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复变函数:留数

洛朗级数负幂部分与奇点分类,极点阶数判断#

孤立奇点及附近的洛朗展开#

奇点:设函数 f(z)f(z) 在点 z0z_0 的任意邻域内都有若干解析点,但在 z0z_0 处不解析,则称 z0z_0 为 f(z)f(z) 的一个奇点。

孤立奇点:设函数 f(z)f(z) 在奇点 z0z_0 的某个去心邻域 0<∣z−z0∣<δ0<|z-z_0|<\delta 内解析,但在 z0z_0 处不解析,则称 z0z_0 为 f(z)f(z) 的一个孤立奇点。

TIP

并非所有奇点都是孤立奇点,例如 f(z)=1sin⁡1zf(z)=\dfrac{1}{\sin \dfrac{1}{z}} 的奇点 1z=kπ,  z=1kπ,  k∈Z,  k→∞⇒z→0\dfrac{1}{z}=k\pi ,\;z=\dfrac{1}{k\pi},\; k\in \mathbb{Z},\;k\to\infty\Rightarrow z\to 0。

在孤立奇点附近,解析函数总能展开成洛朗级数:

f(z)=∑n=−∞∞cn(z−z0)n,0<∣z−z0∣<Rf(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} c_n (z-z_0)^n, \quad 0<|z-z_0|<R

根据 负幂部分 的情况,可以把孤立奇点分为三类:(正幂部分解析和奇点没关系因此不讨论)

可去奇点#

定义:如果负幂部分全为零,即 c−n=0c_{-n}=0,n≥1n\geq 1。

  • 充要条件 :lim⁡z→z0f(z)=c0存在  ⟺  z0是可去奇点\lim_{z\to z_0} f(z)=c_0 \text{存在} \iff z_0 \text{是可去奇点}

  • 本质上函数在 z0z_0 处是“无害”的,对积分没有贡献。

m阶极点#

定义:如果负幂部分只有有限项,即存在 mm 使得 f(z)f(z) 展开式为

f(z)=c−m(z−z0)m+⋯+c−1z−z0+(正幂部分)=g(z)(z−z0)m\begin{align*} f(z) &= \frac{c_{-m}}{(z-z_0)^m} + \cdots + \frac{c_{-1}}{z-z_0} + \text{(正幂部分)}\\ &= \frac{g(z)}{(z-z_0)^m} \end{align*}

其中 g(z)g(z) 在 z0z_0 解析且 g(z0)≠0g(z_0)\neq 0, 那么 z0z_0 是一个 mm 阶极点。

  • 奇点是极点的充要条件:
    lim⁡z→z0f(z)=∞  ⟺  z0是极点\lim_{z\to z_0} f(z)=\infty \iff z_0\text{是极点},但无法判断出极点的阶数。

  • 极点阶数定理:
    设 f(z)f(z) 在 U(z0,δ)U(z_0,\delta) 内解析,则 z0z_0 是 f(z)f(z) 的m阶极点   ⟺  \iff 存在 g(z)g(z),在 U(z0,δ)U(z_0,\delta) 内解析且 g(z0)≠0g(z_0)\neq 0,并且

    f(z)=1(z−z0)mg(z)\boxed{f(z)=\dfrac{1}{(z-z_0)^m}g(z)}
  • 进一步,如果 lim⁡z→z0(z−z0)mf(z)=c−m≠0\lim_{z\to z_0} (z-z_0)^m f(z)=c_{-m}\neq 0 存在,则 z0z_0 是 mm 阶极点。

