Transcript 第二章复变函数的积分
第二章
复变函数的积分
重点
1、复变函数积分的概念、性质和计算方法;
2、单、复连通Cauchy定理(解析函数的基本定理)
的应用;
3、应用Cauchy公式(解析函数的基本公式)计
算回路积分。
§2、1
y
复变函数的积分
z3
1、复变函数的积分定义
z 2 z2 z 3
zk z k
zk1Dzk
f(z)在复平面内的l分段光
z1 z 1
滑曲线上连续,在l上取一
A
系列分点 z0 zn
O
将l分成n小段在每一小段上任取一点
k 。则有下式复变函数积分
n
lim f (k )(zk zk 1 ) 存在,
B
x
n k 1
且值与 k 点的选取无关。称该和的极限为函数
f(z)沿曲线l从A
B的路积分,记作
n
f ( z )dz lim f ( )(z
n k 1
k
k
zk 1 )
积分函数
积分路径
一般来说,复变函数的积分值与积分路径有关.
l
n
f ( z )dz lim f ( )(z
2、复变函数积分计算方法
n k 1
l
k
k
zk 1 )
1)将复变函数的路积分化为两个实变函数的线积分
f ( x, y) u( x, y) iv( x, y)
zk xk iyk
zk 1 xk 1 iyk 1
n
f ( z )dz lim f ( )(z
l
n k 1
n
lim
k
k
zk 1 )
[u( x , y ) iv( x , y )][(x
n k 1
k
k
k
k
k
xk 1 ) i( yk yk 1 )]
lim
n
[u( x , y ) iv( x , y )][(x
k
n k 1
n
k
k
k
k
xk 1 ) i( yk yk 1 )]
n
lim v( x , y )( y y )
n
y ) i lim v( xk , yk )(xk xk 1 )
x k 1
u ( x, y )dx v ( x, y ) dy i u ( x, y )dx i v( x, y )dy
lim u( x , y )(x
i lim u( x , y )( y
x
x
k 1
n
k 1
k
k
k
xk 1 )
k
k
k
k 1
k
k
k 1
l
l
l
l
x k 1
k
u ( x, y )dx v( x, y )dy i v ( x, y ) dx u ( x, y ) dy
l
l
可见 将复变函数的路积分转化为两个实变函数的线积
分,因此实变函数的线积分性质对复变函数而言均成立。
f ( z)dz udx vdy i vdx udy
l
l
(u iv)(dx idy)
l
l
注:
应学会利用y与x关系(y和x的关系显式,
即积分路径表示式)将复函数线积分化为
定积分或不定积分计算
例1:沿图所示的三条曲线分别计算复变函数∫l Re(z) dz从O
到B(1,1)的定积分。
解:分析积分式与路径
f ( z) Re z : u Re z x, v 0
Re zdz x(dx idy) xdx i xdy
B
A
l
OA
1
1
Re zdz xdx i ydy xdx i ydy
1 1
i
2 2
OB
OB
l
Re zdz xdx i xdy 0
(3)路径:y=x,则:
OB
l
(1)路径OAB:路径OA+OB
对OA:x=0,dx=0,y:0~1
D
O
l
0
0
OA
OA
对AB:y=1,dy=0,x:0~1
1
1
AB Re zdz AB xdx i AB xdy 0 xdx 2
1
Re zdz Re zdz Re zdz
2
l
OA
AB
(2)同理可求另一条路径ODB的积分
为:1/2+i
例
计算
zdz ,l 为从原点到3+i4的三条直线段。
l
解:分析:积分式为: z x iy
dz dx idy
复积分化为:
zdz ( x iy)(dx idy) xdx ydy i ydx xdy
l
l
(1)路径OAB:路径OA+OB
对OA:x=0,dx=0,y:0~4
对AB:y=4,dy=0,x:0~3
3
4l
zdz ydy 8
OA
3
l
B
A
0
9
AB zdz 0 xdx i0 ydx 2 12i
7
zdz zdz zdz 12i
2
l
OA
AB
(2)同理可求
另一条路径ODB
的积分也为此数
O
D
4
y x; x : 0 ~ 3, y : 0 ~ 4
3
(3)路径:
zdz xdx ydy i ydx xdy
l
l
l
3
xdx ydy i 0
3
4
0
0
4 3
4
xdx i 0 ydy
4
3
1 2 1 2
4 1 2
3 1 2
3 4 i 3 i 4
2
2
3 2
4 2
7
1
1
(9 16) i (12 12) 12i
2
2
2
B
A
O
D
B(1,1)
A
O
D
B(3,4)
A
O
思考:
D
1
2 ; OAB路径
1
l Re zdz 2 i; ODB路径
1 1
2 2 i; OB路径
7
2 12i; OAB路径
7
l zdz 2 12i; ODB路径
7
2 12i; OB路径
究竟哪些函数积分与路径有关,哪些无关?有什么规律?
