《复变函数论》第六章
复变函数论习题及答案

第一章习题1.设12z -=,求||z 及Arg z .2.设12z z i ==,试用指数形式表 z 1 z 2及12z z .3.解二项方程440(0).z a a +=> 4.证明2222121212||||2(||||)z z z z z z ++-=+,并说明其几何意义。
5.设z 1、z 2、z 3三点适合条件: 1231230 |z ||||| 1.z z z z z ++=++=及试证明z 1、z 2、z 3是一个内接于单位圆周||1z =的正三角形的顶点。
6.下列关系表示的点z 的轨迹的图形是什么?它是不是区域? (1)1|212|||,()z z z z z z -=-≠;(2)|||4|z z ≤-;(3)111z z -<+;(4)0arg(1) 2Re 34z z π<-<≤≤且;(5)|| 2 z >且|3|1z ->; (6)Im 1 ||2z z ><且;(7)||2 0arg 4z z π<<<且;(8)131 2222i i z z ->->且.7.证明:z 平面上的直线方程可以写成 .az az c += (a 是非零复常数,c 是实常数)8.证明:z 平面上的圆周可以写成0Azz z z C ββ+++=.其中A 、C 为实数,0,A β≠为复数,且2||.AC β> 9.试证:复平面上的三点1,0,a bi a bi +-+共直线。
10.求下列方程(t 是实参数)给出的曲线: (1)(1)z i t =+; (2)cos sin z a t ib t =+;(3)i z t t =+; (4)22i z t t =+.11.函数1w z =将z 平面上的下列曲线变成w 平面上的什么曲线(,z x iy w u iv =+=+)?(1)224;x y +=(2)y x =;(3)x = 1; (4)( x -1)2+y 2=1. 12.试证:(1)多项式1010()(0)n n n p z a z a z a a -=+++≠在z 平面上连续;(2)有理分式函数101101()n n nm m m a z a z a f z b z b z b --+++=+++(000,0a b ≠≠)在z 平面上除分母为的点外都连续。
《复变函数论》课件

复数的定义
复平面上的点表示复数,实轴表示实数,虚轴表示虚数。
复数的几何意义
加法、减法、乘法、除法等。
复数的运算
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复数与复变函数
总结词
复数可以用几何图形表示,其实部和虚部可以分别表示为直角坐标系中的x轴和y轴。
详细描述
复数平面上,每一个复数z=a+bi可以对应到一个点(a,b),实部a对应x轴上的坐标,虚部b对应y轴上的坐标。这种表示方法称为复平面或直角坐标系。
泰勒级数的应用场景
泰勒级数在数学、物理、工程等领域中有着广泛的应用,如近似计算、误差估计、信号处理等。
泰勒级数的误差分析
在使用泰勒级数进行近似计算时,需要进行误差分析,以确保近似结果的精度和可靠性。
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留数定理与辐角原理
总结词:留数定理是复变函数论中的重要定理之一,它提供了计算复平面上的积分的一种有效方法。
详细描述
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解析函数与全纯函数
解析函数的定义
如果一个复函数在某区域内的全纯函数,则称该函数在该区域内解析。
全局性质
解析函数在全纯函数的零点处具有留数。
局部性质
在某区域内解析的函数在该区域内具有无限次可微性。
局部性质
在某区域内全纯的函数在该区域内具有无限次可微性。
详细描述
复变函数的积分是指函数在某个曲线段上的累积值,其定义方式与实数函数的积分类似,采用极限和累加的方式进行计算。在计算过程中,需要考虑复数域的特性,如虚部的存在和运算规则的特殊性。
复变函数第六章留数理论及其应用知识点总结

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):dz = 2 mJc£=i2. (定理6.2):设a为f⑵的m阶极点,事(町(…尸’其中響:刃在点a解析,梓丄0,贝U3. (推论6.3):设a为f(z)的一阶极点,Re^f(z),a) = <p(a)4. (推论6.4):设a为f⑵的二阶极点® ⑴=(Z-A)V(«)则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(R「8)=霜/严f(z)dz=- j即,血血垃S)等于f⑵在点的洛朗展式中这一项系数的反号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Z畑⑴°,但是,如果点为f(z)的可去奇点(或解析点),则血昭⑵妙)可以不为零。
