(完整版)复变函数第六章留数理论及其应用知识点总结
复变函数小结
C 0.
数学学院
例2 设f ( z )在 | z | 1内解析,在 | z | 1上连续,且在 | z | 1上 1 | f ( z ) z || z | 证明: | f ( ) | 8 2 1 f (z) dz 证明 f ( z0 ) 2 2 i |z|1 ( z z0 ) y (z) C 1 1 | f (z) z | | z | | f ( ) | ds 1 1 2 2 2 |z|1 |z | 2 x 2 o 1 2 ds 8. 2 |z|1 ( 1 )2 2
z1 ae
3 i 4
.
1 i 3 4z
z z0
1 3 4 z z z1
3 i i 4 4 ae ae i 4 4 4 a 4 a
2 2 2 3 i i . 3 4a 2 2 2 2 2 2a
积分存在的 条件及计算
Cauchy积分定理
复合 闭路 定理
Cauchy 积分公式 高阶导数 公式
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第四章小结
n 为复常数
n n 1
n 为函数 f n ( z )
复数项级数
复数列
收敛半径的计算 函数项级数
收敛条件
充 要 条 件
收敛半径R
运算与性质
绝 对 收 敛 条 件 收 敛
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例13 设函数 f ( z ) 在分段光滑曲线 C 及其内部解析， 且在 C 上无零点，则 1 f ( z ) dz N , 2 i C f ( z ) 其中 N 表示 f ( z ) 在 C 的内部零点的总数。 (约定k级零点按k个零点计算).
复变函数与留数定理
复变函数与留数定理复变函数是指自变量和函数值都是复数的函数。
复变函数具有许多独特的性质和定理，其中留数定理是复分析中的重要内容之一。
本文将介绍复变函数的基本概念和留数定理，并探讨其应用及相关性质。
一、复变函数的基本概念1. 复数与复平面复数由实部和虚部构成，可以表示为z=a+bi，其中a和b分别为实数部分和虚数部分，i为虚数单位。
复平面是以实部和虚部为坐标轴的平面，可将复数表示为一个点在平面上的位置。
2. 复变函数的定义复变函数f(z)是将复平面中的每个点z映射到另一个复数w的规则。
它可以表示为w=f(z)，其中z和w都是复数。
3. 解析函数解析函数是指在某个区域内可导的复变函数。
解析函数满足柯西-黎曼方程，即偏导数存在且连续。
4. 复变函数的性质与实变函数类似，复变函数也具有加法、乘法、除法和复合等性质。
此外，复变函数还具有解析性和保持拓扑的性质。
二、留数定理的基本概念1. 留数的定义留数是指复变函数在孤立奇点处的积分残余。
对于具有孤立奇点的复变函数，可以通过计算留数来求解相关积分。
2. 留数定理（1）留数定理的形式留数定理是指对于具有简单闭合围道的复变函数f(z)，其在围道内部的留数之和等于围道上的积分值。
数学上可表示为∮ f(z)dz = 2πi * (Sum(Res(f,zk)))，其中∮表示围道上的积分，Res表示留数。
（2）留数定理的应用留数定理在求解复分析中的积分具有重要作用。
它可以简化积分计算的过程，特别适用于含有极点和奇点的函数。
三、留数定理的应用案例1. 计算围道积分通过留数定理，我们可以将一些复杂的积分问题转化为计算围道内的留数。
根据留数定理，可以将围道上的积分转化为计算留数的和，从而简化计算过程。
2. 求解实数积分通过将实数积分转化为复数积分，并利用留数定理的性质，我们可以求解一些难以计算的实数积分。
这种方法被称为留数法，为求解实变函数积分提供了一种有效的途径。
3. 应用于物理问题留数定理在物理学中也有广泛的应用。