2)参数积分法
若积分曲线的参数方程z=z(t) ( ), dz z' (t )dt
则
f ( z )dz f [ z(t )]z' (t )dt
l
(极坐标法,通常用来计算积分路径为圆弧时的情况)
通常思路:
积分路径l为圆弧:
z z0
宗量用指数形式表示:
z z0 ei
例2
1
计算积分 1 | z | dz 积分路径是(1)直线段
y
(2)单位圆周的上半(3)单位圆周的下半
解:
=
l0
(1)在-1到1的直线段上
路径方程为y=0
z x 2 y 2 | x | dz=dx+idy=dx
所以
1
1
1
1
| z | dz 1 | x | dz 20 xdx 1
x
y
2)在单位圆上半周上:
ze
令
1
则
1
x
i
0
i
ie
d 2
| z | dz
3) 在单位圆下半圆周上:
1
1
=
可见
0
| z | dz iei d 2
0
0
| z | dz
| z | dz 2 (2) 0
例:计算圆弧积分:
n为整数
z a rei
i
r
n 1
2
2
0
0
[ cos(n -1) d i sin(n -1) d ]
3、复积分的性质
n
c
l k 1
k
n
n
f k ( z )dz ck f k ( z )dz ck f k ( z )dz
k 1 l
n
k 1
l
n
f ( z)dz f ( z)dz; l l
l
l AB
l
k 1 lk
f ( z )dz
k 1
k
f ( z )dz
lBA
f ( z ) dz ; dz dx 2 dy 2 ds
f ( z )dz l
Ms; M f ( z ) , s l的长度
用来求积分的估计值
z1 z2 z1 z2
3
z
试证: lim
dz 0
2
r 0 z r 1 z
证明:要证上式,只需证明
3
z
z r 1 z 2 dz z r
z3
l
3
z
lim
dz 0
2
z r 1 z
r 0
3
z
dz (1)
2
1 z
z3
3
z
z
r3
又 Q f ( z)
M
2
2
2
2
2
1 z
1 r
1 r
1 z
1 z
3
f ( z ) dz ; dz dx 2 dy 2 ds
f ( z )dz l
Ms; M f ( z ) , s l的长度
3
z r
z
dz M dz M ds Ms (2)
2
z r
z r
1 z
3
3
z
z
z r 1 z 2 dz z r 1 z 2 dz (1)
z3
z r 1 z 2 dz M z r dz M z r ds Ms (2)
3
z
由(1)(2)式,得:
z r 1 z 2 dz Ms
3
r
M
1 r2
s
z r
ds 2 r
z3
2 r 4
dz
2
2
z r 1 z
1 r
l
f ( z ) dz ; dz dx 2 dy 2 ds
f ( z )dz l
Ms; M f ( z ) , s l的长度
z
2 r
dz
2
2
z r 1 z
1 r
3
4
2 r
又 Q lim
0
2
r 0 1 r
4
z3
lim
dz 0
2
r 0 z r 1 z
z3
即lim
dz 0
2
r 0 z r 1 z
得证
n
复习:
f ( z )dz lim f ( )(z
l
2、复变函数积分计算方法
n k 1
k
k
zk 1 )
积分函数
积分路径
1)将复变函数的路积分化为两个实变函数的线积分
f ( z )dz udx vdy i vdx udy (u iv)(dx idy )
l
l
l
2)参数积分法
积分路径l为圆弧: z z0
宗量用指数形式表示:z z0 ei
2 i
dz
试证: Ñ
C ( z z0 )n 0
3、复积分的性质
l
l
n 1
; c : z z0 r
n 1
f ( z ) dz ; dz dx 2 dy 2 ds
l
f ( z )dz
Ms; M f ( z ) , s l的长度 dz
3
l
z
dz 0
试证: lim
2
r 0 z r 1 z
B(1,1)
A
O
D
B(3,4)
A
O
思考:
D
1
2 ; OAB路径
1
l Re zdz 2 i; ODB路径
1 1
2 2 i; OB路径
解析?
