4-2应用留数定理计算实变函数定积分
应用留数定理计算实变函数定积分
应用留数定理计算实变函数定积分留数定理是复变函数中的一个重要定理，用于计算围道中的奇点处的留数（residue），并应用于计算复变函数的积分。
但是，在实变函数中，我们也可以将留数定理应用于特定的情况下，来计算实变函数的定积分。
留数定理的基本思想是将实变函数扩展为复变函数，然后计算复变函数在久里斯曼圆中的奇点处的留数，最后应用留数定理将奇点的贡献转化为整个久里斯曼圆的贡献，从而得到实变函数的定积分。
下面我们将介绍如何应用留数定理计算实变函数的定积分。
首先，我们考虑一个一元实变函数f(x)，我们希望计算其在[x_1,x_2]区间上的定积分∫[x_1,x_2] f(x) dx。
为了将实变函数扩展为复变函数，我们可以将f(x)视为复变函数在实轴上的取值，即f(z) = f(x)，其中z = x+iy为复平面上的复数，x为实数，y为虚数。
接下来，我们将实变函数扩展为复变函数的方法是引入一个收敛的复函数F(z)，并构造一个包含[x_1,x_2]区间的有限大小圆C的闭合曲线Γ，该圆C不包含[x_1,x_2]区间上的任何奇点。
然后，我们计算复变函数F(z)在久里斯曼圆C中的奇点处的留数。
根据留数定理，F(z)在C中的奇点处的留数之和等于C中的奇点数目与围道曲线Γ绕过奇点的次数的乘积。
由于圆C的半径是有限的，其包含的奇点数量是有限的。
因此，F(z)在C中的奇点处的留数之和是有限的。
然后，我们利用留数定理的一个推论，即围道曲线Γ上的积分等于复变函数F(z)在久里斯曼圆C中的奇点处的留数之和。
具体而言，我们有∫Γ F(z) dz = 2πi * (围道圆C中的奇点处的留数之和)。
最后，我们将上述等式中的围道曲线Γ替换为两条直线的组合，一条是[x_1,x_2]区间上的水平线段，另一条是连接x_1和x_2的垂直线段。
这样，我们得到了实变函数f(x)在[x_1,x_2]区间上的定积分∫[x_1,x_2] f(x) dx = 2πi * (围道圆C中的奇点处的留数之和)。
应用留数定理计算实变函数定积分
0
F x cos mxdx i F z eimz 在上半平面所有奇点的留数之和
解:本例中 F z eimz
eimz 2 有两个单极点 ai， 2 z a
其中+ai在上半平面，而
F z eimz eimz 2 在单极点 ai的留数为 2 z a
eimz e am lim z ai z ai z ai z ai 2ai 应用 4.2.9
利用(4.2.6)得
1
dx 1 1 x 2 2i 2i
dx 1 x 2 darctgx
例4 计算
1 x
dx
2 n
n为正整数。
1
2 n
解：本例 f z
1 z
z i n z i n
zeimz
2
a
2 2
有两二阶极点 ai，
其中+ai在上半平面，而 Gz eimz
z
zeimz
2
a
2 2
在 ai的留数为
imz m ma 1 d ze 2 lim z ai 2 e 2 2 z ai 1 ! dz z a 4a
§4.2 应用留数定理计算实变函数定积分
柯西公式和留数定理解决的是沿着闭合回路积分的问题：
柯西公式
1 f f z d . 2i l z
f
n
n! z 2 i
z
l
f
n 1
d
留数定理
f z dz 2i Re sf b 4.1.5
42留用留数定理计算实变函数定积分
42留用留数定理计算实变函数定积分假设我们要计算实变函数f(x)的定积分∫abf(x)dx，我们可以将其表示为复变函数在实轴上的延拓。
具体来说，我们将f(x)定义为实轴上的复变函数f(z)，其中z=x+0i。
这样，我们就可以将实变函数的定积分转化为复变函数的积分。
然后，我们需要确定函数f(z)的奇点及其类型。
对于实变函数来说，奇点一般包括不连续点（包括可去奇点、跳跃奇点和极性奇点）以及无穷远点。
我们只需要关注有限个奇点，因为无穷远点的留数为零。
对于可去奇点，我们可以将其用幂级数展开，并去除它的主部。
这样，我们得到的复变函数在该奇点周围的展开式与原函数f(z)相同，但是去除了主部项。
对于跳跃奇点，我们可以将其用Laurent级数展开。
Laurent级数包括正幂级数和负幂级数两部分。
我们可以将原函数f(z)分解为这两部分，然后计算每一部分的积分。
对于极性奇点，我们可以将其用Laurent级数展开，并利用留数定理计算主要项的留数。
主要项是Laurent级数中的负幂级数部分，它的系数就是该奇点的留数。
我们将主要项的负幂级数部分的系数与2πi相乘，就得到了该奇点的留数。
最后，我们利用留数定理，将函数f(z)在所有有限奇点上的留数相加，再加上无穷远点的留数，就得到了定积分的值。
留数定理可以表示为以下公式：∮f(z)dz = 2πi(Res[f,a1] + Res[f,a2] + ... + Res[f,an] +Res[f,∞])其中An是函数f(z)在复平面上的所有奇点，Res[f,ai]表示函数f(z)在ai处的留数。
