζ,2)f(z)连续
(2)对复变函数,若一阶导数存在,则任意阶导数存在;对实变函数则不然。
(3)柯西导数公式可用来计算积分:∮ l f(z)(z−a) n+1 dz=2πin! f (n) (a)
例3.∮ |z|=1 e z z n dz=?
答:⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ 2πi(n−1)! ,n≥10,n<1
(4)推论:若φ(z)在l上连续,f(z)=12πi ∫ l φ(ζ)(ζ−z) dζ−−柯西型积分
则f (n) (z)=n!2πi ∫ l φ(ζ)(ζ−z) n+1 dζ(z∉l)
(5)复通区域的柯西导数公式仍然成立。
2.柯西不等式:
设f(z)∈H(σ),在σ ¯ =σ+l上连续,则有|f (n) (z)|≤n!Ms2πd n+1
其中,M=sup|f(z)|,s−l的长,d=min|ζ−z|
特别是,当l:|ζ−z|=R时,有:|f (n) (z)|≤n!MR n
3.刘维尔定理:
设f(z)在复平面解析,且当z→∞时|f(z)|≤M,则f(z)必为常数.
注:(1)在复变函数中,函数可导有界必为常数;在实变函数中则不然.
(2)P n (z),e z ,sinz等不为常数,所以均无界。
4.模数原理:
若f(z)∈H(σ),在σ ¯ =σ+l上连续,则f(z)只能在边界上取最大值。
5.平均值定理:
若f(z)在|z−a|<R内解析,在|z−a|≤R上连续,则
f(a)=12π ∫ 2π 0 f(a+Re iφ )dφ
6.摩勒纳定理:
设f(z)在区域σ内连续,且对σ内任意围线l都有∮ l f(z)dz=0,则f(z)在σ内解析。