第二章复变函数的积分
数学物理方法第二章复变函数的积分
一般而言,复变函数的积分不仅与起点和终点有 关, 同时还与路径有关。
§2.2 柯西（Cauchy）定理
——研究积分与路径之间的关系 （一）单连通域情形 单连通域： 在其中作任何简单闭合围线，围 线内的点都是属于该区域内的点。 单连通区域的Cauchy 定理 ：如果函数 f (z) 在闭 单连通区域 B 中单值且解析， 则沿 B 中任 何一个分段光滑的闭合曲线 l (也可以是 B 的 边界 l0 ), 函数的积分为零。
lim f( z z ) k)( k k 1
n
存在且与 k 的选取无关, 则这个和的极限称为 函数 f (z) 沿曲线 l 从 A 到 B 的路积分，记为
即
l
f (z) dz
n k k k 1
z ) d z lim f ( )( z z f(
l n k 1 max | z | 0 k
l 1 l 2
f (z)=Re (z)不是解析函数!
y i l2 o l1 1 l2
I1 Rez d z xd( x iy) 1 xd x i d y i 0 0 2 ( y = 0) (x=1)
1 1
1+i
l1 x
1 I 0 id y x d x 2 0 0 (x=0) ( y=i ) 2
l l l
v u u v d x d y i d x d y s s x y y x
又u、v 满足C-R条件 u v u v , x y y x
y
f ( z ) d z 0
l
B
l
o
复变函数与积分变换第二章：解析函数
u v i x x
偏导数的定义
若沿平行于虚轴的方式 z z z(x 0)
f ( z z ) f ( z ) f ( z ) lim z 0 z [u( x , y y ) iv ( x , y y )] [u( x , y ) iv ( x , y )] lim y 0 i y u( x , y y ) u( x , y ) v ( x , y y ) v ( x , y ) lim i lim y 0 y 0 i y i y
f ' ( z ) ux iv x ux iuy v y iuy v y iv x
函数在区域 D 内解析的充要条件
定理二
函数 f ( z ) u( x , y ) iv ( x , y ) 在其定义
域 D 内解析的充要条件是: uபைடு நூலகம் x , y )与 v ( x , y ) 在 D 内可微, 并且满足柯西－黎曼方 程.
z ( z0 z )( z0 z ) z0 z0 z0 z z0 , z z
z 关键看 , 如果z0 0则极限存在，否则不存在。 z
定理
(1) 在区域 D 内解析的两个函数 f ( z ) 与 g( z ) 的 和、差、积、商 (除去分母为零的点 )在 D 内解析.
(6)
f [ g( z )] f ( w ) g( z ). 其中w g( z )
1 (7) f ( z ) , 其中 w f ( z )与z ( w )是 ( w ) 两个互为反函数的单值 函数, 且 ( w ) 0
微分的概念:
设函数 w f ( z )在 z0 可导, 则 w f ( z0 z ) f ( z0 ) f ( z0 ) z ( z )z ,
复变函数 题库
复变函数题库第一章 复变函数 1. 复数21ii +的指数表示为 主辐角为 三角式为 , z=i ，则Arg z= , 复数z 3/5+4i/5=，则z 为( ), 复数1-的三角式为 , Arg(z+2i)=（）2. 复数的指数式 ，复数11ii -+的三角式 ，复数1i e +的三角式 ，z y ix =+的辐角为3. Im(32)i -= ，Re(32)i += ，arg(22)i += ，复数z 16/25+8i/25=的主辐角为4. 内点指 ，外点指 ，边界点指 ，闭区域指 ,柯西-黎曼方程是复变函数可导的 条件5. 推导直角坐标系和极坐标系下的柯西-黎曼第二章 复变函数的积分1. 极坐标系中的柯西-黎曼方程为2. 调和函数的表达式为3. 复连通区域柯西定理的数学表达形式为4. 单连通区域柯西定理的数学表达形式为5. 柯西公式为6.()nl z dz α-=⎰Ñ ,若z 和α为复数，则1l dz z α=-⎰Ñ7. ()()n f z =8. 已知一个解析函数)(z f 的实部是y x sin e u =,求该解析函数9. 已知一个解析函数)(z f 的实部是22u x y xy =-+，(0)0f =,求该解析函数 10. 已知一个解析函数)(z f 的实部是32u 3x xy =-，(0)0f =,求该解析函数 11. 已知一个解析函数)(z f 的虚部是22v yx y=+,求该解析函数 12. 已知一个解析函数)(z f 的实部是u (cos sin )x e x y y y =-，(0)0f =,求该解析函数。