复变函数与留数定理
复变函数与留数定理复变函数在数学中有着重要的地位，它是实变函数的推广和扩展。
复变函数的研究依赖于留数定理，这是复分析中的重要概念。
本文将介绍复变函数以及留数定理的基本概念和应用。
一、复变函数的定义与性质复变函数是定义在复数域上的函数，其定义域和值域都是复数集合。
复变函数可以表示为f(z)=u(x,y)+iv(x,y)，其中z=x+iy，u和v是实变函数。
复变函数和实变函数的性质有相似之处，如连续性、可微性和可导性等。
但复变函数的导数是一个复数，具有方向和模的概念。
二、留数定理的基本概念留数是复变函数在孤立奇点处的特殊性质。
留数定理是复变函数理论中的核心内容之一。
对于函数f(z)，若z=a是它的孤立奇点，可以通过留数计算沿闭合曲线的积分。
留数定理包括留数定理、柯西公式和狄利克雷问题等。
1. 留数定理留数定理是针对有限孤立奇点的情况。
当f(z)在区域D内有孤立奇点a1,a2,...,an时，针对闭合曲线C内的函数f(z)，可以通过求解a1,a2,...,an处的留数来计算C上的积分。
这个定理在复积分计算、曲线积分和求和等问题中有广泛的应用。
2. 柯西公式柯西公式是留数定理的一个重要推论。
柯西公式表明，如果函数f(z)在区域D内解析（即可导），则它在D内的任何闭合曲线C上的积分为零。
这个结论为复变函数的求解和计算提供了方便。
3. 狄利克雷问题狄利克雷问题是留数定理与边值问题相结合的应用，它在电磁学和热传导等领域中起着重要作用。
狄利克雷问题可以通过留数定理求解，将定义在一条封闭曲线上的边值问题转化为计算特定点上的积分问题。
三、复变函数与实变函数的关系复变函数理论是实变函数理论的扩展和推广，两者之间有着密切的联系。
复分析的基本定理和方法可以归结为实分析的特殊情况，同时复分析也为实分析提供了新的解题思路和工具。
1. 复变函数的导数与实变函数的导数复变函数的导数是一个复数，可以表示为f'(z)=u_x+iv_x，其中u_x和v_x是u和v相对于x的偏导数。
留数的求法及应用总结
留数的求法及应用总结留数是一种在复变函数理论中用于计算复数函数在奇点处的残留的方法。
留数的计算方法有多种，例如通过直接计算留数公式、Laurent级数展开、辅助函数法、计算围道积分等。
留数的应用非常广泛，包括在计算复积分、求解微分方程、计算极限、求解物理问题等方面都有重要的应用。
首先，我们来看留数的求法。
在复变函数中，函数在奇点点处的留数可以通过以下方法求解：1. 直接计算留数公式：对于简单的函数，可以直接使用留数公式计算。
对于一阶奇点，留数可通过函数在该点的极限值计算：Res[f(z), z=a] = lim(z->a) [(z-a) * f(z)]。
对于高阶奇点，留数可以通过多次取导数再计算极限来求解。
2. Laurent级数展开：对于复变函数，在奇点附近可以进行Laurent级数展开。
然后通过观察Laurent级数的形式，可以读出相应奇点的留数。
3. 辅助函数法：对于一些复杂的函数，可以通过引入辅助函数来计算留数。
通过构造辅助函数，可以使得计算留数的过程变得更加简单。
4. 计算围道积分：复平面上的围道积分可以通过计算围道上的奇点处的留数之和来求解。
通过将围道逐步缩小，将围道上的奇点都计算在内，然后将结果相加即可得到围道积分值。
接下来，我们来看留数的应用。
1. 计算复积分：复积分可以通过计算围道上的奇点处的留数之和来进行计算。
通过围道积分的方法，可以将复积分转化为留数的求和问题，从而简化计算过程。
2. 求解微分方程：在微分方程的求解过程中，往往需要对复函数积分。
通过留数的方法，可以将复积分转化为留数的计算，从而简化问题的求解过程。
3. 计算极限：对于一些复杂的极限问题，可以通过计算极限点处的留数来进行求解。
