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      復(fù)連通區(qū)域的柯西定理

       cosmos2062 2022-07-14 發(fā)布于廣東
      我們已經(jīng)研究過在一個(gè)單連通區(qū)域內(nèi)的解析函數(shù)沿任意閉合路徑的積分,在這種情況下,被積函數(shù)在區(qū)域內(nèi)沒有奇點(diǎn),積分結(jié)果等于零,這就是單連通區(qū)域的柯西定理。但是,正如前面說過,即使是一個(gè)解析函數(shù),也有可能在所研究的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)奇點(diǎn)。在這種情況下,就需要考慮閉合積分路徑是否包圍函數(shù)的奇點(diǎn),再對(duì)積分進(jìn)行處理。
      如果閉合路徑不包圍被積函數(shù)的任何奇點(diǎn),那么,單連通區(qū)域的柯西定理在這條積分路徑上成立,被積函數(shù)沿這條閉合路徑的積分等于零;如果閉合路徑包圍被積函數(shù)的奇點(diǎn),就必須用適當(dāng)?shù)拈]合曲線把這些奇點(diǎn)隔離。除掉奇點(diǎn)的區(qū)域?qū)⑿纬梢粋€(gè)復(fù)連通區(qū)域。為了能夠應(yīng)用單連通區(qū)域的柯西定理,我們用割線將內(nèi)外邊界連接起來,構(gòu)成單連通區(qū)域。
      需要說明,割線是一條線而不是兩條線,圖中畫出的兩條線只代表割線的兩側(cè),分別被稱為割線的上岸與下岸,它們實(shí)際上是一條割線的兩個(gè)走向。
      從外邊界進(jìn)入內(nèi)邊界的走向是上岸,從內(nèi)邊界到外邊界的走向是下岸。將外邊界 C?、各條內(nèi)邊界 C? 和每條割線的上岸 l? 與下岸 l'? 連接起來形成一條總的邊界 C,就構(gòu)成一個(gè)單連通區(qū)域。根據(jù)單連通區(qū)域的柯西定理,被積函數(shù)沿著閉合路徑 C 的積分等于零。另一方面,我們又可以把 C 分解成內(nèi)外邊界和每條割線的上下兩岸幾個(gè)部分,沿 C 的積分就分解成幾個(gè)積分之和:
      在上述積分中,圍繞每個(gè)奇點(diǎn)的積分沿順時(shí)針方向進(jìn)行,所以在積分曲線的標(biāo)記符號(hào)的右上角有個(gè)負(fù)號(hào)。正如剛才所說,割線只是一條線,由于我們現(xiàn)在討論的是單值函數(shù),因此,在某條割線的任意一點(diǎn)處,上、下兩岸的函數(shù)值是相等的。但是,當(dāng)我們沿著上、下兩岸做積分時(shí),積分路徑的方向是相反的。因此,單值函數(shù)沿某一條割線的上、下兩岸的積分值必定相消。如果把上述積分中沿 C? 反方向的積分改寫成沿 C? 方向積分的負(fù)值,就得到了復(fù)連通區(qū)域的柯西定理:
      需要注意的是,上述積分等式中所有積分路徑的走向都沿逆時(shí)針方向。
      利用復(fù)連通區(qū)域的柯西定理可以計(jì)算函數(shù)沿包圍奇點(diǎn)的閉合路徑的積分。一個(gè)簡(jiǎn)單而重要的例子是:
      如果積分路徑不包圍 a 點(diǎn),或者即使包圍 a 點(diǎn),但是,n≥0 ,被積函數(shù)在積分路徑所圍的區(qū)域內(nèi)解析,根據(jù)柯西定理,積分值等于零;只需要考慮 n<0 ,并且積分路徑包圍 a 點(diǎn)的情況。

      在這種情況下,以 a 點(diǎn)為圓心挖一個(gè)半徑為 r 的小圓,把 a 點(diǎn)除掉。根據(jù)復(fù)連通區(qū)域的柯西定理,我們想要求的積分可以通過計(jì)算沿小圓的積分得到:

      為了計(jì)算沿小圓的積分,用指數(shù)表示法表示積分變量是方便的:,其中 r 是小圓的半徑。由此得到了積分變量的微分的表達(dá)式:把積分變量及其微分的指數(shù)表達(dá)式代入上述積分等式的右邊,沿小圓積分一圈就變成了對(duì)角度積分一個(gè)周期:

      如果 n≠-1,被積函數(shù)中的指數(shù)不為零,積分結(jié)果為
      如果 n=-1,被積函數(shù)中的指數(shù)等于零,被積函數(shù)變成一個(gè)常數(shù),積分結(jié)果為
      由此得到一個(gè)重要的結(jié)果:
      這個(gè)結(jié)果在計(jì)算解析函數(shù)沿閉合路徑積分時(shí)非常有用。

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