復(fù)變函數(shù)：5-復(fù)積分與Cauchy-GoursatThm

1、第三章第三章 復(fù)變函數(shù)的積分復(fù)變函數(shù)的積分 實(shí)變函數(shù)的可導(dǎo)性甚至不能保證其導(dǎo)函數(shù)的連續(xù)性。112 sincos0,( ) 00.ttf tttt 0lim( )( )0tf tf tt不存在，在處不連續(xù)。21sin0, ( )00.ttf ttt例如 解析函數(shù)卻有很好的性質(zhì)：解析函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)仍解析。 Cauchy從表面看這是一個(gè)微分問題，但其證明卻要利用復(fù)積分（積分公式）。Cauchy-GoursatCauchy 本章最重要的內(nèi)容是基本定理和積分公式，它們是研究解析函數(shù)的理論基礎(chǔ)。1. 復(fù)變函數(shù)積分的概念復(fù)變函數(shù)積分的概念( )Def wf zDCDAB設(shè)在區(qū)域 中有定義, 為 中以 為起點(diǎn)

2、為終點(diǎn)的光滑有向曲線.012,nCnAzz zzB 把曲線 任意分成段弧,設(shè)分點(diǎn)為 1111(1,2, ),()()().kkknnnkkkkkkkzzknSfzzfz在每段弧上任取一點(diǎn)作和 1. 定義定義11max.kkkkk nszzs 記的長度, 0,( ),nkCSf zC 時(shí),如果不論對 的分法及的取法如何,有唯一的極限 則稱該極限值為函數(shù)沿曲線的積分 ,n 當(dāng)且( ).CCf z dz如果 為閉曲線,積分也記作 , ,( )( ), ( )( ).RemarkbCaCxa bf zu xf z dzu x dx當(dāng) 為 軸上區(qū)間而時(shí) 有記作1( )lim().Cnkknkf z dz

3、fz2. 復(fù)積分存在的條件與計(jì)算復(fù)積分存在的條件與計(jì)算1()nkkkfz 先計(jì)算和式.( )( , )( , ),.kkkf zu x yiv x ypiq 記 ( )( )( ), ,Czz tx tiy tt 設(shè)光滑曲線 的方程為,( ( ), ( ),( ( ), ( ).AxyBxy正方向?yàn)閰?shù)增加的方向 起點(diǎn)終點(diǎn)于是有11() (,)(,)()nnkkkkkkkkkkfzu pqiv pqxi y 11 (,)(,) (,)(,).nkkkkkkknkkkkkkku pqxv pqyiv pqxu pqy,(,),kku vnCpq 若連續(xù) 當(dāng)且弧段的最大長度0時(shí),不論對 的分法如何

4、 不論點(diǎn)的取法如何 上式右端的兩個(gè)和式的極限都存在. ( ).CCCf z dzudxvdyivdxudy 因此有( ):f zuivdzdxidy 上面的公式形式上可以看作是與相乘后求積分 ( )()() .CCCCCf z dzuiv dxidyudxivdxiudyvdyudxvdyivdxudy由實(shí)變函數(shù)的線積分計(jì)算方法,有 ( ) CCCf z dzudxvdyivdxudy ( ), ( ) ( ) ( ), ( ) ( ) ( ), ( ) ( ) ( ), ( ) ( )u x ty t x tv x ty ty tdtiv x ty t x tu x ty ty tdt (

5、), ( ) ( ), ( ) ( )( )u x ty tiv x ty tx tiy t dt ( ) ( ).f z t z t dt: 結(jié)論1) ( ),( ).Cf zCf z dz連續(xù)為光滑曲線積分存在2)( ),( ), ( ) ( ) ( ).CCxx tyy ttf z dzf z t z t dt 設(shè)有向光滑曲線 的參數(shù)方程為正方向?yàn)閰?shù)增加的方向 則形式上12123), ( ) ( )( ) ( ).nnCCCCCC CCCf z dzf z dzf z dzf z dz若 由有向光滑曲線依次相互連接而成(此時(shí)稱 逐段光滑)則001 ,().nCdzCzrzz計(jì)算其中 為

