第五章、留数

本文介绍了复变函数中的留数理论,包括留数的定义、计算公式及定理,展示了留数在求解特定类型积分问题中的应用。通过若干个计算积分的例题,如(a+sint)的倒数、(1+x^2)^2的倒数、(x^2+1)cosx的乘积以及(1+x)^(-a)的积分,阐述了留数定理的实际运用。

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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)2πi1Cf(z)dzf(z)z0Res(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D线C.f(z)Dz1,z2,,znC.
∫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=1nRes(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)!lim⁡z→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)=(k1)!1zz0limdzk1dk1[(zz0)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,f(z)θ1Arg zθ2,r0z<+(r00,0θ1<θ2π)τrOr(rr0).z
lim⁡z→∞f(z)=0\lim\limits_{z\rightarrow\infty}f(z)=0zlimf(z)=0
那么我们有那么我们有
lim⁡r→+∞∫τrf(z)eizdz=0\lim_{r\rightarrow+\infty}\int_{\tau_r}f(z)e^{iz}dz=0r+limτrf(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

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