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