第三章 幂级数展开1. 幂级数11()kk z i k ∞=-∑的收敛圆半径为 ，幂级数1!()k k z k k ∞=∑的收敛圆半径为 ,幂级数1!kk z k k ∞=⎛⎫⎪⎝⎭∑的收敛圆半径为 , 幂级数0k k k e t ∞=∑(其中t为复变数)的收敛圆半径为2. 32382(4)z z z +=-是的 阶极点，z i=是221()(1)f z z =+的 阶极点，00zz e =是的 ，若某函数的展开式为0100000!()()kk k f z z z -=-=-∑，则0z 为该函数的 ，若某函数的展开式为00()!()k f z k z z ∞=-∑，则0z 为该函数的 。
第二章复变函数的积分
第二章 复变函数的积分在微积分学中，微分法与积分法是研究函数性质的重要方法。
同样，在复变函数中，积分法也跟微分法一样是研究复变函数性质十分重要的方法和解决实际问题的有力工具。
§2.1 复变函数积分的概念一、复变函数的积分设C 为平面上给定的一条光滑(或按段光滑)曲线。
若选定C 的两个可能方向中的一个作为正方向，那么就把C 理解为带有方向的曲线，称为有向曲线。
设曲线C 的两个端点为A 与B ，如果从A 到B 的方向作为C 的正方向，那么从B 到A 的方向就是C 的负方向，并把它记作-C 。
在今后的讨论中，常把两个端点中的一个作为起点，另一个作为终点。
除特殊声明外，正方向总是指从起点到终点的方向。
关于简单闭曲线的正方向是指当曲线上的点P 顺此方向沿该曲线前进时，临近P 点的曲线内部始终位于P 点的左方。
与之相反的方向就是曲线的负方向。
若光滑或逐段光滑的曲线C 的参数方程为)()()(t iy t x t z z +==，)(βα≤≤t （2.1） t 为实参数，则规定t 增加的方向为正方向，即由)(αz a =到)(βz b =的方向为正方向。
定义2.1 设函数)(z f w =定义在区域D 内，C 为区域D 内起点为A 终点为B 的一条光滑有向曲线，把曲线C 任意分成n 个弧段，设分点为：B z z z z z A n n ==-,...,,,1210 在每个小弧段上任取一点k ζ（图3.1），作和∑=∆=nk k k n z f S 1)(ζ其中1--=∆k k k z z z ，记=∆k s 的长度，}Δ{max 1k nk s δ≤≤=。
当n 无限增加，且δ趋于零时，如果不论对C 的分法及k ζ的取法如何，当n S 有唯一极限，那么称这个极限值为函数)(z f 沿曲线C 的积分，记作∑⎰=→=nk k kδCz ζf dz z f 1Δ)(lim )( （2.2）图2.1C 称为积分路径，⎰Cdz z f )(表示沿C 的正方向的积分，⎰-C dz z f )(表示沿C的负方向的积分。
数学物理方法第2章复变函数积分-2016方案
(2.1.3)
(2) 化为参数积分计算．设积分曲线L的参数方程为z(t)，
将z(t)及dz(t)＝z'(t)dt代入式(2.1.4)，可得
3
【例2.1.1】计算积分I=
其中曲线L是
(1)沿1+ i 到2+4 i 的直线，见图2.2(a)；
(2)沿1+ i 到2+i，再到2+4 i 的折线，见图2.2(b)；
§2.2.1 单通区域的柯西定理
定理 若函数f(z)在单通区域D 内解析，则f(z)在D内沿任意 闭曲线的积分为零
∮l f(z)dz = 0 (2.2.1)
证明 这个定理的严格证明比较复 杂, 为简单起见, 我们在“f(z)在D 内连续” 附加条件下证明这个定 理．
先将复变积分化为两个实变积 分的线性叠加
29
这就是解析函数的定积分公式，它与实变 函数中的牛顿-莱布尼茨公式具有相同的形 式。
通常把f(z)的原函数的集合
称f(z)的不定积分，式中C为复常数。
30
(2.2.8)
31
§2.2.3 复通区域的柯西定理
定理 若f(z)在闭复通区域 解析，则f(z)沿所
有内、外边界线(L=L0+ 之和为零
37
【2.2.2】试计算 其中积分回路分别(图2.11) (1) |z-i|＝2；(2) |z+i|＝2；(3) |z|＝3.