7
2 12i; OAB路径
7
l zdz 2 12i; ODB路径
7
2 12i; OB路径
究竟哪些函数积分与路径有关,哪些无关?有什么规律?
在定义域上处处可导的
函数,在此区域上积分
与路径无关
§2、2 Cauchy定理
主要讨论复变函数满足什么条件其路积分值才能不决定
于积分路径,而只与始末位置有关。
1、单连通区域的柯西(Cauchy)定理
如果函数在闭连通区域 B上解析,则沿 B
上任一分段光滑闭合曲线L (L也可以是 B
B
L
的境界线),有
f ( z )dz u ( x, y)dx v( x, y)dy i v( x, y)dx u ( x, y)dy 0
l
l
l
证明:
f ( z )dz
l
udx vdy i vdx udy
l
B
L
l
由 Pdx Qdy (Qx Py )dxdy
l
B
(Green公式)
udx vdy (v u )dxdy 0 (v u )
l vdx udy B (ux vy )dxdy 0 (ux vy )
x
l
y
x
y
B
l
f ( z )dz
udx vdy i vdx udy 0
l
l
下一页
附:格林公式
L
若函数P(x,y)、Q(x,y)在闭域 B
上具有连续的一阶偏微商,则:
l
Pdx Qdy (Qx Py )dxdy
B
l:B的边界线
B
2、复连通区域的柯西定理Cauchy定理
1)复通区域境界线:
外境界线:逆时针为正方向
区域在行走的左侧
内境界线:顺时针为正方向
区域在行走的左侧
B
l1
l2
l3
l
2)复通区域的Cauchy定理:
如果f(z)是闭合复通区域上的单值解析函数,则
n
f ( z)dz l f ( z )dz 0 l为区域的外边界,
l
i 1
i
区域的内边界
l i 是。
证明:
f ( z )dz
l
f ( z )dz
l AB
l
f ( z )dz
f ( z )dz
l1
f ( z )dz 0
lB ' A '
f ( z )dz 0
l1
n
f ( z)dz f ( z)dz 0
l
i 1 li
A’ A
B’ B
l
l1
l1
1 闭单通区域上的解析函数沿境界线
或区域内任一分段光滑闭合曲线l积分
为零
Ñ
f ( z )dz 0
C
L
B
D
l
相关推论: (1) f(z)在单通区域B上解析,在 B上连续,
仍有
Ñ
f ( z )dz 0 (条件放宽了)
l
(2)单通区域B上的解析函数f(z)沿B上任一路
径l的积分值 f ( z ) dz只与l的起点和终点有关,与
l
路径无关
(3)区域B上的解析函数f(z),设B内二
点C、D,连接两点的任一条曲线l(在B内且
只经过f(z)的解析区), f ( z ) dz 只与l的
l
起点和终点有关,与路径无关
B
2 闭复通区域上的解析函数沿所有内
外境界线正方向积分和为零
i
n
f ( z )dz j f ( z )dz 0
l1
l2
l3
l
i 1 l
l
相关推论:
(1) 闭复通区域上的解析函数沿外境界线逆时针
方向积分等于沿所有内境界线逆时针方向积分之和
i
n
l
n
f ( z)dz j f ( z )dz i f ( z )dz
i 1 li
i 1 li
(2) 设f(z)是闭区域(单通区域或复通区域)
B+L上的解析函数,B内任一条闭曲线l可以在B内连
续变形(只要不跨过非连通区域)而积分值 Ñ
l f ( z )dz
保持不变。
§2、3 不定积分
1、不定积分的定义及证明
原函数:
若函数F(z)满足 F ' ( z ) f ( z) ,则F(z)称为
f(z)的原函数
f(z)的所有原函数仅相差一个复常数[F(z)+c] ' F ' ( z ) f ( z )
不定积分定义:所有f(z)的原函数的集合称为f(z)的不定
积分。即
z
F ( z) f (z )dz c
z0
求解复函数定积分的另一个方法:由原函数求解
b
a
f ( z )dz F ( z ) a
b
例2 求积分
i
0
z cos z d z
的值
•[解] 函数zcos z在全平面内解析, 容易求得
它有一个原函数为zsin z+cos z. 所以
例3 试沿区域Im(z)0, Re(z)0内的圆弧|z|=1, 计算积分
ln( z 1)
1 z 1 d z的值
i
ln( z 1)
• [解] 函数
在所设区域内解析.
