留数定理

复分析中,留数定理,又叫残数定理(英语:Residue theorem),是用来计算解析函数沿着闭曲线的路径积分的一个有力的工具,也可以用来计算实函数的积分。它是柯西积分定理柯西积分公式的推论。

定理

假设 复平面上的一个单连通开子集 是复平面上有限个点, 是定义在 全纯函数。如果 是一条把 包围起来的可求长曲线,但不经过任何一个 ,并且其起点与终点重合,那么:

 

如果γ是若尔当曲线,那么I(γ, ak) = 1,因此:

 

在这里,Res(f, ak)表示f在点ak留数,I(γ, ak)表示γ关于点ak卷绕数。卷绕数是一个整数,它描述了曲线γ绕过点ak的次数。如果γ依逆时针方向绕着ak移动,卷绕数就是一个正数,如果γ根本不绕过ak,卷绕数就是零。

例子

实轴上的积分

以下的积分

 
 
积分路径

在计算柯西分布特征函数时会出现,用初等微积分计算并不容易。我们把这个积分表示成一个路径积分的极限,积分路径为沿着实直线从−aa,然后再依逆时针方向沿着以0为中心的半圆从a到−a。取a为大于1,使得虚数单位i包围在曲线里面。路径积分为:

 

由于eitz是一个整函数(没有任何奇点),这个函数仅当分母z2 + 1为零时才具有奇点。由于z2 + 1 = (z + i)(zi),因此这个函数在z = iz = −i时具有奇点。这两个点只有一个在路径所包围的区域中。

由于f(z)是

   
 

f(z)在z = i留数是:

 

根据留数定理,我们有:

 

路径C可以分为一个“直”的部分和一个曲线弧,使得:

 

因此

 

如果t > 0,那么当半圆的半径趋于无穷大时,沿半圆路径的积分趋于零:

 

上述结果也可以直接由Jordan引理英语Jordan%27s_lemma得到[1],要注意这里的半圆弧上积分随半径增长趋于0必须要 才能成立,所以如果 就必须考虑下半平面上的半圆弧。

因此,如果t > 0,那么:

 

类似地,如果曲线是绕过−i而不是i,那么可以证明如果t < 0,则

 

因此我们有:

 

(如果t = 0,这个积分就可以很快用初等方法算出来,它的值为π。)

无穷级数

由于  为整数时皆为一阶极点,并且留数皆为 ,因此可以用来计算如下所示级数:

 

在此处令 ,并且令  的正方形正向(逆时针)围道(其中 为整数),于是依留数定理:

 

 时,等式左侧由于 而趋于零;另一方面:

 

其中有伯努利数 

(实际上有 )因此, ,可以得出:

 

即为巴塞尔问题的证明之一。

参见

参考文献

  1. ^ 史济怀; 刘太顺. 复变函数. 合肥: 中国科学技术大学出版社. 1998-12-01. ISBN 9787312009990. 
  • Ahlfors, Lars, Complex Analysis, McGraw Hill, 1979, ISBN 0-07-085008-9 
  • Mitronivić, Dragoslav; Kečkić, Jovan, The Cauchy method of residues: Theory and applications, D. Reidel Publishing Company, 1984, ISBN 90-277-1623-4 
  • Lindelöf, Ernst, Le calcul des résidus et ses applications à la théorie des fonctions, Editions Jacques Gabay, 19051989, ISBN 2-87647-060-8 

外部链接