留数

孤立奇点

z0z_0f(z)f(z) 的奇点,且存在 δ>0\delta > 0,使得 f(z)f(z) 在去心领域 0<zz0<δ0 < |z-z_0| < \delta 内解析,则称 z0z_0f(z)f(z)孤立奇点

孤立奇点的分类

z0z_0f(z)f(z) 的孤立奇点,将 f(z)f(z)0<zz0<δ0 < |z-z_0| < \delta 内展开为洛朗级数:f(z)=n=+an(zz0)nf(z) = \sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n,根据洛朗级数负幂次项的个数可以将孤立奇点分为以下三类:

  • 可去奇点:不含负幂次项
  • NN 阶极点:含有限个负幂次项,且最高负幂次为 NN
  • 本性奇点:含无限个负幂次项

判断孤立奇点类型的方法

  • 可去奇点limzz0f(z)=c\lim\limits_{z\to z_0} f(z) = c(常数)
  • 极点limzz0f(z)=\lim\limits_{z\to z_0}f(z) = \infty
  • 本性奇点limzz0f(z)\lim\limits_{z\to z_0}f(z) 不存在且不为 \infty

但是对于极点而言,上述方法无法判断阶数,虽然可以展开成洛朗级数后来判断,但是在有些情况下有更方便的方法。

判断极点阶数的其他方法

方法一

f(z)f(z)0<zz0<δ0 < |z-z_0| < \delta 内解析,则 z0z_0f(z)f(z)NN 阶极点充要条件是函数 f(z)f(z)0<zz0<δ0 < |z-z_0| < \delta 内可以表示为

f(z)=1(zz0)Ng(z)f(z) = \frac{1}{(z-z_0)^N}g(z)

的形式,其中函数 g(z)g(z)z0z_0 点的邻域内解析,且 g(z0)0g(z_0)\ne 0

方法二

z0z_0f(z)f(z)NN 阶极点充要条件z0z_01f(z)\frac{1}{f(z)}NN 阶零点

方法三

设函数 f(z)=P(z)Q(z)f(z) = \frac{P(z)}{Q(z)},其中 P(z)P(z)Q(z)Q(z) 是区域 DD 上的解析函数。设点 z0z_0 分别是 P(z)P(z)Q(z)Q(z)mm 阶和 nn 阶零点,则

  1. m<nm<n,则 z0z_0f(z)f(z)mnm-n 阶极点。
  2. mnm \ge n,则 z0z_0f(z)f(z) 的可去奇点。

对于方法二和方法三,涉及到多阶零点的概念,此处补充一下多阶零点的定义。

设函数 f(z)f(z)z0z_0 处解析,则下列条件是等价的:

  1. z0z_0f(z)f(z)mm 阶零点
  2. f(k)(z0)=0f^{(k)}(z_0)=0k=0,1,2,,m1k=0,1,2,\cdots,m-1f(m)(z0)0f^{(m)}(z_0)\ne 0
  3. f(z)f(z)zz0<δ|z-z_0| < \delta 内的泰勒展开式为

f(z)=am(zz0)m+am+1(zz0)m+1+=(zz0)m[am+am+1(zz0)+am+1(zz0)2]+=(zz0)mφ(z)\begin{split} f(z) &= a_m(z-z_0)^m + a_{m+1}(z-z_0)^{m+1}+\cdots \\ &= (z-z_0)^m[a_m+a_{m+1}(z-z_0)+a_{m+1}(z-z_0)^2]+\cdots \\ &= (z-z_0)^m\varphi(z) \end{split}

​ 其中,am0a_m\ne 0

无穷孤立奇点

如果函数 f(z)f(z) 在无穷远点 \infty 的去心邻域 R<z<+R < |z| < +\infty 内解析,则称\inftyf(z)f(z) 的孤立奇点

