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留数定理及求法.pptxVIP

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第五章留数

§5.1留数定理及留数的求法

§5.2用留数定理计算实积分

留数与解析函数在孤立奇点处的罗朗展开式有密切的关系,应用留数定理就可以比较容易地计算一些实函数的积分。这些积分中的一部分,过去在实函数中已经计算过,但比较复杂,这里将用统一的方法来处理。

§5.1留数定理及留数的求法

一、留数的概念

由柯西积分定理知道,

一般不等于零,

一条包含

的简单闭曲线。

其中c为

的邻域内的任意一条简单闭曲线。

的孤立奇点,那末

但若

内任

其中c为

如果函数

的邻域内解析,

那末,

事实上,

在孤立奇点

的去

若函数

内解析,

心邻域

则它可在该去

心邻域内展开成Laurent级数

两端沿c逐项积分,

注意到

由此可见,

Laurent展开

式中负一次幂项

的系数

是在逐

项积分过程中唯一留下的系数。

定义1

设f(z)在孤立奇点z0的去心邻域

内解析,

c为该邻域内内部包含z0的任一正向简单闭

曲线,

为f(z)在点z0的留数,

则称积分

记为

(1.1)

显然,

f(z)在孤立奇点z0的留数

是f(z)在z0的去心邻域内罗朗展开式中负一次幂

的系数

例1.1

的孤立奇点,

函数在

内的Laurent展开式为:

所以负一次幂项

的系数

的去心邻域内的罗朗展开式为:

的孤立奇点,

函数在

故负幂次项

的系数

,即

例1.2

若孤立奇点z0为f(z)的可去奇点,则

函数

处有一个

二级极点,

这个函数又有下列罗朗展开式:

(1.2)

所以“

又是

的本性奇点”;

又其中不含

的幂,

因此

对吗?

,这些说法

例1.3

因(1.2)式是

在圆环域

的罗朗展开式,

需求

的去心邻域

内的罗朗展开式,

上述说法不对.

为了求

由于

只能是二级极点,

.

定理1

包围诸奇点的一条正向简单闭曲线,

在区域D内除有限个

设函数

孤立奇点

外处处解析,

c为D内

那末

(1.3)

用互不包含的正向简单闭曲线

围绕起来

把在c内的孤立奇点

(如图5-1)

留数定理

图5-1

除等式两边,

以上定理称作留数定理。

为求被积函数在c中的各孤立奇点处的留数。

该定理说明,

求沿封闭曲线c的积分,

可转化

由此可见,

留数定理的效用将有赖于如何

能有效地求出

在孤立奇点

处的留数。

Cauchy积分定理、复合半路公式、Cauchy积分公式、高阶导数公式都是留数定理的特例。

由留数的定义,

只要求出它的罗朗展开式中

的系数

即可,

在孤立奇

要计算函数

处的留数,

奇点为本性奇点或奇点性质不明显时常用

因此,

利用函数的

罗朗展开式求留数是一般的方法,

特别是当

这种方法。

二、留数的求法

方法1将函数f(z)在孤立奇点的z0去心邻域内展开成Laurent级数

方法2如果z0是f(z)的可去奇点,则

方法3如果z0是f(z)的的m级极点,则

由条件,

在点

处的罗朗展开式

其中

在点

是解析的,

,有

上式两端对

求导

次,

并取极限

而由留数定义及高阶导数公式,

因此

推论1

的一级极点,

推论2

,其中

在点

解析,

(即

为一级零点),

推论3如果z0是f(z)的的m级极点,

则当

事实上,

的一级极点,

例1.4

求函数

处的

留数。

因为

的分母的

级零点,

的分子不为零,

时,

所以它是

级极点,

由定理2,得

例1.5

处的留数。

求函数

的一级极点,

的二级极点,

于是

例1.6

求函数

为整数)处的留数。

因为

由推论2,

所以

的一级极点,

例1.7计算下列积分:

其中c为正向圆周

(1)

(2)

其中c为正向圆周

(3)

其中c为正向圆周

为正整数)

(1)

(2)

(3)

(1)

圆域内有三级极点

及一级极点

在圆周

所围的

由留数定理,

因此,

(2)

在圆周

内只有

一个一级极点

因此,由留数定理,有

(3)

有一级极点

(

为整数),

因此,由留数定理,有

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