38
解 首先，将被积函数分解为部分分式(利用通 分可以凑出来)
≠0
=0
39
40
【例2.2.3】若f(z)=1/(z-a) 在z=a的无心邻域内 连续，积分回路是以a点为圆心的圆弧
由于a点在D内随意变动时，柯西公式依然成立， 有时分别用z和x代替式 (2.3.1)的a和z。将柯西公 式改写为
第二章 复变函数的积分chen
= ∫ [u( x , y )dx − v ( x , y )dy ] + i ∫ [u( x , y )dy + v ( x , y )dx ]
l l
结论： ※ 结论：复变函数的路积分可以归结为两个实变函数线 积分，它们分别构成路积分的实部和虚部。 积分，它们分别构成路积分的实部和虚部。
路积分的概念和性质
2
1
1 3 = 2 − + 2i = + 2i 2 2
路积分的计算例题
【例二】沿图所示的三条曲线分别计算复变函数 f ( z ) = Re z 从 O 到 B 的路积分。
∫
OAB
f ( z )dz = ∫
OAB
Re zdz = ∫ Re zdz + ∫ Re zdz
OA AB
OA段 z = iy , Re z = 0 dz = idy 段
C
C
f (z)dz
C
∫ [ f + g]dx = ∫
a
fdx + ∫ gdx
a
b
∫ [ f + g]dz = ∫
C
C
fdz + ∫ gdz
C
∫
b
a
f ( x)dx = −∫ f ( x)dx
b
a
∫
∫
C
f (z)dz = −∫ f (z)dz
f dz + ∫ f dz = ∫
C2 C1 ∪C2
∫
c
a
f dx + ∫ f dx = ∫ f dx
∫
l
f ( z )dz = ∫ [u( x , y )dx − v ( x , y )dy ] + i ∫ [v ( x , y )dx + u( x , y )dy ]
数学物理方法 第二章 复变函数的积分
证明： 1 dz 1 f (α )dz (1)已知f (α ) = f (α ) ⋅ ∫l z − α = 2πi ∫l z − α 2πi 1 f ( z )dz 1 f ( z ) − f (α ) 与f (α ) = 比较，只需证明 ∫l z − α ∫l z − α dz = 0即可. 2πi 2πi f ( z ) − f (α ) (2)因为z = α为 的奇点，因此，以α为圆心，取任意小 z −α f ( z ) − f (α ) ε为半径做小圆Cε , 这样在l及Cε 所围复通区域上 单值解析。 z −α f ( z ) − f (α ) 1 f ( z ) − f (α ) 1 根据柯西定理， ∫ dz = ∫Cε z − α dz l 2πi z −α 2πi 对于Cε 上的z有：z − α = εe iϕ , dz = iεeiϕ dϕ 于是, 有： 1 f ( z ) − f (α ) 1 2π f ( z ) − f (α ) iϕ 1 iεe dϕ = iϕ ∫l z − α dz = 2πi ∫0 εe 2πi 2π
wuxia@
∫
2π
0
[ f ( z ) − f (α )]dϕ
(3)现在需要对上式右端做估计 因为f ( z )连续，一定可以找到∆ > 0,当 | z − α |≤ ∆时， | f ( z ) − f (α ) |≤ ε ′ 因而有： 1 2π 1 2π 1 ∫0 [ f ( z ) − f (α )]dϕ ≤ 2π ∫0 | f ( z ) − f (α ) |⋅ | dϕ |< 2π 2π =ε 1 f ( z ) − f (α ) 1 f ( z) ∴ dz = 0, f (α ) = ∫l z − α ∫l z − α dz 2πi 2πi
第二章 复变函数的积分
一.复变函数的积分
(复平面的路径积分) 复平面的路径积分)
∫ f (z )dz ≡ lim ∑ f (ξ )(z
l n →∞ k =1 k
l l
n
k
− z k −1 ) ≡ lim ∑ f (ξ k )dz k n→∞
k =1
n
∫ f (z )dz = ∫ u (x, y )dx − v(x. y )dy + i ∫ v(x, y )dx + u (x. y )dy
ez I =∫ 2 dz c ( z + 1) 2
z 2
2π i (n−1) f (ξ ) ∫ (ξ − z)n dξ = (n −1)! f (z) l
例:计算
z = a (> 1)
解:
I=∫
c1
e z /( z − i ) 2 e /( z + i) dz dz + ∫ 2 2 c2 ( z + i) ( z − i)
1
I 2 = ∫ xdz + ∫ xdz =
0
1
1+i
i
1 ∫ 0idy + ∫ xdx = 2 0 0
直线参数方程 : z = (1 + i)t或( y = x)
1
I 3 = ∫ t (1 + i )dt = 1 + i 2 0
(可见积分与路径有关)
例2
1+i
z 2 dz = ? 1)沿折线 0—1---1+i ∫
= 2π i [e z /( z + i) 2 ]′z =i + 2π i [e z /( z − i ) 2 ]′z = −i
数学物理方法习题解答
第一章 复变函数1.1 复数与复数运算【1】下列式子在复数平面上各具有怎样的意义？ 5，arg ,Re ,z a z b αβ<<<<（,,a αβ和b 为实常数）解：射线ϕα=与ϕβ=，直线x a =与x b =所围成的梯形。
7，111z z -≤+解：11111z z z z -≤⇒-≤++，令z x iy =+，则11z z -≤+即()()2222110x y x y x -+≤++⇒≥。
即复数平面的右半平面0x ≥。
【2】将下列复数用代数式，三角式和指数式几种形式表示出来。
3，1+解：代数式即：1z =+；2ρ=，且z 的辐角主值arg 3z π=，因此三角式：2cos2sin33z i ππ=+；指数式：232i k i z e eππϕρ⎛⎫+ ⎪⎝⎭==，k ∈ 。
7，1i 1i-+解：21i (1i)2i i 1i(1i)(1i)2---===-++-，因此，其代数式：i z =-，三角式：33cos sin22z i ππ=+；指数式：322i k i z e eππϕρ⎛⎫+ ⎪⎝⎭==，k ∈ 。
【3】计算下列数值。
（a ，b 和ϕ为实常数）2，解：将被开方的i 用指数式表示：22ei k i ππ⎛⎫+ ⎪⎝⎭=，k ∈ 。
那么2322eexp 63i k k i ππππ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫==+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，k ∈ 。
7，cos cos 2cos 3cos n ϕϕϕϕ++++ 解：因为，cos R e (1)ik k e k n ϕϕ=≤≤，因此()[]2323cos cos 2cos 3cos R e R e R e R e (1)R e R e 1cos cos(1)sin sin(1)R e 1cos sin 222sin sin cos 222R e 2sin sin 2i i i in i in i i i in i n e eeee e eeeee n i n i n n n i ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ++++=++++⎡⎤-=++++=⎢⎥-⎣⎦⎧⎫-++-+⎪⎪=⎨⎬--⎪⎪⎩⎭++⎛⎫- ⎪⎝⎭= 222(1)2sin 2R e sin cos 2221(1)sin sin sin sin cos 22222R e sin sin2sin222n i i n i n e i e n n n n e ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ++⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎛⎫⎢⎥- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎛⎫++- ⎪⎝⎭===1.2 复变函数【2】计算下列数值。
复变函数积分的概念
C 无关性.
附：
格林公式
盐城工学院基础部应用数学课程组
dz 例如 2 i , z 1 z
例如
z 1
dz dz 2 Q dz zd d z 1 z
练习
dz 2 i ie z 1 z 0 d 0
dz
z 1
z
e i d 0
C
即为一元实函数的定积分 . 一般不能把起点为 , 终点为 的函数 f ( z ) 的积分
记作 f ( z )dz , 因为这是一个线积分 , 要受积分路
线的限制, 必须记作 f ( z )dz .