8. 计算留数的另一公式:(昭詞§ 2•用留数定理计算实积分Q R(cos^,sin&)M型和分—引入注:注意偶函数1. (引理6.1大弧引理):»上limzf(z)= X则limH'J-M B2. (定理6.7) 设f(-器梯理分式,其中P(z) = e o z m + 耳厂,+ + c m(c0丰 0)QCz) = b Q x n + %0勺 + * + 丰 0)为互质多项式,且符合条件:(1)n-m >2;(2)Q(z股有实零点于是有f(x)dx — 2ui工Res(f(z)t au}Jrtiajt >0注:以fg可记为PM广;«x)dx丿;黔厂心型积分3. (引理6.2若尔当引理):设函数g(z)沿半圆周5£=恥叫0彰"・丘充金走上连续,且lim鸟⑵=0在「里上一致成立。
则lim f幻(胡叫E = o■ rn4. (定理6.8):设車勿=話,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6.3小弧引理):S m 询lim(z-a)f (2)=X r-+D于5'r 上一致成立,则有limf /wdz=i (02-五. 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 f'M2.(引理6.4):( 1)设a为f(z)的n 阶零点,贝U a 必为函数 的一阶极点,并且(2)设b 为f(z)的m 阶极点,贝U b 必为函数的一阶极点,并且Res 2ni1 X) Res{ff (2je in ^f a^则有1.对数留数: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。
《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。
复变函数答案 钟玉泉 第六章习题全解

Re s
z
(6) Re s
z 1
ez ez e ( z 1) 2 | z 1 2 z 1 z 1 2
Re s
z 1
ez ez e 1 ez ez e ( z 1 ) | Re s ( z 1 ) | z 1 z 1 2 2 2 2 z 1 z 1 2 z 1 z 1 z 1 2 ez e 1 e ( Re s f ( z ) Re s f ( z )) z 1 z 1 z 2 1 2
第六章 留数理论及其应用
(一)
1.解:(1)z=1 是一级极点,故由推论 6.3 知
Re s f ( z ) ( z 1)
z 1
1 1 | 2 z 1 ( z 1)( z 1) 4
Z=-1 是二级极点,同前由推论 6.4 知
Re s f ( z ) [( z 1) 2
Re s f ( z ) C1
z 0
4 3
z z 0
又由 z=0 是唯一有限奇点,故 Re s f ( z ) Re s f ( z ) (4)由 e z 1 1
1
4 3
1 1 所以 Re s f ( z ) 1 z 1 z 1 2!z 12
由儒歇定理,f(z)与
而 f(z)=-z 在 C 内只有一个零点,所以
f ( z) g ( z) ( z) z
只有一个零点,记为 z ,使得 ( z ) z C 或 ( z ) z 0 0 0 0 0
Re s f ( z )
z n
1 的 sin z
1 | z (1) n (sin z )
1 e2 z 1 (2 z ) 2 (2 z ) 3 2 2 4 (3)由 4 4 2z 3 2 所以 z z 2! 3! z z 3z
复变函数论第四版钟玉泉

复变函数论第四版钟玉泉
目录
第一章复数与复变函数
第二章解析函数
第三章复变函数的积分
第四章解析函数的幂级数表示法
第五章解析函数的洛朗(Laurent)展式与孤立奇点
第六章留数理论及其应用
第七章共形映射
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复变函数论钟玉泉第六章

2aπ 2π a 2 b 2 2 b b2
2 2 (a a 2 b 2 ). b
19
dx 例2 计算 0 2 ( a 0). a sin x π π dx dx 解 0 a sin2 x 0 1 cos 2 x a 2 1 π d2 x 令 2x t, 0 1 cos 2 x 2 a 2 1 1 dz 1 2π dt 2 2 0 a 1 cos t 2 z 1 1 ( z 1) 2 z iz a 2 2 dz 2i 2 . z 1 z 2( 2a 1) z 1
1 d 2 3 z sin z Res[ f ( z ),0] lim 2 z . 6 ( 3 1)! z 0 dz z
计算较麻烦.