综上所述，利用留数定理可以计算实变函数的定积分。
只需要将实变函数表示为复变函数的形式，并确定复变函数的奇点类型，然后根据所得的展开式计算留数，最后将留数相加即可得到定积分的值。
应用留数定理计算实变函数定积分
应用留数定理计算物理学中实变函数定积分1问题在物理学中，研究阻尼振动时计算积分0sin xdx x∞⎰，研究光的衍射时计算菲涅耳积分20sin()x dx ∞⎰，在热学中遇到积分cos (0,ax e bxdx b a ∞->⎰为任意实数)如果用实函数分析中的方法计算这些积分几乎不可能。
而在复变函数的积分计算中，依据留数定理，我们可以将实变函数定积分跟复变函数回路积分联系起来。
2应用留数定理求解实变函数定积分的类型将实变函数定积分联系于复变函数回路积分的要点如下： 1）利用自变数变换把1l 变换为某个新的复数平面上的回路； 2）另外补上一段曲线2l ，使1l 和2l 合成回路l ，l 包围着区域B ，则1l 上的()f x 延拓为B 上的()f z ，并将它沿l 积分，有12()()()ll l f z dz f x dx f z dz =+⎰⎰⎰Ñ；3）()l f z dz ⎰Ñ可以应用留数定理，1()l f x dx ⎰就是所求的定积分。
如果2()l f z dz ⎰较易求出（往往是证明为零）或可用第一个积分表示出，问题就解决了.类型一20(cos ,sin )R x x dx π⎰.被积函数是三角函数的有理式；积分区间为[0,2π].求解方法：因为被积函数是以正弦和余弦函数为自变量，积分上下限之差为2π，可以当作定积分x 从0变到2π，对应的复变函数积分正好沿比曲线绕行一周，实变积分化为复变回路积分就可以应用留数定理.可以设ixz e =,则dz izdx =∴dz dx iz=而11cos ()22ix ix e e x z z --+==+，11sin ()22ix ix e e x z z i i ---==- 则原积分化为111(,)2()22k z kz z z z dzI R i Resf z i iz π--=+-==∑⎰Ñ 类型二-()f x dx ∞∞⎰.积分区间为（-∞,+∞）；复变函数()f z 在实轴上有奇点，在上半平面除有限个奇点外是解析的；当z 在上半平面及实轴上→∞时,()zf z 一致地→0.求解方法：如果f(x)是有理分式()/()x x ϕψ，上述条件意味着()x ψ没有实的零点，()x ψ的次数至少高于()x ϕ两次. 如图2，计算积分lim()RRR I f x dx -→∞=⎰图1()()()RRlRC f z dz f x dx f z dz -=+⎰⎰⎰Ñ根据留数定理，2{()}=()()RRRC i f z l f x dx f z dz π-+⎰⎰在所围半圆内各奇点的留数之和令R →∞，有2{()}=()()RC i f z l f x dx f z dz π∞-∞+⎰⎰在所围半圆内各奇点的留数之和而()()()max ()max ()0RRRC C C dz dzRf z dz zf z zf z zf z zf z zzRππ=≤≤=⋅→⎰⎰⎰所以()=2{()}f x dx i f z l π∞-∞⎰在所围半圆内各奇点的留数之和类型三()cos F x mxdx ∞⎰,0()sin G x mxdx ∞⎰.积分区间是[0,+∞];偶函数()F x 和奇函数()G x 在实轴上没有奇点，在上半平面除有限个奇点外是解析的；当z 在上半平面或实轴上→∞时，()F x 及()G x 一致地→0.约当引理 如m 为正数，R C 是以原点为圆心而位于上半平面的半圆周，又设当z 在上半平面及实轴上→∞时()F x 一致地→0，则lim ()0Rimz C R F z e dz →∞=⎰求解方法：000111()cos ()()()()222imx imx imx imx F x mxdx F x e e dx F x e dx F x e dx ∞∞∞∞--=+=+⎰⎰⎰⎰经自变量代换，上式变为000111()cos ()()()222imx imximx F x mxdx F x e dx F x e dx F x e dx ∞∞∞-∞-∞=+=⎰⎰⎰⎰同理1()sin ()2imxG x mxdx G x e dx i∞∞-∞=⎰⎰ 由类型二可知2{()}=()()Rimx imz C i f z l F x e dx F z e dz π∞-∞+⎰⎰在所围半圆内各奇点的留数之和由约当定理2{()}=()imx imx i F x e l F x e dx π∞-∞⎰在所围半圆内各奇点的留数之和同理2{()}=()imx imx i G x e l G x e dx π∞-∞⎰在所围半圆内各奇点的留数之和所以()cos {()}imz F x mxdx i F z e π∞=⎰在上半平面所有奇点的留数之和()sin {()}imx G x mxdx G x e π∞=⎰在上半平面所有奇点的留数之和实轴上有单极点的情形 考虑积分-()f x dx ∞∞⎰，被积函数()f x 在实轴上有单极点z α=，除此之外，()f x 满足类型二或类型三的条件.