C
盐城工学院基础部应用数学课程组
性质(4)的证明
因为 zk 是 zk 与 zk 1 两点之间的距离 ,
0
1
C1 1
(1 i ) (1 i ) t d t
0
1
1 21 1. 2 t 2 0
说明：此积分与路径有关
盐城工学院基础部应用数学课程组
课堂练习
例3 计算 z dz , 其中 C 为 : 圆周 z 2.
C
解 积分路径的参数方程为
z 2e
i
(0 2π ),
第一节
复变函数积分的概念
一、积分的定义 二、积分存在的条件及其计算法 三、积分的性质
第三章
盐城工学院基础部应用数学课程组
y
B
一、复变函数积分的定义 1.有向曲线 以A与B为端点的光滑(或按段)曲线C 规定：从A到B为曲线C的正向,
o
y
A
x
o
从B到A就是曲线C的负向,记作 C y
理工类专业课复习资料-数学物理方法总结(改)
数学物理方法总结第一章 复变函数复数的代数式:z=x+iy复数的三角式和指数式:(cos sin )z ρϕϕ=+和i z e ϕρ=欧拉公式:{1sin ()21cos ()2iz iz iz izz e e iz e e --=-=+柯西-黎曼方程(或称为柯西-黎曼条件):{u u x yv v x y∂∂=∂∂∂∂=-∂∂ (其中f(z)=u+iv)函数f(z)=u+iv 在点0z 及其领域上处处可导,则称f(z)在0z 点解析.在区域B 上每一点都解析,则称f(z)是在区域B 上的解析函数.解析函数的性质:1.若函数f(z)=u+iv 在区域B 上解析,则12(,),(,)u x y C v x y C ==(12,C C 为常数)是B 上的两组正交曲线族.2.若函数在区域B 上解析,则u,v 均为B 上的调和函数,即22220u vx y ∂∂+=∂∂ 例题: 已知某解析函数f(z)的实部22(,)u x y x y =-,求虚部和这个解析函数.解答: 由于22ux∂∂=2;22v y ∂∂=-2;则22220u v x y ∂∂+=∂∂曲线积分法u x ∂∂=2x;u y ∂∂=-2y.根据C-R 条件有:v x∂∂=2y;v y ∂∂=2x.于是 22dv ydx xdy =+;(,0)(,)(0,0)(,0)(,)(,)(,0)(22)(22)(22)22x x y x x y x y x v ydx xdy C ydx xdy ydx xdy Cxdy C xy C=++=++++=+=+⎰⎰⎰⎰凑全微分显式法由上式可知dv=2ydx+2xdy贝易得dv=d(2xy)则显然v=2xy+C不定积分法上面已有—=2y;丝=2xdx dy则第一式对y积分,x视为参数，有v=J2xy+(p(x)=2xy+(p(x)......................dv...上式对x求导有一=2y+^\x),而由C-R条件可知(p\x)=0,dx从而(p(x)=C.故v=2xy+C.f(z)=x2-y2+i(2x y+C)=z2+iC第二章复变函数的积分单连通区域柯西定理如果函数f(z)在闭单连通区域B上解析，则沿B上任意一分段光滑闭合闭合曲线1(也可以是B的边界)，有血/⑵也=0.复连通区域柯西定理如果f(z)是闭复连通区域上的单值解析函数，则山任)也+£由/(z)也=0.式中1为区域外边界线，诸l为区域内边界线，积分均沿边界线的正方向进行.即血力＞)也=力血/(z)d z.柯西公式f(a)=t^-也""dz2m z-an次求导后的柯西公式f(〃)(z)=£山声舄化2mi中(。
复变函数与积分变换课件第2章
例：设f(z)在z0处连续，且f(z0)不等于0，那么可以
找到z0的一个邻域，在这个邻域内f(z)不等于0
1 导数的定义
定义 设函数w=f(z)在包含z0的某邻域D内有定义 ，点z0+⊿z∈D. 如果极限
f ( z0 Δ z ) - f ( z0 ) lim Δ z 0 Δz
存在, 则称f(z)在z0可导, 此极限值就称为f(z)在z0 的导数, 记作
பைடு நூலகம்
定义 如果函数f(z)不仅在z0可导，而且在z0的某 个邻域内的任一点都可导, 则称f(z)在z0解析。 如果f(z)在区域D内每一点解析, 则称f(z)在D内解 析, 或称f(z)是D内的一个解析函数(全纯函数 或正则函数)
如果f (z)在点z0不解析，就称z0是f (z)的奇 点。
(1) w=f (z) 在 D 内解析等价于在D内可导。 (2) 函数f (z)在 z0 点可导，未必在z0解析。 （3）函数在区域D内的点z处解析，则z 一 定是D的内点。
（4） f ( z ) z Re( z )
例3. 证明 sin ' z cos z
例4 如果f '(z)在区域D处处为零, 则f(z)在D内为一常
数 .
