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留數定理

大三 · 複變

觀念

函數在孤立奇點 aa 附近的 Laurent 展開 ∑cn(z−a)n\sum c_n(z-a)^n 中,c−1c_{-1} 叫留數 (residue)。留數定理:ff 在逆時針簡單閉曲線 CC 上及其內部,除了有限個孤立奇點(都不在 CC 上)以外解析,則 ∮Cf dz=2πi∑Res\oint_C f\,dz = 2\pi i\sum\text{Res}(對 CC 內所有奇點加總)。簡單極點的留數 lim⁡(z−a)f(z)\lim(z-a)f(z),pq\frac{p}{q} 型為 p(a)q′(a)\frac{p(a)}{q'(a)}。

最實用的應用是算實積分:∫−∞∞dx1+x2=π\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{1+x^2} = \pi、∫02πdθa+cos⁡θ\int_0^{2\pi}\frac{d\theta}{a + \cos\theta}(∣a∣>1|a|>1)、Fourier 與 Laplace 逆轉換,都靠把路徑閉合到複平面上數留數。

例題

ReIm123-11O13C

如圖,CC:∣z−1∣=1|z -1| = 1,逆時針一圈。求 ∮C−1(z−1)(z−3) dz\displaystyle\oint_C \frac{-1}{(z -1)(z -3)}\,dz(答案可含 pi、i,如 3pii)。

看解法與答案

極點 z=1z = 1、z=3z = 3。圓心 11、半徑 11:在 CC 內的是 z=1z = 1(留數 12\frac{1}{2});z=3z = 3 在外面,不算。

Res⁡z=1=lim⁡z→1(z−1)f(z)=−1z−3∣z=1=−1−2=12\operatorname{Res}_{z=1} = \lim_{z\to 1}(z -1)f(z) = \frac{-1}{z -3}\Big|_{z=1} = \frac{-1}{-2} = \frac{1}{2}。

留數定理:∮Cf dz=2πi∑Res⁡=2πi⋅12=iπ\oint_C f\,dz = 2\pi i\sum\operatorname{Res} = 2\pi i\cdot \frac{1}{2} = i \pi。

答案: πi\pi i

用在哪裡

插畫

留數定理:情境插畫留數定理:例題插畫

學習路徑

先學會

互動練習在本機版

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