求解方法：由于存在这个奇点，我们以z α=为圆心，以充分小的正数ε为半径作半圆弧绕过奇点α构成如图3所示积分回路. 于是()()()()()RRlRC C f z dz f x dx f x dx f z dz f z dz εαεαε--+=+++⎰⎰⎰⎰⎰Ñ取极限R →∞，0ε→，上式左边积分值等于2()iResf z π∑上半平面.右边第一、第二项之和即为所求积分.按类型二或类型三的条件，第三项为零. 对于第四项，计算如下：将()f z 在z α=的领域展为洛朗级数，有()1()a f z P z z αα-=+-- 其中()P z α-为级数的解析部分，它在C ε上连续且有界，因此()()()max max C C P z dz P z dz P z εεααπεα-≤-=⋅-⎰⎰所以()0lim 0C P z dz εεα→-=⎰而()()01111i i C C a a a dz d z e id ia iResf z z e εεϕϕπαεϕππαααε----=-==-=---⎰⎰⎰ 于是()-()2()f x dx iResf z iResf ππα∞∞=+∑⎰上半平面若实轴上有有限个单极点，则()-()2()f x dx i Resf z iResf z ππ∞∞=+∑∑⎰上半平面实轴上3应用留数定理求解物理学中实变函数的定积分（1）计算阻尼振动的狄利克雷型积分0sin xdx x∞⎰ 解：由类型三，将原积分改写sin 12ixx e dx dx x i x∞∞-∞=⎰⎰这个积分的被积函数ixe x除了在实轴上有单极点0x =外，满足类型三的条件.由于被积函数在上半平面无奇点，有图310=1=2222ix ix e e dx z i x x πππ∞-∞⎧⎫==⋅⎨⎬⎩⎭⎰被积函数在单极点的留数 即sin =2x dx x π∞⎰推论：对于正的m ，0sin sin ()2mx mx dx d mx x mx π∞∞==⎰⎰ (m ＞0)对于负的m ，0sin sin 2m x mx dx dx x x π∞∞=-=-⎰⎰ (m ＜0)（2）计算在研究光的衍射时菲涅耳积分20sin()x dx ∞⎰和20cos()x dx ∞⎰解：∵2222sin()Im ,cos()Re ix ix x e x e ==∴2210ix I iI e dx ∞+=⎰取图4所示回路l .由于2ix e 没有有限远奇点，所以根据留数定理得20izle dz =⎰Ñ 即22/42()/40()0i RRix iz i ei C Re dx e dz e d e πρπρ++=⎰⎰⎰令R →∞.222()/4/4/40lim lim()i i i i i RRR R e e d e e d e e d ρππρπρρρρ∞--→∞→∞=-=-⎰⎰⎰/4(1)28i e i πππ=-=-+/4222222i RRiz Reiz izC C z Redz e dz e iziz π==+⎰⎰2Riz C e dz ⎰而222/4102222R iR R i e e e iRe iR R R π---≤+→ （于R →∞）2222sin 2cos 2sin 22222222R RRiz R iR R i i C C C eeedz Re id Rd iz iR eRϕϕϕϕϕϕϕ-+-=≤⎰⎰⎰2sin 221max 02424R e R R ϕππ-⎛⎫≤=→⎪ ⎪⎝⎭（于R →∞） 图4所以21(1)08I iI iπ+-+=即18Iπ=，28Iπ=（3）计算求解热传导问题的偏微分方程时遇到的积分2co0)s(,axe bx bdx a∞->⎰为任意实数解：由类型三，将原积分改写221cos2ax ax ibxe bxdx e e dx∞∞---∞=⎰⎰取如图所示回路，由于矩形区域内函数2ax ibxe-+无奇点，所以根据留数定理得20az ibzle dz-+=⎰Ñ即2222234N ax ibx az ibz az ibz az ibzN l l le dx e dz e dz e dz-+-+-+-+-+++=⎰⎰⎰⎰当N→∞时，2222234ax ibx az ibz az ibz az ibzl l le dx e dz e dz e dz∞-+-+-+-+-∞=---⎰⎰⎰⎰只要求出上式等号右边的三个积分就可以计算出2ax ibxe dx∞-+-∞⎰所以，2cosaxe bxdx∞-⎰就可以求出.四、结语留数定理是复变函数论具体应用于积分计算中的一个非常有力的工具，把难以求解的定积分和反常积分转化为留数的计算问题，且能推广留数定理在阻尼振动、菲涅耳衍射及热传导等具体物理问题所遇到的反常积分的求解上，简化了计算过程。
应用留数定理计算实变函数定积分
dx
=
πi⋅
1 e −ma 2a i
=
π 2a
e −ma
.