z 1
1 2
它的一个原函数为 ln ( z 1), 所以
2
i ln( z 1)
i
1 2
1 z 1 d z 2 ln ( z 1)|1
i
ln( z 1)
1 2
1 z 1 d z 2 ln ( z 1)|1
1 2
2
[ln (1 i ) ln (2)]
2
2
1 1
π
2
ln 2 i ln 2
2 2
4
2
π
3 2
π ln 2
ln 2
i
32 8
8
i
例1
n
计算积分:I Ñ
(
z
)
dz (n 整数)l 为任意闭合曲线
l
解
1) 若l 不包围 点,则由Cauchy定理知积分为零。
2) 若l 包围 点,则有由Cauchy定理知f(z)在 B上有可能不解析
y
n 0 解析。
n <0 时不解析,
c
l
n 0 时,积分为零
n<0时,由复连通Cauchy定理知,沿l 的积
x
分,可以化为沿圆心在 点的半
径为R圆周c 的积分。
圆周的方程可写为: z Rei
(0 2 )
z Rei
n
I Ñ
(
z
)
dz
l
R n ein d ( Rei )
c
iR
n 1
R n ein Rie i d
R n 1ei ( n 1) id
c
c
2
(0 2 )
ei (n 1) d
0
i (n 1)
e
n 1
2
I
iR
|
0
若 n 1,
则
0
i(n 1)
2
若n=-1, 则有 I i 1d 2 i
结论
l 包围 点时
不包围 点时
0
0, n 1
1
n
( z ) dz
2i l
1, n 1
1
2i
l
( z ) n dz 0
复习:
一 柯西定理
连通区域B如图所示,复函数
f(z)在B内解析,任选B内
积分回路l,则:
(1)当l不包括非连通区域
时,有:
Ñ
f ( z )dz
0
l
B
l1
l2
l3
l
单通柯西定理
l
(2)当l包括非连通区域时,
有:
n
i
l
f ( z )dz j f ( z )dz i
i 1 li
n
f ( z )dz
i 1 li
复通柯西定理
l可以不跨过非连通区域变形,积分值保持不变
二 牛顿-莱布尼兹方程
b
a
f ( z )dz F ( z ) a
b
b
当f(z)在所研究区域解析时, f ( z ) 与积分具体路
a
径无关,可以用Newton-Lebniz方程求解定积分
§2、4 Cauchy公式
1、Cauchy公式与证明
1)
单连通区域的Cauchy公式与证明
内容:若 f ( z )在闭单连通区域 B 上解析, l为的 B境
界线, 为 B 内的任一点,则有
1
f ( z)
f ( )
dz
Ñ
2 i l z
证明
是 B 的内点,由例1知:
1
1
dz 1
2i l z
z
§2、4 Cauchy公式
1、Cauchy公式与证明
1)
单连通区域的Cauchy公式与证明
内容:若 f ( z )在闭单连通区域 B 上解析, l为的 B境
界线, 为 B 内的任一点,则有
1
f ( z)
f ( )
dz
Ñ
2 i l z
证明
是 B 的内点,由例1知:
1
1
dz 1
2i l z
则有
0, n 1
1
n
l包围时, Ñ
( z ) dz
2 i l
1, n 1
1
f ( )
f ( )
dz
l
2i z
z
如果证明了
1 f ( z ) f ( )
dz 0 就证明了该公式
2i l
z
上式被积函数
f ( z ) f ( )
的奇点是 z ,则在
z
以为圆心以 为半径
做小圆C
,则由复连通
区域的Cauchy定理有
C
l
C
l
l
f ( z ) f ( )
f ( z ) f ( )
dz
dz
C
z
z
进行估算:
f ( z ) f ( )
f ( z ) f ( )
dz
dz
Ñ
Ñ
C z
C
z
max f ( z) f ( )
max f ( z ) f ( )
Ñ
dz
Ñ
dz
C
z
C
max f ( z ) f ( )
Ñ
dz
C
max f ( z ) f ( )
max f ( z) f ( )
f ( z) f ( )
dz
2
z
C
2
C
l
max f ( z) f ( )
f ( z) f ( )
dz
2
z
C
0 时 f ( z ) f ( ),则 max f ( z) f ( ) 0
lim
0
max f ( z) f ( )
f ( z) f ( )
dz
2 0
z
C
由于上式与 无关,则恒有
C
f ( z ) f ( )
dz 0
z
Cauchy公式得证.