本性奇点#

定义:如果负幂部分有无限项,即 f(z)f(z) 展开式为

f(z)=∑−∞+∞cn(z−z0)n=∑n=−∞−1cn(z−z0)n+(正幂部分)f(z) =\sum_{-\infty}^{+\infty}c_n(z-z_0)^n=\sum_{n=-\infty}^{-1} \frac{c_n}{(z-z_0)^n} + \text{(正幂部分)}
  • 充要条件:lim⁡z→z0f(z)不存在且不为∞  ⟺  z0是本性奇点\lim_{z\to z_0} f(z)\text{不存在且不为} \infty \iff z_0 \text{是本性奇点} 。
  • 例如:f(z)=e1/zf(z)=e^{1/z} 在 z=0z=0 就是本性奇点。

eg:判断 z+1z(z2+4)2(z+2i)2\frac{z+1}{z(z^2+4)^2(z+2i)^2} 在复平面上有何种奇点

解:分母的零点 z=0,2i,−2iz=0,2i,-2i 都是孤立奇点,且都是极点。先把分母表示成奇点的形式:

z+1z(z2+4)2(z+2i)2=z+1z(z−2i)2(z+2i)4\frac{z+1}{z(z^2+4)^2(z+2i)^2}=\frac{z+1}{z(z-2i)^2(z+2i)^4}

显然,z=0z=0 是1阶极点,z=2iz=2i 是2阶极点,z=−2iz=-2i 是4阶极点。

WARNING

判断极点阶数一定要把分母因式分解成多个 (z−z0)m(z-z_0)^m 的形式,每个因式对应一个孤立奇点,指数就是极点阶数。

WARNING

对于 ∞\infty 为奇点的情况,若 ∞\infty 是可去极点,未必 Res⁡[f(z),∞]=0\operatorname{Res}\left[f(z),\infty\right]=0。

无穷远点的孤立奇点#

设函数 f(z)f(z) 在 ∣z∣>R|z|>R 内解析,则称 f(z)f(z) 在无穷远点 ∞\infty 处有一个孤立奇点。

WARNING

并非所有的无穷远点都是孤立奇点,例如 f(z)=ezf(z)=e^z 在 ∞\infty 处不是孤立奇点。

无穷远点的奇点分类#

做变换 w=1zw=\dfrac{1}{z},则 z→∞  ⟺  w→0      g(w)=f(1w)=f(z)z\to\infty \iff w\to 0 \;\;\; g(w)=f\left(\dfrac{1}{w}\right)=f(z) 利用 g(w)g(w) 在 w=0w=0 处的奇点性质来判断 f(z)f(z) 在 z=∞z=\infty 处的奇点性质:

g(w)g(w)f(z)f(z)
w→0w\to 0z→∞z\to \infty
可去奇点可去奇点
极点极点
本性奇点本性奇点
WARNING

求所有孤立奇点时,别忘了无穷远点也是孤立奇点。

零点与极点#

零点的定义#

设 f(z)f(z) 在 U(z0,δ)U(z_0,\delta) 解析,且 f(z0)=0f(z_0)=0,如果存在 mm 使得

f(z)=∑n=0∞an(z−z0)n=a0+a1(z−z0)+a2(z−z0)2+⋯\begin{align*} f(z) &= \sum_{n=0}^{\infty} a_n (z-z_0)^n\\ &= a_0 + a_1 (z-z_0) + a_2 (z-z_0)^2 + \cdots \end{align*}

其中 a0=a1=⋯=am−1=0a_0=a_1=\cdots=a_{m-1}=0,am≠0a_m\neq 0,则称 z0z_0 是 f(z)f(z) 的一个m阶零点。

零点阶数的判定#

设 f(z)f(z) 在点 z0z_0 的某个邻域内解析,则 z0z_0 是 f(z)f(z) 的一个 m阶零点 的充要条件是:

f(z)=(z−z0)mg(z)其中 g(z) 在 z0 解析且 g(z0)≠0\begin{align*} f(z) &= (z-z_0)^m g(z)\\ \text{其中 } g(z) &\text{ 在 } z_0 \text{ 解析且 } g(z_0) \neq 0 \end{align*}
TIP

简单来讲,函数在零点处得零,由泰勒展开可以看出来有些项系数(导数)是零,与 (z−z0)m(z-z_0)^m 项无关;而有些项的导数不是零,是 (z−z0)m(z-z_0)^m 项把这一项变成零。m阶零点就是函数在该点处有m−1m-1个连续的导数为0,直到第 mm 阶导数不为0,由 (z−z0)m(z-z_0)^m 项决定。