作业：P.81：1(1)，(5)； 2(1)，(2)，(4)，(6)； 3(3)，(4)，(5)，(6)；
0
严格证明包括“约当引理”的证明（略）.简单说明如下：
(4.2.3) (4.2.4)
*简单说明如下：
1. 用 cos mx = 1 (eimx + e−imx ) ， 2
可推出
∫ ∫ ∞
F (x) cos mxdx
=
1
∞
F (x)eimxdx
；
0
2 −∞
类似有
∫ ∫ ∞
G(x)sin mxdx =
1
iz
2
i2
(4.2.1)
x 从 0→2π对应 z = 1逆时针一周的回路．
∫2π
例题 1[书例]： 计算 I =
dx
0 1 + ε cos x
(0 < ε < 1) ．
解：按(4.2.1)
dz
∫ ∫ I =
iz
z
=1
1
+
ε
z
+
z
−1
=
2 i
dz z =1 εz 2 + 2z + ε
2
上式最后一个积分上节已用留数定理算出为 i π . 1− ε2
423
复变函数讲稿
解： 1 eimz =
1
eimz 具有两个单极点±a i ，设 m > 0，a > 0 其中
z2 + a2
(z − ai)(z + ai)
a i 在上半平面，留数为 Re s f (ai) = lim eimz = 1 e−ma ， z→ai z + ai 2a i
数学物理方法习题解答
第一章 复变函数1.1 复数与复数运算【1】下列式子在复数平面上各具有怎样的意义？ 5，arg ,Re ,z a z b αβ<<<<（,,a αβ和b 为实常数）解：射线ϕα=与ϕβ=，直线x a =与x b =所围成的梯形。
7，111z z -≤+解：11111z z z z -≤⇒-≤++，令z x iy =+，则11z z -≤+即()()2222110x y x y x -+≤++⇒≥。
即复数平面的右半平面0x ≥。
【2】将下列复数用代数式，三角式和指数式几种形式表示出来。
3，1+解：代数式即：1z =+；2ρ=，且z 的辐角主值arg 3z π=，因此三角式：2cos2sin33z i ππ=+；指数式：232i k i z e eππϕρ⎛⎫+ ⎪⎝⎭==，k ∈ 。
7，1i 1i-+解：21i (1i)2i i 1i(1i)(1i)2---===-++-，因此，其代数式：i z =-，三角式：33cos sin22z i ππ=+；指数式：322i k i z e eππϕρ⎛⎫+ ⎪⎝⎭==，k ∈ 。
【3】计算下列数值。
（a ，b 和ϕ为实常数）2，解：将被开方的i 用指数式表示：22ei k i ππ⎛⎫+ ⎪⎝⎭=，k ∈ 。
那么2322eexp 63i k k i ππππ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫==+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，k ∈ 。
7，cos cos 2cos 3cos n ϕϕϕϕ++++ 解：因为，cos R e (1)ik k e k n ϕϕ=≤≤，因此()[]2323cos cos 2cos 3cos R e R e R e R e (1)R e R e 1cos cos(1)sin sin(1)R e 1cos sin 222sin sin cos 222R e 2sin sin 2i i i in i in i i i in i n e eeee e eeeee n i n i n n n i ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ++++=++++⎡⎤-=++++=⎢⎥-⎣⎦⎧⎫-++-+⎪⎪=⎨⎬--⎪⎪⎩⎭++⎛⎫- ⎪⎝⎭= 222(1)2sin 2R e sin cos 2221(1)sin sin sin sin cos 22222R e sin sin2sin222n i i n i n e i e n n n n e ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ++⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎛⎫⎢⎥- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎛⎫++- ⎪⎝⎭===1.2 复变函数【2】计算下列数值。
高考数学冲刺留数定理在定积分计算中的应用
高考数学冲刺留数定理在定积分计算中的应用高考数学冲刺：留数定理在定积分计算中的应用在高考数学的冲刺阶段，掌握一些高级的数学方法和定理对于提高解题能力和应对复杂问题至关重要。
留数定理作为复变函数中的重要定理，在定积分计算中有着独特的应用，能够帮助我们巧妙地解决一些看似棘手的定积分问题。
首先，让我们来了解一下什么是留数定理。
留数定理是指在复平面上，对于某个解析函数在孤立奇点处的留数与沿着闭合曲线的积分之间存在着一种特定的关系。
简单来说，如果我们能找到函数的奇点，并计算出这些奇点处的留数，就可以通过留数定理来计算相关的积分。
那么，留数定理为什么能用于定积分的计算呢？这是因为一些在实轴上的定积分，可以通过巧妙的变量代换，将其转化为复平面上沿着某个闭合曲线的积分。
然后，利用留数定理，计算出这个复积分的值，从而得到原实轴上定积分的值。