6、以 為中心, 為半徑的正向圓周例0 ,02 ,. iCzzreC的參數(shù)方程為參數(shù)增加的方向與 的正向一致解02211(1)00 .()iinnnni nCdzireidedzzrre 于是0,2. ni當(dāng)時(shí) 積分值為0,n 當(dāng)時(shí) 積分值為2200 (cossin)0.innniiednindrr0120,00.()nCindznzz綜上, .這個(gè)結(jié)果以后經(jīng)常要用到3. 復(fù)積分的性質(zhì)復(fù)積分的性質(zhì)1) ( )( ).CCf z dzf z dz 2) ( )( ), .CCf z dzf z dz3) ( )( )( )( ).CCCf zg z dzf z dzg z dz4) ,( ),. (

7、 )( ).CCCL f zMzCf z dzf z dsML 設(shè)曲線 的長度為則111 ()()()Proof.:nnnkkkkkkkkkfzfzfs ( )( )().CCf z dzf z dsML兩邊取極限得01 .CCCzzdzdz設(shè) 是從 到 的一條光滑可求長弧段,試比較積分與的不同點(diǎn)例10, Cdzzz由積分的定義,解于是C表示弧段 的弦長. CCdzdsC為第一型曲線積分,表示弧段 的弧長.10Cdzzz 2. Cauchy-Goursat基本定理基本定理( )( ). ,. Cauchy-RiemannGreen,f zuivBfzBCBD 設(shè)在區(qū)域 中,且在中連續(xù)為 中任意

8、簡單閉曲線 逆時(shí)針方向?yàn)檎?其內(nèi)部記為由條單連通解析件和公式 有, ( )0.CCCf z dzudxvdyivdxudy于是 ()0, ()0.xyCDxyCDudxvdyvudxdyvdxudyuvdxdy.CfD由 的任意性,解析函數(shù) 在單連通區(qū)域 中積分與路徑無關(guān),( )Cauchy-Goursat-fzB 上面的假設(shè)條件中在 中連續(xù)的條件是可以去掉的,這就是下面的基本定理解析函數(shù)理論中最基本的定理. (Cauchy-Goursat0hm.TfBfBC單基本定理) 若 在區(qū)域中,則 沿 內(nèi)任何一條閉曲線解析的積分為連通Remark .C定理中 可以不是簡單曲線Remark CB定理中要

9、求 在區(qū)域 中.,( )0.CCBfBBf z dz 進(jìn)一步可以證明:若 為區(qū)域 的邊界在 中解析,在 上連續(xù) 則仍有 Cauchy-GoursatRemark定理說明函數(shù)積分是否與路徑無關(guān)涉及到函數(shù)的解析性及解析區(qū)域的單連通性.該定理是函數(shù)積分與路徑無關(guān)的充分而非必要條件. ,.RemarkC無特殊說明時(shí) 閉曲線 取逆時(shí)針方向?yàn)檎?( )f zz 處處不解析例.如圖,1 i1xyo1C2C3C11100(1)(1)21,Czdzi ti dttdt2101 2,Czdzt dt310(1)1 2,Czdzitidti231 2 1 21.CCzdzii .積分與路徑有關(guān)20000 1 ()

10、:,Cauchy-Goursat 20.CfzzBzCzzrCBdzizz函數(shù)的解析區(qū)域不是單連通的,曲線正向,不滿足定理的條件,且例 ( )f zz 在復(fù)平面上積分與例路徑無關(guān).1L2LG12,()fL LGG 如圖,設(shè) 在以閉曲線逆時(shí)針方向?yàn)檎?為邊界的區(qū)域 內(nèi)解析,在 上連續(xù).3. 復(fù)合閉路原理復(fù)合閉路原理基本定理的推廣基本定理的推廣BBDDCauchy-Goursat由基本定理可得,AA CC作輔助線AACC( )0,( )0.AA D C CDAABCC B A Af z dzf z dz 即) ( )0,) ( )0.AAA D CC CCDAABCCCC B AA Af z dzf z dz ( (1L2LAACCBBDD1212() ( )0, -( )( ). -LLLLf z dzf z dzf z dz 兩式相加得復(fù)合閉路原理閉路變形原理121(2)( )( ),(). knnCCkf z dzf z dzC CCC其中及 均取正向 逆時(shí)針方向12(1)( )0,. nf z dzCCCC 其中為復(fù)合閉路 -復(fù)合閉路原理1212Thm ,nnCC CCCfC C CCGG設(shè) 為簡單閉曲線為 內(nèi)部的簡單閉曲線,它們互不相交且互不包含. 在以為邊界的多連通區(qū)域 中解析,在 上連續(xù) 則1C2CnC3CCG221 ,1.CzdzCzzz計(jì)算其