4.高阶导数
二阶及二阶以上的导数称为高阶导数
例 应用公式
sin( z
2
) cos z ,
（n) 求 sin z
1.解析函数的概念
例2
求f ( z) z 在z 0时的极限. z
z z0
例3 求极限 lim cos z 例4 证明 f ( z ) Re z
在z 0时的极限不存在 .
z
定理2
若 lim f ( z ) A lim g ( z ) B, 则
第二章 柯西定理公式
§2.1 柯西定理 一、单连通区域上的柯西定理：
1、单连通区域：闭曲线可在其内收缩为一点的区域。 2、柯西定理：
证明：
一、单连通区域上的柯西定理：
一、单连通区域上的柯西定理：
推论： 在单连通区域内，解析函数的线积分值只与始、末位置有 关，与积分路径的形状无关。
一、单连通区域上的柯西定理：
证 明：
二、柯西公式的推论：
∵ 被积函数在封闭曲线|z|=5内有两个极点：z=0和z=i
∴ 根据复连通区域上的柯西定理，有：
二、柯西公式的推论：
作 业：
二、柯西公式的推论：
2、无界区域上的柯西公式：
证明：
二、柯西公式的推论：
3、刘维尔(Liouville)定理：
二、柯西公式的推论：
证 明：
二、柯西公式的推论：
§2.2 柯西公式及其推柯西公式：
注意：柯西公式把复变函数的积分问题简化为解 析函数在奇点处的值的问题
一、柯西公式：
例 题：
解：
一、柯西公式：
作业：试计算下列积分的值，其中C是正向单位圆周 |z|=1。
二、柯西公式的推论：
1、解析函数的高阶导数：
思考：
二、复连通区域上的柯西定理：
1、复连通区域：闭曲线不能在其内收缩为一点的区域。 割线 复连通区域 2、柯西定理： 单连通区域
二、复连通区域上的柯西定理：
~ 在复连通区域上，解析函数沿外境界线逆时针方向的线积 分等于沿所有内境界线的逆时针方向的线积分之和。
例 题：
解 ：
二、复连通区域上的柯西定理：
02第二章 解析函数积分
将 L 分割为 n 个弧段。 取 ζk ∈ zk−1zk ，作求和
n
∑ Sn = f (ζk ) ⋅ ∆zk , ∆zk = zk − zk−1 k =1
δ = max{| ∆ z1 |,| ∆ z2 |,...,| ∆ zn |}
∫ 定义
L
f
( z )d z
=
lim
n→∞
Sn
δ→0
ζ n−1
B zn
|z−a| = r
(连续性)
21
例1：计算
Q
=
∫C
dz z2 −1
，其中
C
为：
(1) 圆周 |z+2|=2； (2) 圆周 |z|=2
解：(1) 柯西积分公式的前提条件：
被积函数在围线内部只有一个奇点
∫ ∫ C
dz z2 −1
=
(z − 1)−1dz C z − (−1)
| z + 2 |= 2
= 2π i (z − 1)−1 |z=−1 = −π i
∫ ∫ F(z) ≡
∆
f (ζ ) dζ =
z
f (ζ ) dζ
(积分只依赖起点、终点)
Cz
z0
则 F(z) 在 D 内解析，且 F′(z) = f (z)
推论 (Newton-Leibniz 公式)：在单连通区域 D 内 解析函数 f(z) 存在原函数Ф(z) 。对A, B ∈ D，
∫B
f (z) dz = Φ(B) − Φ(A) 积分值可能与 D 有关！
(2) a 在 L 的内部区域 D ：
⋅a
γ
存在 a 的邻域 N2R (a) ⊆ D
取 γ为圆周 | z −a |= R
复连通区域柯西定理
i xdy Re zdz = x(dx idy) xdx y
l l l l
x y, dx dy
i
1 i
1 l Re zdz l xdx i l xdx 2 (1 i);
o
1
x
数学物理方法
解2
积分路径的参数方程为
z(t ) t it (0 t 1),
(2)
l AB
n max zk 0 k 1
