第五章、留数
1.一般理论
- 留数定义
把积分12πi∫Cf(z)dz定义为函数f(z)在孤立奇点z0的留数,记做Res(f,z0)把积分\frac{1}{2\pi i}\int_Cf(z)dz定义为函数f(z)在孤立奇点z_0的留数,记做Res(f,z_0)把积分2πi1∫Cf(z)dz定义为函数f(z)在孤立奇点z0的留数,记做Res(f,z0)
定理 1.1
设D是在复平面上的一个有界区域,其边界是一条有或有限条简单闭曲线C.设函数f(z)在D内出去有孤立奇点z1,z2,…,zn外,在每一点都解析,并且它在C上每一点也解析.那么我们有\qquad设D是在复平面上的一个有界区域,其边界是一条有或有限条简单闭曲线C.设函数f(z)在D内出去有孤立奇点z_1,z_2,\dots,z_n外,在每一点都解析,并且它在C上每一点也解析.那么我们有设D是在复平面上的一个有界区域,其边界是一条有或有限条简单闭曲线C.设函数f(z)在D内出去有孤立奇点z1,z2,…,zn外,在每一点都解析,并且它在C上每一点也解析.那么我们有
∫Cf(z)dz=2πi∑k=1nRes(f,zk),\int_Cf(z)dz=2\pi i\sum\limits_{k=1}^{n}Res(f,z_k),∫Cf(z)dz=2πik=1∑nRes(f,zk),
这里沿C的积分是按关于区域D的正向取的.
- Res(f,z0)=1(k−1)!limz→z0dk−1[(z−z0)kf(z)]dzk−1Res(f,z_0)=\frac{1}{(k-1)!}\lim\limits_{z\rightarrow z_0}\frac{d^{k-1}[(z-z_0)^kf(z)]}{dz^{k-1}}Res(f,z0)=(k−1)!1z→z0limdzk−1dk−1[(z−z0)kf(z)]
2.留数计算的应用
引理 1
设f(z)是在闭区域θ1≤Arg z≤θ2,r0≤∣z∣<+∞(r0≥0,0≤θ1<θ2≤π)上连续的复变函数,并且设τr是以O为心、r为半径的圆弧在着闭区域上的一段(r≥r0).如果当z在着闭区域上时,\qquad设f(z)是在闭区域\theta_1\leq Arg\ z\leq\theta_2,r_0\leq|z|\lt+\infty(r_0\geq0,0\leq\theta_1\lt\theta_2\leq\pi)上连续的复变函数,并且设\tau_r是以O为心、r为半径的圆弧在着闭区域上的一段(r\geq r_0).如果当z在着闭区域上时,设f(z)是在闭区域θ1≤Arg z≤θ2,r0≤∣z∣<+∞(r0≥0,0≤θ1<θ2≤π)上连续的复变函数,并且设τr是以O为心、r为半径的圆弧在着闭区域上的一段(r≥r0).如果当z在着闭区域上时,
limz→∞f(z)=0\lim\limits_{z\rightarrow\infty}f(z)=0z→∞limf(z)=0
那么我们有那么我们有那么我们有
limr→+∞∫τrf(z)eizdz=0\lim_{r\rightarrow+\infty}\int_{\tau_r}f(z)e^{iz}dz=0r→+∞lim∫τrf(z)eizdz=0
例 1
计算积分
I=∫02πdta+sint(a>1)I=\int_0^{2\pi}\frac{dt}{a+sint}(a\gt1)I=∫02πa+sintdt(a>1)
例 2
计算积分
I=∫0+∞dx(1+x2)2I=\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(1+x^2)^2}I=∫0+∞(1+x2)2dx
例 3
计算积分
I=∫0+∞cosxx2+1dxI=\int_0^{+\infty}\frac{cosx}{x^2+1}dxI=∫0+∞x2+1cosxdx
例 4
计算积分
I=∫0+∞dx(1+x)xa(0<a<1)I=\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(1+x)x^a}(0\lt a\lt1)I=∫0+∞(1+x)xadx(0<a<1)
例 5
计算积分
I=∫0+∞lnx(1+x)3dxI=\int_0^{+\infty}\frac{lnx}{(1+x)^3}dxI=∫0+∞(1+x)3lnxdx