接下来，我们通过一个具体的例子来看看留数定理是如何应用的。
考虑定积分，这个积分在常规的微积分方法中计算起来会比较困难。
我们令，则，。
当从变化到时，正好沿着单位圆的上半部分逆时针转了一圈。
此时，原积分就可以转化为复积分。
然后，我们需要找到被积函数在复平面上的奇点。
对于，分母为零的点就是奇点，即，解得。
因为我们只考虑单位圆的上半部分，所以只有是在我们所考虑的区域内的奇点。
接下来计算奇点处的留数。
留数的计算公式为：，其中是函数在奇点处的洛朗级数展开式中的系数。
对进行洛朗级数展开：。
所以，从而。
最后，根据留数定理，。
通过这个例子，我们可以看到留数定理在计算定积分时的强大作用。
但在实际应用中，还需要注意一些问题。
比如，在进行变量代换时，要确保代换的合理性和正确性，保证积分路径的连续性和封闭性。
同时，对于奇点的判断和留数的计算要准确无误，否则会导致整个计算结果的错误。
另外，留数定理并不是适用于所有的定积分计算，它通常适用于一些具有特定形式的积分，比如含有三角函数、指数函数等的积分。
在遇到具体问题时，需要先观察积分的形式，判断是否可以使用留数定理来求解。
应用留数定理计算实变函数定积分
应用留数定理计算物理学中实变函数定积分1问题在物理学中，研究阻尼振动时计算积分sin xdx x∞⎰，研究光的衍射时计算菲涅耳积分20sin()x dx ∞⎰，在热学中遇到积分cos (0,ax e bxdx b a ∞->⎰为任意实数)如果用实函数分析中的方法计算这些积分几乎不可能。
而在复变函数的积分计算中，依据留数定理，我们可以将实变函数定积分跟复变函数回路积分联系起来。
2应用留数定理求解实变函数定积分的类型将实变函数定积分联系于复变函数回路积分的要点如下： 1）利用自变数变换把1l 变换为某个新的复数平面上的回路； 2）另外补上一段曲线2l ，使1l 和2l 合成回路l ，l 包围着区域B ，则1l 上的()f x 延拓为B 上的()f z ，并将它沿l 积分，有12()()()ll l f z dz f x dx f z dz =+⎰⎰⎰；3）()lf z dz ⎰可以应用留数定理，1()l f x dx ⎰就是所求的定积分。
如果2()l f z dz ⎰较易求出（往往是证明为零）或可用第一个积分表示出，问题就解决了.类型一20(cos ,sin )R x x dx π⎰.被积函数是三角函数的有理式；积分区间为[0,2π].求解方法：因为被积函数是以正弦和余弦函数为自变量，积分上下限之差为2π，可以当作定积分x 从0变到2π，对应的复变函数积分正好沿比曲线绕行一周，实变积分化为复变回路积分就可以应用留数定理.可以设ixz e =,则dz izdx =∴dz dx iz=而11cos ()22ix ix e e x z z --+==+，11sin ()22ix ix e e x z z i i ---==- 则原积分化为111(,)2()22k z kz z z z dzI R i Resf z i iz π--=+-==∑⎰ 类型二-()f x dx ∞∞⎰.积分区间为（-∞,+∞）；复变函数()f z 在实轴上有奇点，在上半平面除有限个奇点外是解析的；当z 在上半平面及实轴上→∞时,()zf z 一致地→0.求解方法：如果f(x)是有理分式()/()x x ϕψ，上述条件意味着()x ψ没有实的零点，()x ψ的次数图1至少高于()x ϕ两次. 如图2，计算积分lim()RRR I f x dx -→∞=⎰()()()RRlRC f z dz f x dx f z dz -=+⎰⎰⎰根据留数定理，2{()}=()()RRRC i f z l f x dx f z dz π-+⎰⎰在所围半圆内各奇点的留数之和令R →∞，有2{()}=()()RC i f z l f x dx f z dz π∞-∞+⎰⎰在所围半圆内各奇点的留数之和而()()()max ()max ()0RRRC C C dz dzRf z dz zf z zf z zf z zf z zzRππ=≤≤=⋅→⎰⎰⎰所以()=2{()}f x dx i f z l π∞-∞⎰在所围半圆内各奇点的留数之和类型三()cos F x mxdx ∞⎰,0()sin G x mxdx ∞⎰.积分区间是[0,+∞];偶函数()F x 和奇函数()G x 在实轴上没有奇点，在上半平面除有限个奇点外是解析的；当z 在上半平面或实轴上→∞时，()F x 及()G x 一致地→0.约当引理 如m 为正数，R C 是以原点为圆心而位于上半平面的半圆周，又设当z 在上半平面及实轴上→∞时()F x 一致地→0，则lim ()0Rimz C R F z e dz →∞=⎰求解方法：000111()cos ()()()()222imx imx imx imx F x mxdx F x e e dx F x e dx F x e dx ∞∞∞∞--=+=+⎰⎰⎰⎰经自变量代换，上式变为000111()cos ()()()222imx imximx F x mxdx F x e dx F x e dx F x e dx ∞∞∞-∞-∞=+=⎰⎰⎰⎰同理1()sin ()2imxG x mxdx G x e dx i∞∞-∞=⎰⎰ 由类型二可知2{()}=()()Rimx imz C i f z l F x e dx F z e dz π∞-∞+⎰⎰在所围半圆内各奇点的留数之和由约当定理2{()}=()imx imx i F x e l F x e dx π∞-∞⎰在所围半圆内各奇点的留数之和同理2{()}=()imx imx i G x e l G x e dx π∞-∞⎰在所围半圆内各奇点的留数之和所以0()cos {()}imz F x mxdx i F z e π∞=⎰在上半平面所有奇点的留数之和 0()sin {()}imx G x mxdx G x e π∞=⎰在上半平面所有奇点的留数之和实轴上有单极点的情形 考虑积分-()f x dx ∞∞⎰，被积函数()f x 在实轴上有单极点z α=，除此之外，()f x 满足类型二或类型三的条件.