Laurent級數(shù)與留數(shù)定理

本期專欄的內(nèi)容主要是復(fù)分析的幾個基本公式

本期的定理要用到一個數(shù)學(xué)分析中的公式,即Green公式:
其中是區(qū)域
上具有一階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)的函數(shù),
是
的邊界正向曲線
本期專欄不給出證明(懶狗本狗)
復(fù)積分中的Cauchy定理
引:
設(shè),
內(nèi)的全純函數(shù)
的實部和虛部分別為
則Cauchy-Riemann方程(C-R方程)成立:
?設(shè),因
在
內(nèi)全純,故存在兩個復(fù)數(shù)
使得
其中時,
,通過對上式取
的偏導(dǎo),可得
又根據(jù)
表示
的共軛復(fù)數(shù),由此可得
觀察紫色部分,發(fā)現(xiàn)時極限不存在:
因此,若要讓在
處解析,必須有
?
Cauchy定理:
若在區(qū)域D內(nèi)全純,則對于簡單閉曲線
(連續(xù)而不自交并且能定義長度的閉合曲線),有
?設(shè),則
利用Green公式,可得
再根據(jù)C-R方程,藍色部分恒為0,定理得證?
根據(jù)Cauchy定理,可得一個經(jīng)典的結(jié)論:
為D內(nèi)的解析函數(shù),對于D內(nèi)的兩條起點與終點都重合的簡單閉曲線C1,C2,有
這是因為沿C2的負方向剛好與C1共同構(gòu)成一條簡單閉曲線
此推論也可簡訴為復(fù)積分的結(jié)果與積分路徑無關(guān)
Cauchy積分公式
(沒錯本期專欄就是Cauchy主場)
同樣先給個引理:
a是簡單閉曲線C內(nèi)部的一點,則
?根據(jù)Cauchy定理,該積分與C的形狀無關(guān),不妨設(shè)C是以為圓心r為半徑的圓周,則
我們熟知當(dāng)n≠0時,上面的積分等于0,n=0時,上訴積分為2πi,引理得證?
Cauchy積分公式
若在簡單閉曲線C的內(nèi)部全純,a是C內(nèi)部的一點,則
?以a點為圓心作一半徑為的圓周
,連接
與C上的兩點AB

沿積分,
在被圓環(huán)區(qū)域內(nèi)全純,根據(jù)Cauchy定理,有
注意到沿AB與BA的積分剛好可以抵消,于是
半徑趨于0時右側(cè)積分基本上等于,這里就簡單驗證一下:設(shè)
?
推論:Cauchy高階導(dǎo)公式
設(shè)在區(qū)域D內(nèi)全純,C是D內(nèi)的一條簡單閉曲線,根據(jù)Cauchy可得它有以下積分表示:
對它取n階導(dǎo)數(shù),可得
這就是Cauchy高階導(dǎo)公式了
Laurent級數(shù)
在小學(xué)二年級就已經(jīng)學(xué)過的微積分中,我們知道了滿足一定條件的一個函數(shù)存在以下Taylor級數(shù)展開:
but它也有它的局限性,比如在零處就不能展開為Taylor級數(shù)了,不過我們可以通過換元來解決這個問題:
這樣雖然展開中出現(xiàn)了負冪次,但除x=0外它右側(cè)級數(shù)都是收斂的
此類展開的推廣就是Laurent級數(shù)(洛朗級數(shù))展開:
Laurent級數(shù)一般被分為兩部分:
藍色部分是它的主要部分,紫色部分則是次要部分,這兩個東西本身都是冪級數(shù),所以它們有其對應(yīng)的收斂域,這里假設(shè)它的收斂域為:
這個是復(fù)平面上的一個圓環(huán),這也告訴了我們半純函數(shù)在一個圓環(huán)內(nèi)全純,那么它就可以在這個圓環(huán)內(nèi)展開為Laurent級數(shù),
設(shè)一圍道:

根據(jù)Cauchy積分公式,可得
同樣AB和BA的積分可以相抵,故
z是圓環(huán)內(nèi)部的一點,因此在C上,
其中,積分與和號可以交換順序是由于上訴級數(shù)收斂且圍道積分總是存在
用同樣的方法,可以得到
代回中,可得
留數(shù)定理
對一個區(qū)域D內(nèi)的僅有一個極點(即不解析點)的半純函數(shù)
,對其Laurent展開后在圍道
上積分
前面已經(jīng)得知了右側(cè)圍道積分僅當(dāng)n=-1時不為零,故
其中,就被稱為留數(shù)或殘數(shù)(Residue)????
記??處的留數(shù)為
,由此我們引出以下定理:
若是區(qū)域D內(nèi)的亞純函數(shù),令A(yù)為它在D內(nèi)的極點點集,C是D的邊界曲線,則
?設(shè)是以極點a為圓心半徑為r的圓周,
是所以這樣的
的集合
運用柯西定理,可得
將右側(cè)每個積分在極點處展開為Laurent級數(shù),再令即可得證?
運用留數(shù)定理我們可以通過計算一些亞純函數(shù)的留數(shù)來輕易計算圍道積分
這些亞純函數(shù)需要滿足的條件就是Laurent展開中只有有限項負冪次,假設(shè)
m為處的極點階數(shù)(即最高負冪次),在左右兩邊乘以,所有項就全部是正冪次了,
第m-1項就是它的留數(shù)了,可以通過類似計算Taylor級數(shù)系數(shù)的方法算出第n-1項為
若最高負冪次是-1,那么該極點稱為單極點,單極點處的留數(shù)為