零点与极点的关系#

  1. f(z)f(z) 在 z0z_0 处有一个 mm 阶极点的充要条件是 1f(z)\dfrac{1}{f(z)} 在 z0z_0 处有一个 mm 阶零点。(根据之前讲的极点的判定方法,极点处函数值为无穷大,倒数函数值为0)

    证明

  2. 若 z=z0z=z_0 是 f(z)f(z) 的m阶零点,是 g(z)g(z) 的n阶零点,则 f(z)g(z)\dfrac{f(z)}{g(z)} 在 z0z_0 处有一个 (n−m)(n-m) 阶极点(当 n>mn>m 时),或 可去奇点(当 n≤mn\leq m 时)。

    简要证明
    f(z)=(z−z0)mh(z),h(z0)≠0g(z)=(z−z0)nk(z),k(z0)≠0∴p(z)=f(z)g(z)=(z−z0)mh(z)(z−z0)nk(z)=(z−z0)m−nh(z)k(z)=1(z−z0)n−mh(z)k(z)\begin{alignedat}{2} f(z)&=(z-z_0)^m h(z),\quad h(z_0)\neq 0\\ g(z)&=(z-z_0)^n k(z),\quad k(z_0)\neq 0\\ \therefore p(z)&=\frac{f(z)}{g(z)}=\frac{(z-z_0)^m h(z)}{(z-z_0)^n k(z)}\\ &=(z-z_0)^{m-n}\frac{h(z)}{k(z)}\\ &=\frac{1}{(z-z_0)^{n-m}}\frac{h(z)}{k(z)} \end{alignedat}

留数#

留数的定义#

设 z0z_0 是 f(z)f(z) 的一个孤立奇点,在 U∘(z0,δ)\overset{\circ}{U}(z_0,\delta) 有洛朗展开:

f(z)=∑n=−∞∞cn(z−z0)n,0<∣z−z0∣<Rf(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} c_n (z-z_0)^n, \quad 0<|z-z_0|<R

则 f(z)f(z) 在 z0z_0 的 留数(Residue) 定义为:

Res(f,z0)=c−1=12πi∫γf(ζ)(ζ−z0)−1+1 dζ=12πi∫γf(z) dzRes(f,z_0)=c_{-1}=\dfrac{1}{2\pi i} \int_\gamma \frac{f(\zeta)}{(\zeta-z_0)^{-1+1}}\, d\zeta=\dfrac{1}{2\pi i}\int_\gamma f(z)\, dz

也就是说,留数就是 洛朗级数中 (z−z0)−1(z-z_0)^{-1} 项的系数。

留数的计算方法#

TIP

当下面的技巧都行不通时,不妨用洛朗展开然后找出 (z−z0)−1(z-z_0)^{-1} 项的系数来计算留数。

根据奇点的不同种类以及极点的阶数,留数有不同的计算技巧:

TIP

极点的阶数判定方法:

  1. 根据定义,看洛朗展开负幂部分有多少项

  2. 根据极点阶数定理,构造 f(z)=g(z)(z−z0)mf(z)=\dfrac{g(z)}{(z-z_0)^m} 注意 g(z)g(z) 解析且不为零

  3. 利用零点与极点的关系

  4. 分式函数比较上下零点阶数来判断极点阶数

  1. 可去奇点的留数

    Res⁡(f,z0)=0\boxed{\operatorname{Res}(f, z_0) = 0}
  2. 一阶极点的留数

    Res⁡(f,z0)=lim⁡z→z0(z−z0)f(z)\boxed{\operatorname{Res}(f, z_0) = \lim_{z \to z_0} (z-z_0) f(z)}
    TIP