7
解
如果利用洛朗展开式求 c1 较方便:
z sin z 1 z3 z5 6 z z 6 3! 5! z z
第六章 留数理论及其应用 第一节 留数
1. 留数的定以及留数定理 2. 留数的求法 3. 函数在无穷远点的留数
1
定义6.1 设f(z)以有限点a为孤立奇点,即 f(z)在 点a的某去心邻域0<|z-a|<R内解析,则称积分 1 f ( z )dz ( :| z a | ,0 R) 2i Re s f ( z ). 为f(z)在点a的留(残)数(residue),记为:
例1 计算积分
z5 I dz 6 1 z Z 2
例2 利用无穷远点的留数计算积分 z13 dz I | z| 3 ( z 2 5)3 ( z 4 1) 2
15
第二节 用留数定理计算实积分
某些实函数的积分难以直接计算,可设法化为复 变闭合曲线积分,然后在利用留数定理计算积分 值,这时计算某些实积分的有效途径之一。
复变函数论

第二章 解析函数 定义2.1 设函数w=f(z)在z0的邻域内或包含z0 的区域D内有定义,考虑比值 ∆w f(z)-f(z0) f(z0+∆z)-f(z0) = z-z0 = (∆z≠0), ∆z ∆z
如果当z按任意方式趋于z0时,即当∆z按任意方式 趋于零时,比值∆w/ ∆z的极限存在,且有极限,则称 此极限为函数f(z)在点z0的导数,并记为f’(z),即: ∆w f(z)-f(z0) f(z0)=lim ∆z =lim z-z0 , ∆z->0 z->z
定义1.7 设x(t)及y(t)是实变数(t)的两个实函数,在 闭区间[α,β]上连续,则由方程组{x=x(t),y=y(t)}或由 方程z=x(t)+iy(t) (α≤t≤β)(记为:z=z(t)) 所决定的 点集C,称为z平面长的一条连续曲线.z(α)及z(β) 分别为C的起点和终点;对满足α≤t1≤β, α≤t2≤β, t1≠t2的t1及t2,当z(t1)=z(t2)成立时,点z(t1)称为曲 线的重点;凡无重点的连续曲线,称为简单曲线或 约当曲线;z(α)=z(β)的简单曲线称为简单闭曲线. 简单曲线是z平面上的一个有界闭集.
全体复数并引进运算后就称为复数域.