求解方法：由于存在这个奇点，我们以z α=为圆心，以充分小的正数ε为半径作半圆弧绕过奇点α构成如图3所示积分回路.于是()()()()()RRlRC C f z dz f x dx f x dx f z dz f z dz εαεαε--+=+++⎰⎰⎰⎰⎰取极限R →∞，0ε→，上式左边积分值等于2()iResf z π∑上半平面.右边第一、第二项之和即为所求积分.按类型二或类型三的条件，第三项为零. 对于第四项，计算如下：将()f z 在z α=的领域展为洛朗级数，有()1()a f z P z z αα-=+-- 其中()P z α-为级数的解析部分，它在C ε上连续且有界，因此()()()max max C C P z dz P z dz P z εεααπεα-≤-=⋅-⎰⎰所以()0lim 0C P z dz εεα→-=⎰而()()01111i i C C a a a dz d z e id ia iResf z z e εεϕϕπαεϕππαααε----=-==-=---⎰⎰⎰ 于是()-()2()f x dx iResf z iResf ππα∞∞=+∑⎰上半平面若实轴上有有限个单极点，则()-()2()f x dx i Resf z iResf z ππ∞∞=+∑∑⎰上半平面实轴上3应用留数定理求解物理学中实变函数的定积分图（1）计算阻尼振动的狄利克雷型积分0sin xdx x∞⎰解：由类型三，将原积分改写sin 12ixx e dx dx x i x∞∞-∞=⎰⎰ 这个积分的被积函数ixe x除了在实轴上有单极点0x =外，满足类型三的条件.由于被积函数在上半平面无奇点，有10=1=2222ix ix e e dx z i x x πππ∞-∞⎧⎫==⋅⎨⎬⎩⎭⎰被积函数在单极点的留数 即sin =2x dx x π∞⎰推论：对于正的m ，0sin sin ()2mx mx dx d mx x mx π∞∞==⎰⎰ (m ＞0)对于负的m ，0sin sin 2m x mx dx dx x x π∞∞=-=-⎰⎰ (m ＜0)（2）计算在研究光的衍射时菲涅耳积分20sin()x dx ∞⎰和20cos()x dx ∞⎰解：∵2222sin()Im ,cos()Re ix ix x e x e == ∴2210ix I iI e dx ∞+=⎰取图4所示回路l .由于2ix e 没有有限远奇点，所以根据留数定理得20iz le dz =⎰即22/42()/40()0i RRix iz i ei C Re dx e dz e d e πρπρ++=⎰⎰⎰令R →∞.222()/4/4/4lim lim()i i i i i RRR R ee d eed eed ρππρπρρρρ∞--→∞→∞=-=-⎰⎰⎰/4(1)28i e i πππ=-=-+图4/4222222i R Riz Reiziz CC z Re dz e dz eiziz π==+⎰⎰2Riz C e dz ⎰而222/4102222R iR R i e e e iRe iR R Rπ---≤+→ （于R →∞） 2222sin 2cos 2sin 22222222R RRizRiR R i i C C C e e e dz Re id Rd iz iR e R ϕϕϕϕϕϕϕ-+-=≤⎰⎰⎰2sin 221max 02424R e R R ϕππ-⎛⎫≤=→⎪ ⎪⎝⎭（于R →∞） 所以21(1)08I iI i π+-+=即18I π=，28I π=（3）计算求解热传导问题的偏微分方程时遇到的积分2co 0)s (,ax e bx b dx a ∞->⎰为任意实数解：由类型三，将原积分改写2201cos 2ax ax ibxe bxdx e e dx ∞∞---∞=⎰⎰ 取如图所示回路，由于矩形区域内函数2axibxe-+无奇点，所以根据留数定理得20az ibzledz -+=⎰即22222340NaxibxazibzazibzazibzNl l l e dx e dz e dz e dz -+-+-+-+-+++=⎰⎰⎰⎰图5当N →∞时，2222234ax ibxaz ibzaz ibzaz ibzl l l edx edz edz edz ∞-+-+-+-+-∞=---⎰⎰⎰⎰只要求出上式等号右边的三个积分就可以计算出2ax ibxedx ∞-+-∞⎰所以，2cos ax e bxdx ∞-⎰就可以求出.四、结语留数定理是复变函数论具体应用于积分计算中的一个非常有力的工具，把难以求解的定积分和反常积分转化为留数的计算问题，且能推广留数定理在阻尼振动、菲涅耳衍射及热传导等具体物理问题所遇到的反常积分的求解上，简化了计算过程。
教学课件第二节(应用留数定理计算实变函数定积分)
需要注意的问题和难点
03
在应用留数定理计算实变函数的定积分时，需要注意定积分的