通过将极限问题转化为留数问题，可以简化问题的求解过程。
4. 物理问题求解：在物理学中，通过留数的方法可以求解一些边界值问题、传热问题、电磁问题等。
通过将物理问题转化为留数问题，可以利用留数的性质来求解物理问题。
《复变函数论》第六章
第六章 留数理论及应用第一节 留数1、留数定理：设函数f (z )在点0z 解析。
作圆r z z C =-|:|0，使f (z )在以它为边界的闭圆盘上解析，那么根据柯西定理，积分⎰Cdz z f )(等于零。
设函数f (z )在区域R z z <-<||00内解析。
选取r ，使0<r<R ，并且作圆r z z C =-|:|0，那么如果f (z )在0z 也解析，则上面的积分也等于零；如果0z 是f (z )的孤立奇点，则上述积分就不一定等于零；这时，我们把积分⎰C dz z f i)(21π 定义为f (z )在孤立奇点0z 的留数，记作),(Res 0z f ，这里积分是沿着C 按逆时针方向取的。
注解1、我们定义的留数),(Res 0z f 与圆C 的半径r 无关：事实上，在R z z <-<||00内，f (z )有洛朗展式：∑+∞-∞=-=n n nz z z f )()(0α，而且这一展式在C 上一致收敛。
逐项积分，我们有,2)()(10-+∞-∞==-=∑⎰⎰απαi dz z z dz z f n Cnn C因此，10),(Res -=αz f 。
注解2、即f (z )在孤立奇点0z 的留数等于其洛朗级数展式中1z z -的系数。
注解3、如果0z 是f (z )的可去奇点，那么.0),(Res 0=z f定理1.1（留数定理）设D 是在复平面上的一个有界区域，其边界是一条或有限条简单闭曲线C 。
设f (z )在D 内除去有孤立奇点n z z z ,...,,21外，在每一点都解析，并且它在C 上每一点都解析，那么我们有：),,(Res 2)(1k nk Cz f i dz z f ∑⎰==π这里沿C 的积分按关于区域D 的正向取。
证明：以D 内每一个孤立奇点k z 为心，作圆k γ，使以它为边界的闭圆盘上每一点都在D 内，并且使任意两个这样的闭圆盘彼此无公共点。
复变函数第六章留数理论及其应用知识点总结
注 2：条件可减弱为：f(z)连续到边界 C，且沿 C 有 f(z)≠0 4.（辅角原理）：
5.（定理 鲁歇（Rouche）定理）：设 C 是一条周线，函数 f(z)及 (z)满足条 件：
（1）它们在 C 的内部均解析，且连续到 C；
（2）在 C 上，|f(z)|>| (z)|
则函数 f(z)与 f(z)+ (z)在 C 内部有同样多（几阶算几个）的零点，即
§2.用留数定理计算实积分
一. 注：注意偶函数
→ 引入
二.
型积分
1.（引理 大弧引理）： 上
则
2.（定理）设
为互质多项式，且符合条件： （1）n-m≥2; （2）Q(z)没有实零点 于是有
注：
可记为
三.
型积分
3.（引理 若尔当引理）：设函数 g(z)沿半圆周 上连续，且
在 上一致成立。则
2
4.（定理）：设 （1）Q 的次数比 P 高； （2）Q 无实数解； （3）m>0 则有
（2）设 b 为 f(z)的 m 阶极点，则 b 必为函数 的一阶极点，并且
3
3.（定理 对数留数定理）：设 C 是一条周线，f(z)满足条件： （1）f(z)在 C 的内部是亚纯的； （2）f(z)在 C 上解析且不为零。 则有
注 1：当条件更改为：（1）f 在 Int(C)+C 上解析；（2）C 上有 f≠0，有 ，即
，其中 P(z)及 Q(z)为互质多项式，且符合条件：
特别的，上式可拆分成： 及
四.计算积分路径上有奇点的积分 5.（引理 小弧引理）：
于 上一致成立，则有
五.杂例 六.应用多值函数的积分
§3.辐角原理及其应用 即为：求解析函数零点个数 1.对数留数：