    有时候把 z−z0z-z_0 挪到分母,构造导数的极限形式更好算

  3. m阶极点的留数

    若 z0z_0 是 mm 阶极点,则

    Res⁡(f,z0)=1(m−1)!lim⁡z→z0d m−1dz m−1[(z−z0)mf(z)]\boxed{\operatorname{Res}(f, z_0) = \frac{1}{(m-1)!} \lim_{z\to z_0} \frac{d^{\,m-1}}{dz^{\,m-1}} \left[ (z-z_0)^m f(z) \right]}
    TIP
    • f前面乘的 (z−z0)m(z-z_0)^m 相当于去掉了极点
    • 有时候已知分母上某高阶导数的值,结合零点与极点的关系,(z−z0)m(z-z_0)^m 还可以用零点的定义得到高阶导数

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  4. 商的形式的留数(实用公式)

    若 f(z)=P(z)Q(z)f(z) = \dfrac{P(z)}{Q(z)},其中 P(z)P(z)、Q(z)Q(z) 在 z0z_0 解析,且 P(z0)≠0  Q(z0)=0  Q′(z0)≠0P(z_0)\neq 0\; Q(z_0)=0\; Q'(z_0)\neq 0

    Res⁡(f,z0)=P(z0)Q′(z0)\boxed{\operatorname{Res}(f, z_0) = \dfrac{P(z_0)}{Q'(z_0)}}

    其实就是一阶极点的留数计算公式的变形。把 z−z0z-z_0 挪到分母,构造导数的极限形式

    例子

    f(z)=1z−1f(z)=\dfrac{1}{z-1} 在 z=1z=1 的留数 ,则 Res⁡(1z−1,1)=lim⁡z→1(z−1)1z−1=1\operatorname{Res}\Big(\frac{1}{z-1}, 1\Big) = \lim_{z\to 1} (z-1)\frac{1}{z-1} = 1

    f(z)=1(z−1)(z+2)f(z)=\dfrac{1}{(z-1)(z+2)} 在 z=1z=1 的留数
    这里 P(z)=1P(z)=1 ,Q(z)=(z−1)(z+2)Q(z)=(z-1)(z+2) ,所以 P(1)=1P(1)=1 ,Q′(z)=(z+2)+(z−1)=2z+1Q'(z)=(z+2)+(z-1)=2z+1 ,Q′(1)=3Q'(1)=3 ,那么 Res⁡(f,1)=1Q′(1)=13\operatorname{Res}\Big(f, 1\Big) = \dfrac{1}{Q'(1)} = \frac{1}{3}

  5. 本性奇点的留数

    若 z0z_0 是本性奇点,展开成洛朗级数后取 (z−z0)−1(z-z_0)^{-1} 项的系数。

  6. 无穷远点的留数

    当 f(z)f(z) 的展开式满足:

    f(z)=∑n=−∞∞cnzn,∣z∣>Rf(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} c_n z^n, \quad |z|>R

    即当解析圆环的外圆半径 R→∞R\to\infty 时,无穷远点就是一个孤立奇点。

    首先要考虑复平面上环绕无穷远点的闭合曲线(洛朗级数展开中的 γ\gamma 方向)

    γ\gamma 定义时必须是正方向(逆时针),对于非无穷远的奇点是显然的,但对于无穷远点(扩充复平面上,引入复球面),从球内往球外看时画逆时针轨迹,投影到复平面上就变成了顺时针

    WARNING环绕无穷远点的正向路径是顺时针的!\texttt{\textcolor{yellow}{环绕无穷远点的正向路径是顺时针的!}}
    Res⁡[f(z),∞]=−Res⁡[1z2f(1z),0]\boxed{\operatorname{Res}[f(z),\infty]=-\operatorname{Res}\left[\frac{1}{z^2}f\left(\frac{1}{z}\right),0\right]}

留数定理#

一般留数定理#

设函数 f(z)f(z) 在某个单连通区域 DD 内解析,除了有限个孤立奇点 z1,z2,…,znz_1, z_2, \dots, z_n。设 γ\gamma 是一条 正向(逆时针) 绕这些奇点的闭合曲线,且 γ\gamma 不经过任何奇点,则:

∮γf(z) dz=2πi∑k=1nRes⁡(f,zk)\boxed{\oint_\gamma f(z)\, dz = 2 \pi i \sum_{k=1}^n \operatorname{Res}(f, z_k)}