定义域、奇偶性、极点等问题，以及留数的计算和判断。
留数定理在实变函数中的进一步应用
留数定理在解决更复杂定积分问题中的应用
除了简单的定积分计算，留数定理还可以应用于解决一些更复杂的定积分问题，例如与 微分方程、积分方程等相关的定积分计算。
选择一个简单的积分路径， 使得计算留数变得容易。
避免奇点
避免积分路径经过函数的 奇点，以免影响留数的计 算。
考虑对称性
根据函数的对称性，选择 适当的积分路径以简化计 算。
计算被积函数的留数
确定奇点
确定被积函数在积分路径 内部的奇点。
计算留数
根据留数定理，计算被积 函数在奇点的留数。
处理无穷大
如果被积函数在奇点处无 穷大，需要特别处理以正 确计算留数。
留数定理的重要性
留数定理在实变函数中的应用，使得原本难以计算的定积分变得简单易行，提高 了计算的效率和准确性。
留数定理不仅在数学领域有广泛的应用，还在物理学、工程学等领域发挥了重要 的作用，为解决实际问题提供了重要的数学工具。
02
留数定理的原理
留数的定义与性质
留数
对于在闭曲线上的奇异点附近的 积分，通过将函数在奇异点的左 右极限值相减，得到的值即为留 数。
导。
积分路径的可去性
积分路径可以是任意的简单或 复合闭曲线，但必须保证不经 过奇异点。
留数的可求性
在奇异点附近，被积函数必须 能够解析或通过其他方法求得 留数。
唯一性
对于同一个奇异点，其留数是 唯一的，不依赖于积分路径的
选取。
03
计算实变函数定积分的步骤
数学物理方法留数定理
[( z z 0 ) P( z )]' P( z 0 ) = lim = . z z0 Q( z )' Q( z 0 )
12
三、在无穷远点的留数
1.定义 设函数 f (z )在圆环域 R z +内解析，
C为圆环域内绕原点的任何一条正向简单闭曲线，
1 则称此定值 那末积分 1 f ( z)dz 的值与C无关， 2 i C
1 z z = 6[ + L], z 3! 5!
1 z sin z Res ,0 = c1 = . 6 5! z
3
5
19
说明:在实际计算中应灵活运用计算规则. 如 z0 为 m 级极点，当 m 较大而导数又难以计算时, 可直接展开罗朗级数求 c1 来计算留数 .
23
z dz , C为正向圆周: z = 2 . 例5 计算积分 4 z 1 C z 在 z = 2 的外部, 除 点外没有 解 函数 4 z 1
其他奇点. z z 4 1 dz = 2iRes f ( z ), C
z z 1
4
=z
3
1 1 1 4 z
=z
3
+ a0 ( z z0 )m + a1 ( z z0 )m +1 + L
9
两边求 m 1 阶导数,
d m 1 m 得 m 1 [( z z0 ) f ( z )] dz
= ( m 1)!a1 +(含有 z z0 正幂的项) d lim m 1 [( z z0 )m f ( z )] = ( m 1)!a1 , z z0 dz 所以 Res[ f ( z ), z0 ] = a1
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Re sf (i) lim[(z i) f (z)] zi lim 1 1 zi z i 2i
dx 1 x2
2i 1
2i
例5：计算 I
dx 0 (1 x2 )n
，（n为正整数）
解：∵ f (x) 1 是偶函数
(1 x2 )n
I 1 dx
2 (1 x2 )n
而 f (z) 1
②满足类型二的其它条件；
结果：
f (x)dx 2i Re sf (z) i Re sf (z)
1
2
1Re sf (z) 的求和范围是上半平面 2 Re sf (z)的求和范围是在实轴上
例8：计算
sin mx 0 x(x2 a2 ) dx
(m>0,a<0)的值。
解：
1 x(x2
a2)
2 R(cos x，sin x)dx 2i 0
n
Re sf (zk )
k 1
zk为f(z)在单位圆内的奇点
例1：计算 I 2 dx
0 1 cosx
(0 1)
I
|z|11
dz / iz (z z1)
/
2
2 i
dz
|z|1 z2 2z
2 i 2 i 1 2 1 2
0
2
G(x) sin mxdx
1
G(x)eimxdx
0
2i
要计算右边的积分，需要用到约当引理。
约当引理
如果m为正数，CR是以原点为圆心而位于上半平
面的半圆周，又设当z在上半平面及实轴上→∞时，
F(z)一致地→0，则
lim F (z)eimzdz 0
R CR
证明： F(z)eimzdz F(z)eimxmydz
{
z
zeimz 2 a
2
在上半平面所有奇点留
数和}
[Re sf (ia)]
lim
z ia
(
z
ia)
zeimz z2 a2
ema
2
I
1 a2
2
2
ema
2a2
(1 ema )
作业： P63-64： 1－1，6 2－2、6 3－3、5
z
I 1
dz
i |z|1 (z )(1 z)
在|z|=1内，
f
(z)
(
z
dz )(1
z)
，以z=ε为一阶极点
Re sf ( ) 1
1
1 z z 1 2
I
1 i
2i
1
1
2
1
2
2
例4：求 I 2 d 的值
0 2 cos
解：令z=eiθ，则
I
1 dz
|z|1
2
z2
1
iz
2 i
利用留数定理计算实积分 f (x)dx一般可采用如下
步骤：