lim
f (
n
k
)zk
f ( z )dz f ( z )dz
lBA
l l
k 1
(3) f1 ( z ) f 2 ( z ) dz f1 ( z )dz f 2 ( z )dz
l
(4) af ( z )dz a f ( z )dz
2．复变函数积分的计算—分解为实变函数的积分的计算
方法一： f ( z) u iv, dz dx idy f ( z)dz (u iv)(dx idy) (udx vdy) i (vdx udy)
L L L L
——复变函数的积分分解为两个实变函数的线积分
第二章 复变函数的积分
本章将在复积分的基础上建立解析函数积分的柯 西定理和柯西积分公式，它们是复变函数的基本理论 和基本公式。复变函数积分理论是复变函数论中最困 难，最有趣，最重要的核心内容。
第一节 复变积分的定义和性质
复变函数的积分定义为和的极限。
数学物理方法
1：定义： （1）设 L 为复平面上的一条光滑曲线，
方法二：若曲线 L 用参数方程 z z (t )表示 t ，则 dz z(t )dt
复变函数的积分
第二章 复变函数的积分在微积分学中，微分法、积分法是研究函数性质的重要方法。
在复变函数中，微分法、积分法是研究复变函数性质的重要方法和解决实际问题的有力工具。
§2.1 复变函数的积分—复平面上的线积分一、复变函数积分的定义例：计算2421iiz dz++∫1.沿抛物线2y x =2.沿连接点124i i ++到的直线段3.1224i i i +++沿到然后再到的折线 解:1．抛物线参数方程为22,()(12)x t y t d z d t it i t d t==≤≤=+=+2其中1t 2则z =x +i y =t +i t242222222443241111()(12)[()4][22()]iiz dz t it i t dt t t t dt i t t t t dt++=++=−−++−∫∫∫∫三、解析函数的定积分公式在单通区域内，解析函数的积分值只与端点有关而与路径无关，可定义一个以终点z 为自变量的单值函数：()()zz F z f d ξξ=∫定理：设f (z )是单通区域D 内的解析函数， 是D的内点，则 是D 内的解析函数，且 F’(z )=f (z )F (z )是f (z )的原函数：F’(z )=f (z )定理证明略。
0z ξξd f z F zz ∫=0)()(由于()F z 是()f z 的一个原函数，所以()F z C +构成原函数族，则有：()()zz f d F z C ξξ=+∫上式中令 ，则有 从而0()()()zz f d F z F z ξξ=−∫——形式上与牛顿——莱布尼兹公式相似0z z =0)(0=+c z F )(0z F c −=⇒。
数学物理方法第二章
证 设光滑曲 C由线参数方程给出
zz(t)x(t)i y(t), t
正方向为参数增加的方向,
参数 及 对应A 于 及起 终 B , 点 点
数学物理方法第二章
6
并 z ( t) 且 0 , t,
如f(果 z) u (x ,y) iv(x ,y)在 D 内处 , 处 那u 么 (x,y)和 v(x,y)在 D内均为连 , 续函
n
n
f(k)zk [u(k,k)xkv(k,k)yk]
k1
k1
n
i[v(k,k)xku(k,k)yk]
k1
C f(z)dz CudxvdyiCvdxudy
数学物理方法第二章
9
公式 C f(z)dz CudxvdyiCvdxudy
在形式上可以看成是
f(z)uiv与 dzdxidy相乘后求 : 积
f(z)dzf ( z ) d z f ( z ) d z f ( z ) d z .
C
C 1
C 2
C n
在今后讨论的积分中, 总假定被积函数是连续的, 曲线 C 是按段光滑的.