其中 γ\gamma 是 z0z_0 的一个正向小闭合圈。

也就是说:闭合曲线积分等于曲线内部所有奇点(极点)留数之和乘以 2πi2\pi i。留数就是函数在 孤立奇点\textcolor{yellow}{孤立奇点} 周围对积分的“贡献值”

留数定理的本质是复合闭路定理的推广

Res⁡(f,z0)=12πi∫γf(ζ)(ζ−z0)n+1 dζ=n=−112πi∮γf(z) dz\operatorname{Res}(f, z_0) =\frac{1}{2\pi i} \int_\gamma \frac{f(\zeta)}{(\zeta-z_0)^{n+1}}\, d\zeta\overset{n=-1}{=}\frac{1}{2\pi i} \oint_\gamma f(z)\, dz
WARNING

用留数定理一定要强调孤立奇点,复合闭路定理里面可以有大洞,就是非孤立奇点,但是留数定理不能有大洞。

扩展留数定理#

画一个足够大的圆包围所有孤立奇点,此时无穷远点也是孤立奇点,则所有奇点(包括无穷远点)的留数和为零:

∑k=1nRes⁡(f,zk)+Res⁡(f,∞)=0 \sum_{k=1}^n \operatorname{Res}(f, z_k) + \operatorname{Res}(f, \infty) =0

带入无穷远点的留数公式:

Res⁡(f,∞)=−Res⁡(1z2f(1z),0)\operatorname{Res}(f, \infty)=-\operatorname{Res}\left(\frac{1}{z^2}f\left(\frac{1}{z}\right),0\right)∑k=1nRes⁡(f,zk)=Res⁡(1z2f(1z),0)\boxed{\sum_{k=1}^n \operatorname{Res}(f, z_k) = \operatorname{Res}\left(\frac{1}{z^2}f\left(\frac{1}{z}\right),0\right)}
  • 这个方法在孤立奇点非常多,或者留数不好算的时候很有用。
WARNING

扩展留数定理要求积分路径包围所有孤立奇点

留数定理的常见应用#

1 计算闭合曲线积分#

例如,计算围绕单位圆 ∣z∣=1|z|=1 的积分: ∮∣z∣=1dzz2+1\oint_{|z|=1} \dfrac{dz}{z^2+1}

步骤:

  1. 分解因子:z2+1=(z−i)(z+i)z^2+1 = (z-i)(z+i)

  2. 奇点在 z=i,z=−iz=i, z=-i,单位圆内仅 z=iz=i

  3. 单极点留数:Res⁡(1z2+1,i)=lim⁡z→i(z−i)1(z−i)(z+i)=12i\operatorname{Res}\Big(\dfrac{1}{z^2+1}, i\Big) = \lim_{z\to i} (z-i)\dfrac{1}{(z-i)(z+i)} = \dfrac{1}{2i}

  4. 积分:∮∣z∣=1dzz2+1=2πi⋅12i=π\oint_{|z|=1} \dfrac{dz}{z^2+1} = 2\pi i \cdot \dfrac{1}{2i} = \pi

2 计算实积分#

许多实积分可以通过构造复函数,并使用留数定理计算,例如:

∫−∞∞dxx2+1=π\int_{-\infty}^{\infty} \dfrac{dx}{x^2+1} = \pi

  1. 形如 ∫02πR(sin⁡θ,cos⁡θ)dθ\int_0^{2\pi}R(\sin\theta,\cos\theta)d\theta,其中R表示有理式

    令z=eiθ,  1z=e−iθ  ⟺  {cos⁡θ=z+1z2sin⁡θ=z−1z2idz=izdθ  ⟺  ∮∣z∣=1R(z+1z2,z−1z2i)1izdz\text{令}z=e^{i\theta},\;\frac{1}{z}=e^{-i\theta}\\ \iff \begin{cases} \cos\theta=\frac{z+\frac{1}{z}}{2}\\ \sin\theta=\frac{z-\frac{1}{z}}{2i}\\ dz=izd\theta \end{cases}\\[10pt] \iff \boxed{\oint_{|z|=1} R(\frac{z+\frac{1}{z}}{2},\frac{z-\frac{1}{z}}{2i})\frac{1}{iz}dz}
    NOTE