(1)添加辅助曲线，使积分路径构成闭合曲线； (2)选择一个在曲线内除了一些孤立奇点外都解
析的被积函数F(z)，使得满足F(x)=f(x)，通常 选用F(z)=f(z)，只有少数例外；
(3)计算被积函数F(z)在闭合曲线内的每个孤立
奇点的留数，然后求出这些留数之和；
1 a2x
x a2(x2
a2)
且
sin mx
dx
0x
2
sin mx dx 1 sin mx dx 1 sin mx dx
0 x(x2 a2 )
a2 0 x
a2 0 x2 a2
1
a2
2
sin mx 0 x2 a2
dx
而
0
x sin mx x2 a2
dx
l
R
CR
2i{ f (z)在l所围半圆内各奇点的留 数之和}
R
f (x)dx f (z)dz
R
CR
只需证明 lim f (z)dz 0 R CR
dz
lim f (z)dz lim zf (z)
R CR
R CR
z
| dz |
lim | zf (z) |
R CR
|z|
lim max | zf (z) | R
除有限个奇点外是解析的；
③当z在上半平面和实轴上→∞时， zf(z)一致地→0
若 f (x) (x) ，(x)和 (x)为互质多 (x)
项式，上述条件意味着 (x)无实的零 点， (x)的次数至少比(x) 高两阶。
所求积分通常理解为下列极限：
I f (x)dx lim
R2 f (x)dx
该积分在力学和量子力学中很重要
例2：计算 I 1
2
2
dx
0 (1 cos x)2
解：令z=eix，则
(0 1)
I 1
2
dz / iz
|z|1 [1 (z z1) / 2]2
1
2i
|z|1 ( z 2
zdz
2z /
1) 2
2
i
2
f (z)dz
|z|1
f(z)有两个2阶极点，z 1 (1 1 2 )
CR
CR
F (Rei )e e mRsin imRcos Rei id 0
max | F (z) | emRsin Rd 0
当z在上半平面及实轴上→∞时，F(z)一致地→0， 所以max|F(z)|→0，从而只需证明
lim emRsin Rd 即 2 lim / 2 emRsin Rd
b2)
的分母多项式
的次数高于分子多项式次数两次，它
在上半平面有z1=ai和z2=bi两个单极点
所以
I 2i[Re sf (ai) Re sf (bi)]
2i
2i(a
a 2
b2
)
b 2i(b2
a2
)
/(a b)
例8：计算 I
0
1 x4 1
dx
的值。
解：∵
f (z)
1 z4 1
lim 1 1 ei9 / 4 zz2 4z3 4a3
I i[Re sf (z1) Re sf (z2 )]
i
1 4a3
ei3
/4
1 4a3
ei9 / 4
2
2a3
例7：计算I
(x
2
x2 a2 )( x2
b2
)
dx
,(a>0,b>0)
的值。
解：∵
f
(z)
(z2
z2 a2 )( z 2
(1) n 1 i 2 ni (n 1)!22n1
n(n
1). . . (2n
2)
n(n 1)...(2n 2) (n 1)!22n1 i
(2n 2)! [(n 1)!]2 22n1
i
I
dx 0 (1 x2 )n
1 dx
(2n 2)!
2
(1 x2 )n
22n1
[(n
1)!]2
以上两式均已化为类型二，其中条件3已放宽， 由约当引理保证，所以
F (x) cos mxdx i{F (z)eimz在上半平面留数和 } 0
G(x) sin mxdx {G(z)eimz在上半平面留数和 } 0
例：计算
0
cosmx x2 a2
dx (a>0)的值。
解：F (z)eimz
eimz z2 a2
有两个单极点±ai，其中
ai在上半平面，则
lim
zai
z ai
eimz z2 a2
lim
z ai
eimz z ai
ema 2ai
0
cos mx x2 a2
dx
i ema
2ai
ema
2a
特殊情形：实轴上有单极点的情形 f (x)dx
条件：①f(x)在实轴上有有限个单极点；
I
1 2
dx x4 a4
i[Re sf (z1) Re sf (z2 )]
Re
sf
(aei / 4 )
lim
z z1
z
aei / 4
1 z 4 a4
lim z z1
1 4z3
1 4a3
ei3 / 4
Re
sf
(aei3 / 4 )
lim
zz2
z
aei3 / 4
1 z 4 a4
§4.2 应用留数定理
计算实变函数定积分
在自然科学中常常需要计算一些实积分，特别是计
算一些在无穷区间上的积分。例如：光学问题中需
要计算菲涅尔积分
cos(x2 )dx， sin(x2 )dx；热传导问
0
0
题计中算需积要 分计0 (算sin0x)e/xaxd2xco等s(。bx)我dx们；在阻高尼等振数动学问中题已中经需知要
R 0
R 0
是有界的。
在0 / 2范围内，有0 2 / sin ，
/ 2 emRsin Rd e / 2 2mR / Rd (1 emR )
0
0
2m
当R →∞时，上式→有限值，则约当引理成立。
如果m为负数，则约当引理为
lim F (z)eimzdz 0
R CR
C'R是CR对于实轴的映像。
1 在上半
(1 z2 )n (z i)n (z i)n
平面具有n阶极点+i，则
Re
sf
(i)
lim
zi
(n
1 1)!
d n1[(z i)n dz n 1
f
(z)]
lim
zi
1 d n1[(z i)n ] (n 1)! dzn1