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留数计算积分典型例题,有理函数的积分怎么拆

时间:2023-05-04 06:30:21 阅读:150411 作者:552

剩下的都是精华。 留数理论的重要应用之一是计算实函数的积分。 首先从复函数孤立奇点的分类开始:

定义:

是一个完整的亚纯函数。 有半径时

有时,有时。 此时,称为复函数的孤立奇点。 现在,假设中展开点的级数如下:

请看孤立奇点的定义:

说是时候可以去奇点了。

时,称为阶极。

既不是奇点也不是极点时,称为的本质奇点。 关于这个定义,可以去奇点意味着可以在中找到完整的亚纯函数,如下所示

而且那里有定义。 这实际上是的级数。 级数不包含主要部分。 阶数极意味着可以在上面找到完整的函数,使得:级数包括主要部分的有限项(包括一些项用于表示)。 不存在。 即级数包含主部分的无限项。

示例:

是复函数的奇点。

你会发现这里有定义。 的幂级数展开式不包含负幂项。 也就是说不包含级数的主要部分。

是复函数的一阶极点。

也就是说,展开式只包含一项负幂项,即包含有限项(一项)的级数的主要部分,所以是的一阶极点。

是复函数的本质奇点。

包含级数主要部分的无穷项。 留数

留数是什么? 剩下的数量就是剩下的数量。 也可以取为剩下的数。 到底留下了多少数字呢? 首先,让我们考察一下复函数

在点的段数:

对该等式两侧进行积分后,得到以下结果:

因为是啊

的积分只有那时才有值,所以上面的一系列部分积分最终如下。

也就是说

被留下了。 这是留数。 也就是说,留数是级数的负平方系数。 很明显,对于任何完全纯函数和只具有奇点的复函数来说,都没有剩下数。 (在这两种情况下

的级数不含负幂项)。 这里主要讨论应该如何计算极的留数。 极点留数的计算分为以下三种情况。

的简单极,即一阶极,可以用完全纯函数表示:

且在的邻域中是完全纯的,并且是简单的零点(一次零点),则:

的阶数极点时,可以用完全亚纯函数表示:

证明:

这个状况是里面的时候的状况,稍后会证明。 那么,它是完全纯粹可展开的,并且。 所以,完全是纯粹的,可以展开的。 首先,使用以下内容: 我们寻求定义的指导是、对某件事:

也就是说成立,所以成立。 关于这个定理,我想说明一个。 如果在第二种情况下显现出来的话

如果是初级侧,也可以计算留数作为第一种情况。 例如:

也可以用第一种类型计算

也可以用第二种类型计算奇点处的剩余数量。 如果用第一种类型计算剩余数量,那就是

对于的两个不相交的圆域来说,是各自的两个孤立奇点,且是两个简单极点。 因此,利用上面定理中的第一条,可以:

直接利用第二条结论的:

留数定理及其在实积分中的应用

决定数量

理:

是一个区域,且 是全纯的,且 是一条封闭分段的 路径,且在 中是魔幻的朋友的,也就是说在 中仅含有至多 个奇点 .则有:

其中

为卷绕数,若 为 曲线,则 。

证明:

我们仅考虑封闭路径 中的奇点,对于封闭路径以外的奇点,该封闭路径对其的卷绕数为0。 我们可以将该封闭路径分解为 个封闭子路径 。对于每一个闭合子路径 都仅包含具有相同卷绕数 的奇点。 对于每一个闭合子路径 都同伦于一个 次穿过的简单封闭分段 路径 ,从而有下列积分: 利用 积分定理:对于每一个沿简单封闭的路径 积分都可以分解为包含在 内的一个包含奇点的圆上的积分。从而有:
之后我们将 在 处展成 级数:

介绍完了留数定理,我们来看看如何利用留数定理来计算实积分。使用留数定理计算实积分一共分为四种类型,我们一种一种来说:

定理:

是有理函数且不具有实奇点,且多项式 的阶数满足: ,则有:

证明:

由于 则对于足够大的 ,我们可以有如下估值:
所以由比较审敛法可知广义积分收敛。我们现在选取如下积分路径:
圆心在原点的半径为 的上半圆,路径 是在实轴上的直径,从左到右, 是从右到左的上班圆周。

我们假设这个半圆的半径充分大,以至于能够包含这个有理函数 的所有虚部大于零的孤立奇点(即所有上半平面的奇点)。从而,对 的内部由留数定理可以有:
我们将上等式右侧的积分分为上半复平面和实轴上的积分:
对于 上的积分我们利用之前的估值可以得到以下不等式:
综上所述:

例:计算反常积分:

解:复变函数

具有六个一阶极点分别是:

其中虚部大于零的极点有:

.且 满足 。且根据 的形式,我们选择球极点的留数定理中的第二条从而有:

由定理得:

定理:

是一个区域,且 是全纯的,且 . 的有限多的 孤立奇点都分布在上半平面 ,且 ,则有:

其中

是 主值。

证明:

我们选择与上面的定理中一样的积分路径,从而有如下估值:
其中
为了进行估值,我们使用以下关系:
从而有:
则:

例:计算广义积分:

解:根据比较审敛法我们知道该反常积分收敛。从而它是下列复积分的实部:

由于

,从而由上定理有:

也就是:

定理:

是变量 的有理函数,且 在单位圆周 上没有奇点,则有:

证明:

上面定理中的右边我们可以利用留数定理进行改写:

例:计算积分:

解:

首先,

在单位圆上没有奇点,从而定义:

的极点是: ,且只有 在单位圆内,则 在 处的留数为:

从而由以上定理有:

定理:

是一个有理函数,且在区间 上没有极点。且 且对于 有:

选择

的主值支:

证明:

对于这个定理的证明我们找到以下封闭路径 的围道积分:

从而:
对于 时的极限值:
由于 , 有:
且有估值:
利用留数定理有:

例:计算广义积分:

解:函数

的奇点是 ,满足上定理的前提条件,所以:

从而由上定理有:

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