复变函数留数定理
复变函数留数定理复变函数留数定理（Residue Theorem）是复分析中的重要概念，用于计算对应于奇异点（singular point）的留数（residue）。
留数定理提供了计算复变函数沿闭曲线的积分的一种有效方法，它与复分析中其他重要的定理和方法相辅相成，对于解决实际问题具有重要意义。
一、留数的定义设函数f(z)在点z=a附近解析且具有洛朗展开式f(z)=∑(n=-∞)^∞ a(n)(z-a)^n其中a(n)是复数，令C为以a为圆心的半径为R的圆周，且其方向与实轴正方向一致。
如果函数f(z)在圆盘界上的点（除去a点）上解析，则称a点是函数f(z)的奇异点。
奇异点主要有三种形式：可去奇点、极点和本性奇点。
对于函数f(z)一个奇异点a，定义留数Res[f(z), a]为Res[f(z), a] = a(-1)即留数等于洛朗展开式的一次项系数a(-1)。
二、留数的求解方法1. 求可去奇点的留数当a点是函数f(z)的可去奇点时，即a点是f(z)的解析点，那么留数等于0。
2. 求一阶极点的留数当a点是函数f(z)的一阶极点时，即a点是f(z)的奇异点且它的最低零次是-1次，要求a(-1)≠0。
此时留数可以通过以下方法求解：Res[f(z), a] = lim(z→a) (z-a)f(z)3. 求高阶极点的留数当a点是函数f(z)的高阶极点时，即a点是f(z)的奇异点且它的最低零次大于等于-1次。
此时留数可以通过以下公式计算：Res[f(z), a] = a(-1) = 1/(n-1)! * d^(n-1)/dz^(n-1) [(z-a)^n * f(z)]其中，n为a点的零次。
三、留数定理的表述留数定理的基本表述为：设函数f(z)在闭合曲线C的内部除有限个奇异点外是全纯的，则有积分公式成立：∮[C] f(z)dz = 2πi * ∑ Res[f(z), a]其中，[C]代表C内部的积分，∑代表对所有奇异点求和。
留数定理及其应用
留数定理及其应用
留数定理是复变函数理论中的重要定理，用于计算函数在奇点处的留数。
具体来说，如果函数f(z)在区域D内解析，除了有
限个孤立奇点外，则对于D内的任意简单闭曲线C，有如下
留数定理：
∮Cf(z)dz = 2πi * sum(Res(f, z_k))
其中，∮C表示沿C的积分，Res(f, z_k)是函数f(z)在奇点z_k
处的留数。
留数定理的应用主要包括以下几个方面：
1. 计算积分：通过计算函数在奇点处的留数，可以用留数定理来计算复变函数沿闭合曲线的积分。
这样可以简化积分计算，尤其对于实数不易计算的积分，留数定理非常有用。
2. 计算极限：通过留数定理，可以计算复变函数在某个奇点处的极限。
如果函数的极限存在，那么它等于该点处的留数。
3. 解析延拓：通过计算函数在奇点处的留数，可以确定函数在奇点处的性质，如极点的类型（一级极点、二级极点等）以及解析延拓的可能性。
4. 解析函数恢复：留数定理可以用于还原函数原本的性质，即通过计算函数在奇点处的留数，可以还原函数在奇点前的数值。
总之，留数定理是复变函数理论中的重要工具，广泛应用于多个数学和工程领域，如积分计算、边界值问题、电路分析等。
它简化了复变函数的计算和研究，为解决实际问题提供了有效的方法。
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第六章留数理论及其应用
§1.留数
1.（定理6.1 柯西留数定理）：
∫f(z)dz=2πi∑Res(f(z),a k)
n
k=1
C
2.（定理6.2）：设a为f(z)的m阶极点，
f(z)=
φ(z) (z−a)n
,
其中φ(z)在点a解析，φ(a)≠0，则
Res(f(z),a)=φ(n−1)(a) (n−1)!
