5.1 孤立奇点 ​

  1. 奇点:函数中不解析的点。 孤立奇点:函数虽然在z0处不解析,但是在z0的某个去心领域内出处解析,则z0为f(z)的孤立奇点
  2. 判断奇点是否孤立的方法:利用数列逼近,寻求奇点
  3. 孤立奇点的种类:
    • 可去奇点:如果在z0点展开的洛朗级数不含z−z0的负幂项,则孤立奇点z0为可去奇点。 此时展开的洛朗级数就是一个普通的幂级数,幂级数的和函数在z0解析,只需在f(z)的值域内补一个对应的值即可,这样f(z)在z0就变成解析的了
    • 极点:如果在z0点展开的洛朗级数只含有限个z−z0的负幂项,如关于(z−z0)−1的最高幂是m,则该孤立奇点称为f(z)的m级极点
    • 本性奇点:如果在z0点展开的洛朗级数有无穷多个z−z0的负幂项,那么该孤立奇点称为f(z)的本性奇点。 本性奇点的领域内:给定任意的复数A,总可以找到对应的数列趋近于z0,使得f(z)的值趋近于A
    • 总结:孤立奇点种类的充要条件
      • 可去奇点:limz→z0f(z)存在且有限
      • 极点:limz→z0f(z)=∞
      • 本性奇点:limz→z0f(z)不存在且不为∞
  4. 函数的零点和极点的关系:
    • m级零点的定义:不恒等于0的解析函数f(z)如果能表示成
    f(z)=(z−z0)mϕ(z),ϕ(z)在z0点解析且ϕ(z0)≠0则称z0是f(z0)的m级零点
    • 如果f(z0)在z0处解析,则z0 为f(z)的充要条件是:
    f(n)(z0)=0,(n=0,1,2,…,m−1),f(m)≠0
    • 解析函数零点的孤立性:一个不恒为0的解析函数的零点是孤立的
    • 零点和极点的关系:如果z0是f(z)的m级极点,则z0是1f(z)的m级零点,反过来也成立
    • 极点阶数=分母零点阶数-分子零点阶数
      • 当 k>l 时(分母阶数 > 分子阶数): z0 是 f(z) 的 极点。极点阶数 m=k−l。
      • 当 k=l 时: z0 是 f(z) 的 可去奇点(Removable Singularity)。 函数在该点极限存在且有限(不为0),虽然分母为0,但被分子完全抵消了。
      • 当 k<l 时: z0 是 f(z) 的 零点。 函数在该点的值为 0。 零点的阶数为 l−k。
  5. 函数在无穷远点的性态:
    • 孤立奇点的定义:f(z)在z=∞的去心领域R<|z|<+∞内解析,则称∞为孤立奇点
    • 映射到t平面:f(z)=f(1t)=ϕ(t),则ϕ(t)在去心领域0<|t|<1R内解析,则可以展开称洛朗级数ϕ(t)=∑n=1∞c−ntn+c0+∑n=1∞cnt−n则同样可以定义无穷远点的奇点种类:
      • 无正幂项:可去奇点
      • 有限个正幂项,且最高次为m:m级极点
      • 含有无穷多个正幂项:本性奇点
    • 在判断无穷远点种类的时候,可以直接通过limz→∞f(z)判断:
      • 存在:可去奇点
      • 无穷大:极点
      • 不存在又不为无穷大:本性奇点

5.2 留数 ​

  1. 留数定义和留数定理:
    • 定义:f(z)在以z0的圆环区域内展开的洛朗级数中负幂项(z−z0)−1的系数,即c−1。
    • 留数定理:若函数f(z)在区域D内除了有限个孤立奇点z1,z2,z3,…,zn外处处解析,C是区域D内包围这些奇点的一条正向简单闭合曲线,那么:∮Cf(z)dz=2πi∑k=1nRes[f(z),zk]
      • 知道奇点的类型有利于求留数,如可去奇点的留数就是0,本性奇点往往只能在z0展开成洛朗级数的方法求c−1
  2. 留数的计算定理:
    • 定理1:如果z0是一级极点,则Res[f(z),z0]=limz→z0f(z)
    • 定理2:如果z0是f(z)的m级极点,则Res[f(z),z0]=1(m−1)!limz→z0dm−1dzm−1(z−z0)mf(z)
    • 定理3:设f(z)=P(z)Q(z),如果P(z),Q(z)在z0都解析,且P(z0)≠0,Q(z0)=0,Q′(z0)≠0,则z0是f(z)的一级极点,且:Res[f(z),z0]=P(z0)Q′(z0)
    • 有时候使用这些规则,有时候直接使用洛朗级数展开反而更简单
    • 定理2有时候可以把m取大一些,方便计算。
  3. 无穷远点的留数
    • 定义:f(z)在以∞的圆环区域R<|z|<+∞内展开的洛朗级数中负幂项(z−z0)−1的系数变号,即−c−1。
    • 重要定理:函数f(z)在扩充平面内只有有限个孤立奇点,则f(z)在所有奇点(包括∞)的留数之和等于0
    • 无穷远点的留数计算定理:Res[f(z),∞]=−Res[f(1z)⋅1z2,0]

5.3 留数在定积分计算上的应用 ​

  1. 形如∫02πR(cos⁡θ,sin⁡θ)dθ的积分
    • 令z=eiθ
    • dz=ieiθdθ
    • sin⁡θ=z2−12iz,cos⁡θ=z2+12z
    • 使其满足留数定理的条件
  2. 形如∫−∞∞R(x)dx,且分母的次数至少比分子的次数高两次,并且R(x)在实轴上没有孤立奇点
    • 取积分路线为在上半平面的半圆周,使其包围上半平面的所有极点
    • ∫∞∞R(x)dx=2πiRes[R(z),zk]
    • 偶函数可以利用对称性求解
  3. 形如∫−∞∞R(x)eaixdx(a>0),且分母的次数至少比分子的次数高一次,并且R(x)在实轴上没有孤立奇点
    • 取积分路线为在上半平面的半圆周,使其包围上半平面的所有极点
    • ∫−∞∞R(x)eaixdx=2πiRes[R(z)eaiz,zk]
    • 或∫−∞∞R(x)cos⁡axdx+i∫−∞∞R(x)sin⁡axdx=2πiRes[R(z)eaiz,zk]
    • 可以用取实部或取虚部的方法求解带有三角函数的积分