留数
孤立奇点
设 z0 为 f(z) 的奇点,且存在 δ>0,使得 f(z) 在去心领域 0<∣z−z0∣<δ 内解析,则称 z0 为 f(z) 的孤立奇点。
孤立奇点的分类
设 z0 为 f(z) 的孤立奇点,将 f(z) 在 0<∣z−z0∣<δ 内展开为洛朗级数:f(z)=n=−∞∑+∞an(z−z0)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
- N 阶极点:含有限个负幂次项,且最高负幂次为 N
- 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:z→z0limf(z)=c(常数)
- 极点:z→z0limf(z)=∞
- 本性奇点:z→z0limf(z) 不存在且不为 ∞
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
若 f(z) 在 0<∣z−z0∣<δ 内解析,则 z0 是 f(z) 的 N 阶极点 的充要条件是函数 f(z) 在 0<∣z−z0∣<δ 内可以表示为
f(z)=(z−z0)N1g(z)
的形式,其中函数 g(z) 在 z0 点的邻域内解析,且 g(z0)=0
方法二
z0 是 f(z) 的 N 阶极点的充要条件是 z0 是 f(z)1 的 N 阶零点
方法三
设函数 f(z)=Q(z)P(z),其中 P(z) 和 Q(z) 是区域 D 上的解析函数。设点 z0 分别是 P(z) 和 Q(z) 的 m 阶和 n 阶零点,则
- 若 m<n,则 z0 是 f(z) 的 m−n 阶极点。
- 若 m≥n,则 z0 是 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) 在 z0 处解析,则下列条件是等价的:
- z0 为 f(z) 的 m 阶零点
- f(k)(z0)=0,k=0,1,2,⋯,m−1 且 f(m)(z0)=0
- f(z) 在 ∣z−z0∣<δ 内的泰勒展开式为
f(z)=am(z−z0)m+am+1(z−z0)m+1+⋯=(z−z0)m[am+am+1(z−z0)+am+1(z−z0)2]+⋯=(z−z0)mφ(z)
其中,am=0
无穷孤立奇点
如果函数 f(z) 在无穷远点 ∞ 的去心邻域 R<∣z∣<+∞ 内解析,则称点 ∞ 为 f(z) 的孤立奇点。
分析无穷孤立奇点的方法
令 z=ξ1,则点 z=∞ 对应于点 ξ=0。相应的,f(z)=f(ξ1)=φ(ξ)。因此,函数 f(z) 在无穷远点 z=∞ 的性态可由函数 φ(ξ) 在原点 ξ=0 的性态来刻画。
无穷孤立奇点的分类
将 f(z) 在 R<∣z∣<+∞ 内展开为洛朗级数:f(z)=n=−∞∑+∞anzn,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
- N 阶极点:含有限个正幂次项,且最高正幂次为 N
- 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
设 z0 为函数 f(z) 的孤立奇点,将 f(z) 在 z0 的去心邻域 0<∣z−z0∣<δ 内展开成洛朗级数:
f(z)=n=−∞∑+∞an(z−z0)n=⋯+z−z0a−1+a0+a1(z−z0)+⋯
称 a−1 为 f(z) 在 z0 处的留数,记作
Res[f(z),z0]=a−1=2πi1∮Cf(z)dz
其中,C 是 z0 的去心邻域内绕 z0 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
若 z0 为 f(z) 的一阶极点,则
Res[f(z),z0]=z→z0lim(z−z0)f(z)
特别的,若 f(z)=Q(z)P(z),满足 Q(z0)=0,Q′(z0)=0,P(z0)=0,且P(z),Q(z) 在 z0 点解析,则
Res[f(z),z0]=Q′(z0)P(z0)
若 z0 为 f(z) 的 m 阶极点,则
Res[f(z),z0]=(m−1)!1z→z0limdzm−1dm−1[(z−z0)mf(z)]
无穷孤立奇点处的留数定义
设函数 f(z) 在圆环域 R<∣z∣<+∞ 内解析,则 f(z) 在 ∞ 点的留数定义为:
Res[f(z),∞]=2πi1∮C−f(z)dz=−a−1
其中,C 为 ∣z∣=ρ>R
无穷孤立奇点处的留数计算
Res[f(z),∞]=−Res[f(z1)⋅z21,0]
即转化为在有限孤立奇点处的留数计算。
留数基本定理
设 f(z) 在区域 D 内以及边界 C 上除有限个孤立奇点 z1,z2,⋯,zn 外处处解析,则
∮Cf(z)dz=2πik=1∑nRes[f(z),zk]
设 f(z) 在扩充平面上除有限个孤立奇点 z1,z2,⋯,zn,∞ 外处处解析,则
k=1∑nRes[f(z),zk]+Res[f(z),∞]=0
留数在定积分计算中的应用
形如 ∫02πR(cosθ,sinθ)dθ 的积分
要求 R(u,v) 是 u,v 的有理函数,且 R(u,v) 在 u2+v2=1 无奇点。
令 z=eiθ,则 dθ=izdz,故积分转化为
∫02πR(cosθ,sinθ)dθ=∮∣z∣=1R(2zz2+1,2izz2−1)iz1dz=∮∣z∣=1f(z)dz=2πik∑Res[f(z),zk]
其中,zk 是 f(z) 在 ∣z∣=1 内的孤立奇点。
形如 ∫−∞+∞R(x)dx 的积分
要求 R(x)=Q(x)P(x),其中 P(x),Q(x) 为多项式,Q(x) 的次数比 P(x) 的次数至少高二次,且 Q(x) 无实零点。
∫−∞+∞R(x)dx=2πik∑Res[R(z),zk]
其中,zk 是 R(z) 在上半平面内的孤立奇点。
形如 ∫−∞+∞R(x)eiaxdx(a>0)的积分
要求 R(x)=Q(x)P(x),其中 P(x),Q(x) 为多项式,Q(x) 的次数比 P(x) 的次数至少高一次,且 Q(x) 无实零点。
∫−∞+∞R(x)eiazdx=2πik∑Res[R(z)eiaz,zk]=A+iB
其中,zk 是 R(z) 在上半平面内的孤立奇点。
特别的,∫−∞+∞R(x)cosaxdx=A,∫−∞+∞R(x)sinaxdx=B
关于第二、三型积分中 R(z) 有实孤立奇点的情况
若 R(z) 在上半平面有孤立奇点 z1,z2,⋯,zm,在实轴上有孤立奇点 x1,x2,⋯,xn,则
∫−∞+∞f(z)dz=2πik=1∑mRes[f(z),zk]+πik=1∑nRes[f(z),xk]
其中,f(z) 为第二、三型积分中的被积函数。