3.（推论6.3）：设a为f(z)的一阶极点，
φ(z)=(z−a)f(z),则
Res(f(z),a)=φ(a) 4.（推论6.4）：设a为f(z)的二阶极点
φ(z)=(z−a)2f(z)则
Res(f(z),a)=φ′(a)
5.本质奇点处的留数：可以利用洛朗展式
6.无穷远点的留数：
Res(f(z),∞)=
1
2πi
∫f(z)dz
Γ−
=−c−1
即，Res(f(z),∞)等于f(z)在点∞的洛朗展式中1
z
这一项系数的反号
7.（定理6.6）如果函数f(z)在扩充z平面上只有有限个孤立奇点（包括无穷远点在内），设为a1,a2,…,a n,∞,则f(z)在各点的留数总和为零。
注：虽然f(z)在有限可去奇点a处，必有Res(f(z),∞)=0，但是，如果点∞为f(z)的可去奇点（或解析点），则Res(f(z),∞)可以不为零。
8.计算留数的另一公式：
Res (f (z ),∞)=−Res (f (1t )1t 2,0)
§2.用留数定理计算实积分
一.∫R (cosθ,sinθ)dθ2π0型积分 → 引入z =e iθ
注：注意偶函数
二.∫P(x)Q(x)dx +∞−∞型积分
1.（引理6.1 大弧引理）：S R 上
lim R→+∞zf (z )=λ
则
lim R→+∞∫f(z)dz S R
=i(θ2−θ1)λ 2.（定理6.7）设f (z )=P (z )Q (z )为有理分式，其中
P (z )=c 0z m +c 1z m−1+⋯+c m (c 0≠0)
Q (z )=b 0z n +b 1z n−1+⋯+b n (b 0≠0)
为互质多项式，且符合条件：
（1）n-m ≥2;
（2）Q(z)没有实零点
于是有
∫
f (x )dx =2πi ∑Res(f (z ),a k )Ima k >0
+∞
−∞
注：lim R→R+∞
∫f(x)dx +R −R 可记为P.V.∫f(x)dx +∞−∞ 三. ∫P(x)Q(x)e imx dx +∞−∞
型积分 3.（引理6.2 若尔当引理）：设函数g(z)沿半圆周ΓR :z =Re iθ(0≤θ≤π，R 充分大)上连续，且
lim R→+∞g (z )=0
在ΓR 上一致成立。
则
lim R→+∞
∫g(z)e imz dz ΓR =0 4.（定理6.8）：设g (z )=P (z )Q (z )，其中P(z)及Q(z)为互质多项式，且符合条件：
（1）Q 的次数比P 高；
（2）Q 无实数解；
（3）m>0
则有
∫
g(x)e imx dx =2πi ∑Res(g(z)e imz ,a k )Ima k >0
+∞
−∞
特别的，上式可拆分成：
∫P (x )Q (x )+∞−∞cosmxdx 及∫P (x )Q (x )+∞−∞sinmxdx
四.计算积分路径上有奇点的积分
5.（引理
6.3 小弧引理）：S r :z −a =re iθ
lim r→0
(z −a)f(z)=λ 于S r 上一致成立，则有
lim r→0
∫f(z)dz S r =i(θ2−θ1)λ
五.杂例
六.应用多值函数的积分
§3.辐角原理及其应用
即为：求解析函数零点个数
1.对数留数：
12πi ∫f ′(z)f(z)
C dz 2.（引理6.4）：（1）设a 为f(z)的n 阶零点，则a 必为函数f ′(z)f(z)的一阶极点，并且
Res [f ′(z )f (z )
,a]=n; （2）设b 为f(z)的m 阶极点，则b 必为函数f ′(z)f(z)的一阶极点，并且
Res [f ′(z )f (z )
,b]=−m 3.（定理6.9 对数留数定理）：设C 是一条周线，f(z)满足条件：
（1）f(z)在C 的内部是亚纯的；
（2）f(z)在C 上解析且不为零。
则有
1 2πi ∫
f′(z)
f(z)
C
dz=N(f,C)−P(f,C)=C内零点个数−极点个数=
ΔC argf(z)
2π
注1：当条件更改为：（1）f在Int(C)+C上解析；（2）C上有f≠0，有P(f,C)=0，即
1 2πi ∫
f′(z)
f(z)
C
dz=N(f,C)=
ΔC argf(z)
2π
注2：条件可减弱为：f(z)连续到边界C，且沿C有f(z)≠0 4.（辅角原理）：
N(f,C)−P(f,C)=ΔC argf(z)
2π
5.（定理
6.10 鲁歇（Rouche）定理）：设C是一条周线，函数f(z)及φ(z)满足条件：（1）它们在C的内部均解析，且连续到C；
（2）在C上，|f(z)|>| φ(z)|
则函数f(z)与f(z)+ φ(z)在C内部有同样多（几阶算几个）的零点，即
N(f+φ,C)=N(f,C)
6.(定理6.11)：若函数f(z)在区域D内但也解析，则在D内f’(z)≠0.。