更一般的表达式:
1
f (z )
f ( z)
dz
Ñ
l
2 i z z
l包围z点
2) 复连通区域的Cauchy公式
内容:若 f (z ) 是复连通区域 B 上的解析函数, C 是内境
R
界线,l 是外境界线. 是区域的内点,则有
f ( z)
f ( z)
f ( )
dz
dz
l z
CR z
证明:略
l, C R 沿正方向线积
分
1
f (z )
f ( z)
dz
Ñ
l
2 i z z
2、Cauchy公式的推论
1) f (z ) 在 l 的外部解析,对 点公式
成立.
1
f ( z)
2 i
j
l
f (z )
d z f ( )
z z
l
z
l包围z点, z在解析区域内
l正方向: 顺时针
2)某区域上的解析函数在该区域上可以求任意阶导数.
f ( z )
1!
2i
l
f ( )
d
( z )
f
( n)
n!
( z)
2i
f ( )
( z)
l
( n 1)
d
3、Cauchy公式的用处
1) 建立了解析函数路径积分与闭合积分路径包围内函数值之
间的关系;
2) 一类复变函数的路径积分可以直接用内点的函数值计算.
1
f ( )
2i
f ( z)
l z dz
1
f (z )
f ( z)
dz
Ñ
2 i l z z
3) 一类函数的路径积分可以用内点的函数导数值计算.
f
(n)
n!
f ( z)
n!
(n)
( )
dz
f ( z)
2i l ( z ) n1
2 i
f (z )
Ñ
l z z dz
例1 计算
z 4
3z 1
dz
( z 1 )( z 3 )
3z 1
被积函数 z 1 ( z 1)(z 3)dz 有两个奇点z=-1,z=3,且都在l
解
围成的区域内, 如图做补充围道 l1,l2 y
由复连通的Cauchy定理和单连通
的Cauchy公式有
法一
3z 1
( z 1 )( z 3 )
3z 1
dz
(z 1)(z 3)
z 4
l1
l
l2
l1
1
2
3 4
x
柯西定理
l2
3z 1
dz
( z 1 )( z 3 )
i
n
l
f ( z )dz i f ( z )dz
i 1 li
f (z)
3z 1
z 3 dz
z 1
l1
3z 1
2i (
)
z 3
3z 1
z 1dz
z3
f (z)
柯西公式
1
f (z )
f ( z)
dz
Ñ
l
2 i z z
3z 1
2i (
)
z 1
z 3
z 1
l2
6i
法二
3z 1
3( z 1) 4
3
4
( z 1)( z 3) ( z 1)( z 3) z 3 ( z 1)( z 3)
3
1
1
2
1
[
]
z 3 z 3 z 1 z 3 z 1
所以
z 4
3z 1
dz
( z 1)( z 3)
2 2i 2i 6i
2
dz
z 3
z 4
1
dz
z 1
z 4
例3 求下列积分的值, 其中C为正向圆周: |z|=r>1.
cos z
e
1)
d z; 2) 2
dz
5
2
( z 1)
( z 1)
C
C
z
cos z
•[解] 1) 函数
5 在C内的z=1处不解析, 但
( z 1)
cosz在C内却是处处解析的. 有
f
(n)
n!
f ( z)
( )
dz
n
1
2i l ( z )
cos z
2i
i
( 4)
C ( z 1)5 d z (5 1)! (cos z) |z 1 12 .