2. 复平面 一个复数z=x+iy本质上是由一对有序实数 (x,y)唯一确定的.于是能够建立平面上所有的点 和全体复数间一一对应的关系. 由于x轴上的点对应着实数,故x轴称为实轴;y 轴上的非原点的点对应着纯虚数,故y轴称为虚 轴.这样表示的平面称为复平面或z平面. y z y
复 变 函 数 论
数学系
第一章 复数与复变函数 第二章 解析函数 第三章 复变函数的积分 第四章 解析函数的幂级数表示法 第五章 解析函数的罗朗展式 第六章 残数理论及其应用 第七章 保形变换 第八章 解析开拓 第九章 调和函数
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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。
从D 中除去以这些k γ为边界的闭圆盘的一个区域G ,其边界是C 以及k γ,在G 及其边界所组成的闭区域G 上,f (z )解析。
因此根据柯西定理, ,)()(1∑⎰⎰==nk Ckdz z f dz z f γ这里沿C 的积分按关于区域D 的正向取的,沿k γ的积分按反时针方向取的。
根据留数的定义,得定理的结论成立。
2、留数的计算:本节讲述几种常见的情形下,如何计算留数。
首先考虑一阶极点的情形。
设0z 是f (z )的一个一阶极点。
因此在去掉中心0z 的某一圆盘内(0z z ≠),),(1)(0z z z z f ϕ-=其中)(z ϕ在这个圆盘内包括0z z =解析,其泰勒级数展式是:()(),nn n z z z α+∞==-ϕ∑ 而且0)(00≠=z ϕα。
显然,在f (z )的洛朗级数中,01z z -的系数等于)(0z ϕ,因此),()(lim ),(Res 000z f z z z f z z -=→如果容易求出)(z ϕ的泰勒级数展式,那么由此可得00),(Res α=z f ;否则要采用其他方法求留数。
如果在上述去掉中心0z 的圆盘内(0z z ≠),,)()()(z Q z P z f =其中P (z )及Q (z )在这圆盘内包括在0z z =解析,0)(0≠z P ,0z 是Q (z )的一阶零点,并且Q (z )在这圆盘内没有其他零点,那么0z 是f (z )的一阶极点,因而).('/)( )()()()(lim )()(lim ),(Res 0000000z Q z P z Q z Q z P z z z f z z z f z z z z =--=-=→→例6.1.1、函数,1)(2ze zf iz+= 有两个一阶极点i z ±=,这时,21)(')(iz e zz Q z P = 因此 .2),(Res ,2),(Res e i i f e i i f =--= 其次,我们考虑高阶极点的情形。
设0z 是f (z )的一个k 阶极点(k>1)。
这就是说,在去掉中心0z 的某一圆盘内(0z z ≠),),()(1)(0z z z z f kϕ-=其中)(z ϕ在这个圆盘内包括0z z =解析,而且0)(0≠z ϕ。
在这个圆盘内,)(z ϕ泰勒级数展式是:00()(),n n n z z z α+∞=ϕ=-∑由此可见,,),(Res 10-=k z f α因此问题转化为求)(z ϕ泰勒级数展式的系数。
如果容易求出)(z ϕ的泰勒级数展式,那么由此可得10),(Res -=k z f α;否则要采用其他方法求留数。
显然,,)!1()(lim)!1()()1(0)1(10-=-=-→--k z k z k z z k k ϕϕα因此,我们也可根据下列公式计算),(Res 0z f :.)]()[(lim )!1(1),(Res 10100--→--=k k k z z dzz f z z d k z f 例6.1.2、函数,sec )(3z zz f =在z =0有三阶极点,则...,!45!211sec )(42+++==z z z z ϕ 因此.21)0,(Res =f由上述公式也可得:.21)sec (lim 21)0,(Res 33220=⋅=→z z z dz d f z z例6.1.3、函数,)1()(22+=z z e z f iz在z =i 有二阶极点。
这时,)()(2i z z e z iz+=ϕ 令z=i+t ,那么在,)2)(()(2)(t i t i e t h i t i ++=+的泰勒展式中,t 的系数就是f (z )在i 的留数。