分析无穷孤立奇点的方法

z=1ξz=\frac{1}{\xi},则点 z=z=\infty 对应于点 ξ=0\xi = 0。相应的,f(z)=f(1ξ)=φ(ξ)f(z) = f(\frac{1}{\xi}) = \varphi(\xi)。因此,函数 f(z)f(z) 在无穷远点 z=z=\infty 的性态可由函数 φ(ξ)\varphi(\xi) 在原点 ξ=0\xi = 0 的性态来刻画。

无穷孤立奇点的分类

f(z)f(z)R<z<+R < |z| < +\infty 内展开为洛朗级数:f(z)=n=+anznf(z) = \sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty} a_n z^n,根据洛朗级数正幂次项的个数可以将孤立奇点分为以下三类:

  • 可去奇点:不含正幂次项
  • NN 阶极点:含有限个正幂次项,且最高正幂次为 NN
  • 本性奇点:含无限个正幂次项

留数

有限孤立奇点处的留数定义

z0z_0 为函数 f(z)f(z) 的孤立奇点,将 f(z)f(z)z0z_0 的去心邻域 0<zz0<δ0 < |z-z_0| < \delta 内展开成洛朗级数:

f(z)=n=+an(zz0)n=+a1zz0+a0+a1(zz0)+f(z) = \sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}a_n(z-z_0)^n = \cdots + \frac{a_{-1}}{z-z_0} + a_0 + a_1(z-z_0) + \cdots

a1a_{-1}f(z)f(z)z0z_0 处的留数,记作

Res[f(z),z0]=a1=12πiCf(z)dz\operatorname{Res}[f(z),z_0] = a_{-1} = \frac{1}{2\pi i}\oint_C f(z)dz

其中,CCz0z_0 的去心邻域内绕 z0z_0 的一条正向简单闭曲线。

有限孤立奇点处的留数计算

根据留数的定义,针对不同类型的孤立奇点有不同的方法

  • 可去奇点Res[f(z),z0]=0\operatorname{Res}[f(z),z_0] = 0

  • 本性奇点:没啥方法,老老实实展开成洛朗级数吧(

  • 一阶极点

z0z_0f(z)f(z) 的一阶极点,则

Res[f(z),z0]=limzz0(zz0)f(z)\operatorname{Res}[f(z),z_0] = \lim\limits_{z\to z_0} (z-z_0) f(z)

特别的,若 f(z)=P(z)Q(z)f(z) = \frac{P(z)}{Q(z)},满足 Q(z0)=0Q(z_0) = 0Q(z0)0Q'(z_0)\ne 0P(z0)0P(z_0)\ne 0,且P(z)P(z)Q(z)Q(z)z0z_0 点解析,则

Res[f(z),z0]=P(z0)Q(z0)\operatorname{Res}[f(z),z_0] = \frac{P(z_0)}{Q'(z_0)}

  • NN 阶极点

z0z_0f(z)f(z)mm 阶极点,则

Res[f(z),z0]=1(m1)!limzz0dm1dzm1[(zz0)mf(z)]\operatorname{Res}[f(z),z_0] = \frac{1}{(m-1)!}\lim\limits_{z\to z_0}\frac{\operatorname{d}^{m-1}}{\operatorname{d}z^{m-1}}[(z-z_0)^mf(z)]

无穷孤立奇点处的留数定义

设函数 f(z)f(z) 在圆环域 R<z<+R<|z|<+\infty 内解析,则 f(z)f(z)\infty 点的留数定义为:

Res[f(z),]=12πiCf(z)dz=a1\operatorname{Res}[f(z),\infty]=\frac{1}{2\pi i}\oint_{C^-}f(z)dz = -a_{-1}

其中,CCz=ρ>R|z|=\rho>R

无穷孤立奇点处的留数计算

Res[f(z),]=Res[f(1z)1z2,0]\operatorname{Res}[f(z),\infty] = -\operatorname{Res}[f(\frac{1}{z})\cdot\frac{1}{z^2},0]