5
z
e
2)函数 2
在C内的z i处不解析.我们
2
( z 1)
在C内以i和 i为中心作两个正向圆周C1 , C2 .
则此函数在由C , C1和C2所围成的区域内是解
y
析的.
C
C1
i
O
C2
i
x
根据复通区域柯西定理,
y
C
C1
C2
i
O i
x
ez
例:计算 I Ñ
z 1 z 2 5 z 6 dz
ez
Ñ
z 1 ( z 2)( z 3) dz
e z /( z 2)
Ñ
z 1 ( z 3) dz
2
e z /( z 3)
Ñ
z 1 ( z 2) dz
ez
ez
2 i
2 i
z 2 z 3
z 3 z 2
2 ie 2 ie
3
2
?
3
ez
例:计算 I Ñ
z 1 z 2 5 z 6 dz
积分函数
在使用柯西公式之前,一
定先要判断被积函数的奇
点在不在闭合曲线内
ez
Ñ
z 1 ( z 2)( z 3) dz
作图!
ez
f ( z)
( z 2)( z 3) 在积分回路
z 1 内解析,
因此有单通区域的柯西定理可知
ez
I Ñ
z 1 z 2 5 z 6 dz
0
2
3
例2 已知函数
(t , x) e xt /(1t ) /(1 t ) 把 x当作参数,
n
把t 认为是复变数,试应用Cauchy公式把 n
t t 0 表为
回路积分。对回路积分进行积分变数的替换 t ( z x ) / z
并借以证明
n
n
d
x
n x
t
n
t 0
e
n
(x e
)
dx
f
(n)
n!
f (z )
( z)
dz
Ñ
2 i l z z
解
x
(1 )
f
(n)
n!
f (z )
( z)
dz
Ñ
l
2 i z z
n! e
/(1 )
d
xt /(1t )
Ñ
n 1
n
(
t
,
x
)
e
/(1 t )
2 i l ( t )
t
n
1) 应用Cauchy公式将
n
t
n
化为回路积分
x
1
n
n!
e
d
Ñ
n
n 1
t
2 i l ( t ) (1 )
x
1
n
n!
e
d
Ñ
n
n 1
t
2 i l ( t ) (1 )
(2)对回路积分进行积分变数的替换 t ( z x) / z
n
n
d
x
n x
并借以证明
e
(
x
e )
n
n
t t 0
dx
n
t
2)令
n
t 0
t
e
x
1
n 1
l
(1 )
d
zx
代入上式:
z
n
n
n!
2i
t 0
n!
2i
e( z x)
( z x)
l
z
x
z x z2
n 1
(1
)
z
dz
n
t
n
t 0
n!
2i
n
t n t 0
n! x
e
2i
e( z x)
( z x)
l
n!
2i
z
l
l
n 1
(1
x
zx z
)
z
2
dz
z n 1e ( z x) z x
dz
n 1 x 2
( z x)
z
z n e ( z x )
n
d
dz e x
( x ne x )
( z x) n 1
dxn
证毕
此题将函数的导数化为了回路积分,看到了Cauchy公式
的作用。
本节主要公式
C f ( z )dz
u( x, y )dx v( x, y )dy i v( x, y )dx u( x, y )dy,
C
C
f ( z )dz
f ( z(t ))z (t )dt
dz
C ( z z
C
1
0)
n1
f ( z )dz
C2
2i
0
f ( z )dz
C
n0
n0
z1
z
0
n
f ( z )dz
k 0C k
f ( z )dz G( z1 ) G( z0 )
路积分
• 路积分的概念和性质
实变函数
定义
b
f ( x)dx lim
a
n
f ( x )Dx
i
Dxi 0 i 1
b
cf ( x)dx c
a
性质
复变函数
a
b
b
a
a
[ f g ]dx
b
a
c
a
b
i
C
fdx gdx
a
C
C
C
b
b
c
a
f dx f dx f dx
C
[ f g ]dz
f ( x)dx f ( x)dx
i
Dzi 0 i 1
C
a
b
f ( z )Dz
f ( z )dz lim
cf ( z)dz c
f ( x)dx
b
n
C1
i
f ( z )dz
fdz gdz
C
f ( z )dz f ( z )dz
C
f dz f dz
C2
C1 C2
f dz