写出h (t )中每个因子的到t 的一次项,我们有:当|t|<1时()1(1...),i t i e e it +-=++...),1(11++-=--=+it i iti t i ...),1(41)21(141)2(122++-=--=+it it t i 因此当|t|<1时,...),31(4)(++=it eit h于是.43),(Res ei f -=由上述公式也可得:.43])([lim),(Res 2e i z z e dz d i f iz i z -=+=→ 第二节 留数定理的应用积分的计算:在数学分析中以及许多实际问题中,往往要求计算出一些定积分或反常积分的值,而这些积分中的被积函数的原函数,不能用初等函数表示出来;或者有时可以求出原函数,但计算也往往非常复杂。
利用留数计算积分的特点:(1)、利用留数定理,我们把计算一些积分的问题,转化为计算某些解析函数在孤立奇点的留数,从而大大化简了计算;(2)、利用留数计算积分,没有一些通用的方法,我们主要通过例子进行讨论;(3)我们只讨论应用单值解析函数来计算积分,应用多值解析函数来计算积分在课本中有讨论。
由于时间的关系,我们不讨论应用多值解析函数来计算积分的问题,同学们可以自学。
例6.2.1、 计算积分⎰+=π20,sin ta dtI 其中常数a>1。
解:令z e it =,那么izdzdt z z i t =-=),1(21sin 。
而且当t 从0增加到π2时,z 按逆时针方向绕圆C :|z |=1一周。
因此,1222⎰-+=C iaz z dzI 于是应用留数定理,只需计算1222-+iaz z 在|z |<1内极点处的留数,就可求出I 。
上面的被积函数有两个极点:121-+-=a i ia z 及122---=a i ia z 。
显然1||,1||21><z z 。
因此被积函数在|z |<1内只有一个极点1z ,而它在这点的留数是:.11222),(Res 211-=+=a i ia z z f 于是求得.1211222-=-=a a i iI ππ注解1、应用同样得方法,我们可以计算一般形如,)cos ,(sin 20⎰=πdt t t R I的积分,其中R (x,y )是有理分式,并且在圆C :|z |=1上,分母不等于零。
例6.2.2、 计算积分2201 ,2(1)dxI x ∞=+⎰ 解:首先,这是一个广义积分,它显然是收敛的。
我们应用留数定理来计算它。
考虑函数22)1(1z +,这个函数有两个二阶极点,在上半平面上的一个是z=i 。
作以O 为心、r 为半径的圆盘。
考虑这一圆盘在上半平面的部分,设其边界为r C 。
取r >1,那么z=i 包含在r C 的内区域内。
沿r C 取22)1(1z +的积分,则有.2412),)1(1(Res 2)1()1(222222πππ==+=+++⎰⎰-Γi i i z i z dz x dx rr r 其中r Γ表示r C 上的圆弧部分,沿它的积分是按幅角增加的方向取的。
现在估计积分⎰Γ+r z dz22)1(。
我们有22221||,(1)(1)r dz r z r πΓ≤⋅++⎰ 因此,0)1(lim 22=+⎰Γ+∞→r z dzr 令+∞→r ,就得到.2)1(22π=+⎰+∞∞-x dx从而.4)1(2122π=+=⎰+∞∞-x dx I注解1、我们计算所得的值是这个广义积分的柯西主值,但由于此积分收敛,所以积分值等于主值。
注解2、应用同样的方法,我们可以计算一般形如,)(⎰+∞∞-=dx x R I的积分,其中R (x )是有理分式,分母在实轴上不为零,并且分母的次数比分子的次数至少高2次。
引理 设f (z )是闭区域),0,0(||,210021πθθθθ≤≤≥+∞≤≤≤≤r z r Argz 上连续的复变函数,并且设r Γ是以O 为心、r 为半径的圆弧在这闭区域上的一段)(0r r ≥。
如果当z 在这闭区域上时,,0)(lim =→∞z f z那么我们有.0)(lim=⎰Γ+∞→rdz e z f iz r证明:设M (r )是f (z )在r Γ上的最大值,则有.)(2)()(|)(|20sin 0sin sin ⎰⎰⎰⎰--Γ-Γ=≤≤πθπθθθθθrd e r M rd er M rd er M dz e z f r r t izrr因为当20πθ<<时,,1sin 2≤≤θθπ所以.2220220sin πθθθθππθππθ=<≤⎰⎰⎰∞+---rd erd erd er r r又因为,0)(lim =→∞z f z ,所以.0)(lim=⎰Γ+∞→rdz e z f iz r例6.2.3、 计算积分⎰+∞+=02,1cos dx x xI 解:取r>0,则有,121)1(21cos 20202⎰⎰⎰--+=++=+r r ixr ix ix rdx x e dx x e e dx x x 函数12+z e iz在0≥y 除去有一阶极点z=i 外,在其他每一点都解析。