即转化为在有限孤立奇点处的留数计算。

留数基本定理

f(z)f(z) 在区域 DD 内以及边界 CC 上除有限个孤立奇点 z1,z2,,znz_1, z_2, \cdots, z_n 外处处解析,则

Cf(z)dz=2πik=1nRes[f(z),zk]\oint_C f(z) dz = 2\pi i\sum\limits_{k=1}^n \operatorname{Res}[f(z),z_k]

f(z)f(z) 在扩充平面上除有限个孤立奇点 z1,z2,,zn,z_1,z_2, \cdots, z_n, \infty 外处处解析,则

k=1nRes[f(z),zk]+Res[f(z),]=0\sum\limits_{k=1}^n\operatorname{Res}[f(z),z_k] + \operatorname{Res}[f(z),\infty] = 0

留数在定积分计算中的应用

形如 02πR(cosθ,sinθ)dθ\int_0^{2\pi} R(\cos\theta, \sin\theta)d\theta 的积分

要求 R(u,v)R(u,v)u,vu,v 的有理函数,且 R(u,v)R(u,v)u2+v2=1u^2+v^2=1 无奇点。

z=eiθz=e^{i\theta},则 dθ=dzizd\theta = \frac{dz}{iz},故积分转化为

02πR(cosθ,sinθ)dθ=z=1R(z2+12z,z212iz)1izdz=z=1f(z)dz=2πikRes[f(z),zk]\begin{split} \int_0^{2\pi} R(\cos\theta,\sin\theta)d\theta &= \oint_{|z|=1}R\left(\frac{z^2+1}{2z},\frac{z^2-1}{2iz} \right)\frac{1}{iz}dz \\ &= \oint_{|z|=1}f(z)dz \\ &= 2\pi i\sum\limits_k\operatorname{Res}[f(z),z_k] \end{split}

其中,zkz_kf(z)f(z)z=1|z|=1 内的孤立奇点。

形如 +R(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty}R(x)dx 的积分

要求 R(x)=P(x)Q(x)R(x)=\frac{P(x)}{Q(x)},其中 P(x)P(x)Q(x)Q(x) 为多项式,Q(x)Q(x) 的次数比 P(x)P(x) 的次数至少高二次,且 Q(x)Q(x) 无实零点。

+R(x)dx=2πikRes[R(z),zk]\int_{-\infty}^{+\infty}R(x)dx = 2\pi i\sum\limits_k\operatorname{Res}[R(z),z_k]

其中,zkz_kR(z)R(z)上半平面内的孤立奇点。

形如 +R(x)eiaxdx\int_{-\infty}^{+\infty}R(x)e^{iax}dxa>0a>0)的积分

要求 R(x)=P(x)Q(x)R(x)=\frac{P(x)}{Q(x)},其中 P(x)P(x)Q(x)Q(x) 为多项式,Q(x)Q(x) 的次数比 P(x)P(x) 的次数至少高一次,且 Q(x)Q(x) 无实零点。

+R(x)eiazdx=2πikRes[R(z)eiaz,zk]=A+iB\begin{split} \int_{-\infty}^{+\infty}R(x)e^{iaz}dx &= 2\pi i\sum\limits_k\operatorname{Res}[R(z)e^{iaz},z_k] \\ &= A + i B \end{split}

其中,zkz_kR(z)R(z)上半平面内的孤立奇点。

特别的,+R(x)cosaxdx=A\int_{-\infty}^{+\infty}R(x)\cos{ax}dx = A+R(x)sinaxdx=B\int_{-\infty}^{+\infty}R(x)\sin{ax}dx = B

关于第二、三型积分中 R(z)R(z) 有实孤立奇点的情况

R(z)R(z) 在上半平面有孤立奇点 z1,z2,,zmz_1,z_2,\cdots,z_m,在实轴上有孤立奇点 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n,则

+f(z)dz=2πik=1mRes[f(z),zk]+πik=1nRes[f(z),xk]\int_{-\infty}^{+\infty}f(z)dz = 2\pi i\sum\limits_{k=1}^m\operatorname{Res}[f(z),z_k] + \pi i\sum\limits_{k=1}^n\operatorname{Res}[f(z),x_k]

其中,f(z)f(z) 为第二、三型积分中的被积函数。