    ∫0π\int_0^{\pi} 的情况先用奇偶性转到 12∫−ππ\frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi} 再处理

  2. 形如 ∫−∞+∞P(x)Q(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}dx,上下都是多项式,Q(x)Q(x) 的次数比 P(x)P(x) 至少高两次且 Q(x)=0Q(x)=0 无实根,则

    ∫−∞+∞P(x)Q(x)dx=2πi∑k=1nRes⁡[P(z)Q(z),zk]这里 zk 是 P(z)Q(z) 在上半平面内的奇点\boxed{\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{P(x)}{Q(x)}dx=2\pi i\sum_{k=1}^{n}\operatorname{Res}[\frac{P(z)}{Q(z)},z_k]}\\[10pt] \text{这里 $z_k$ 是 $\dfrac{P(z)}{Q(z)}$ 在}\textcolor{yellow}{上半平面内}\text{的奇点}
  3. 形如 ∫−∞+∞P(x)Q(x)eiaxdx,a>0\int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}e^{iax}dx,a>0 上下都是多项式,Q(x)Q(x) 的次数比 P(x)P(x) 至少高两次

    • case 1 :Q(x)=0Q(x)=0 无实根

      ∫−∞+∞P(x)Q(x)eiaxdx,a>0=2πi∑k=1nRes⁡(P(z)Q(z)eiaz,zk) \int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}e^{iax}dx,a>0=2\pi i\sum_{k=1}^{n}\operatorname{Res}\left(\frac{P(z)}{Q(z)}e^{iaz},z_k\right)

    其中 zkz_k 是 P(z)Q(z)eiaz\dfrac{P(z)}{Q(z)}e^{iaz} 在上半平面内的奇点。

    • case 2 :Q(x)=0Q(x)=0 有实根 xrx_r

      ∫−∞+∞P(x)Q(x)eiaxdx,a>0=2πi∑k=1nRes⁡(P(z)Q(z)eiaz,zk)+πi∑r=1pRes⁡(P(z)Q(z)eiaz,xr) \int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}e^{iax}dx,a>0=2\pi i\sum_{k=1}^{n}\operatorname{Res}\left(\frac{P(z)}{Q(z)}e^{iaz},z_k\right)+\pi i\sum_{r=1}^p\operatorname{Res}\left(\frac{P(z)}{Q(z)}e^{iaz},x_r\right)
    • case 3 :只有 cos⁡x\cos x 或 sin⁡x\sin x ,则利用欧拉公式 eiax=cos⁡ax+isin⁡axe^{iax}=\cos ax + i\sin ax 分别计算实部和虚部

      ∫−∞+∞P(x)Q(x)cos⁡ax dx=∫−∞+∞P(x)Q(x)Re⁡[eiax]dx=Re⁡∫−∞+∞P(x)Q(x)eiaxdx∫−∞+∞P(x)Q(x)sin⁡ax dx=∫−∞+∞P(x)Q(x)Im⁡[eiax]dx=Im⁡∫−∞+∞P(x)Q(x)eiaxdx \int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}\cos ax\, dx=\int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}\operatorname{Re}\left[e^{iax}\right]dx= \operatorname{Re}\int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}e^{iax}dx\\[10pt] \int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}\sin ax\, dx=\int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}\operatorname{Im}\left[e^{iax}\right]dx= \operatorname{Im}\int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac{P(x)}{Q(x)}e^{iax}dx

公公又式式#

  • 核心步骤:找奇点 → 判定类型 → 计算留数 → 求和 × 2πi
复变函数:留数
https://biscuit0613.github.io/posts/math/cmplxfunc_residue/
作者
Biscuit
发布于
2025-10-14
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
CSAPP_布尔代数
复变函数:泰勒级数和洛朗级数