数学物理方法第二章
12
性质：
设L是简单逐段光滑曲线，f,g在L上连续，则
(1)f(z)dz f(z)d;z反转积分路径，积分反号
z2
z2
f(z)dzudxvdyivdxudy
z1
z1
z1
因此可得到复变函数的积分与路径无关的充要条件
数学物理方法第二章
24
单连通区域柯西定理：
如果函数f (z)在闭单连通域B 上解析，则沿B上任一分段光滑 闭曲线l（也可以是B的边界）， 有
f (z)dz 0
第2章 复变函数的积分
(1 t 2)
1 i
86 6i z dz [t i (3t 2)] (1 3i )dt 3 1
2 2
2
9
３．沿折线 (1)从 1+i 到 2+i 线段的方程 x=t ; y=1 ; 1 t 2 则
z t i, dz dt
2i
例：计算 1 i
2 4i
z 2 dz
2
1.沿抛物线 y x
2.沿连接点 1 i 到2 4i 的直线段 3. 沿 1 i 到 2 i 然后再到 2 4i 的折线
2 解:1．抛物线参数方程为 x t , y t ，其中1 t 2
则 z=x+iy=t+it2， dz d (t it 2 ) (1 i 2t ) dt
为 ，
24
则有
这表明：当
时，
的极限为f(z)，即
定理得证。
25
由于 F ( z ) 是 f ( z ) 的一个原函数， 所以 F ( z ) C 构成原函数族， 则有：
上式中令 从而
z
z0
f ( )d F ( z ) C
，则有
z
z0
f ( )d F ( z ) F ( z0 )
f(z)在 a 点解析 f(z)在 a 点连续 所以 M=max|f(z)-f(a)| →0,从而
ε→0 时：
32
解析函数f(z)在其解析区域内任一点的值可由沿边界线 的积分确定.
讨论：1. 不一定取边界，取由 L 连续变形得到的 包围 a 的任意闭曲线，积分都相等。 2. a 点在 内任意变动,柯西公式也成立。
复变函数的积分
f (z)eimzdz f (Rei )eimR(cos isin ) R ei id
CR
0
f (Rei ) e Rd mRsin max f (Rei ) R e d mRsin
0
0
数学物理方法
e d mRsin 0
e d e d 2 mR sin 0
mR sin
阶连续偏导数，则曲线积分 L Pdx Qdy 与路径无关的
充要条件是
Q P ( x, y) D
x y
l zdz l xdx ydy il ydx xdy
数学物理方法
3 用极坐标计算
例4 计算 l z dz, 其中 l 为: 圆周 z 2.
解 积分路径的参数方程为
z 2ei (0 2π), dz 2iei d
2
y
y1
2
1
y2 sin
e d e d ( ) 2 mR sin 0
0 mR sin( )
O
2
2
e d e d 2 e d 2 e d 2 mR sin
2 mR sin
2 mR sin
2mR
2
0
0
0
0
2mR 2
2
e 2mR
0
(1 emR )
L f (z)dz 0
数学物理方法
推论2
若f (z)在单连通区域D内解析，则l f (z)dz与路径无关
l
l1
A
D
B
l2
f (z)dz f (z)dz f (z)dz f (z)dz f (z)dz 0
l
lAB
lBA
l1 AB
l2 AB
f (z)dz f (z)dz
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f (z)dz lim f (k )(zk zk1)
l
积分n函 数k1
积分路径 一般来说,复变函数的积分值与积分路径有关.
2、复变函数积分计算方法
n
f (z)dz lim f (k )(zk zk1) n k 1
l
1）将复变函数的路积分化为两个实变函数的线积分
2）参数积分法
若积分曲线的参数方程z=z(t) ( ),dz z'(t)dt
则
f (z)dz f [z(t)]z'(t)dt
l
（极坐标法，通常用来计算积分路径为圆弧时的情况）
通常思路：
积分路径l为圆弧： 宗量用指数形式表示：
z z0
z z0 ei
n
n
f (z)dz f (z)dz;l lk
l
k 1 lk
k 1
f (z)dz f (z)dz
lAB
lBA
f (z)dz
l
f (z) dz ; dz
dx2 dy2 ds
l
Ms; M f (z) , s l的长度
用来求积分的估计值
r
1
z3 z
2
dz
z3 z r 1 z2
dz
（1）
z3
z r 1 z2
dz M
dz M
z r
ds Ms
z r
（2）
由（1）（2）式，得：
z3 dz Ms
z r 1 z2
M
1
r
3
r
2
s ds 2 r z r
z3 z r 1 z2 dz
下一页
附：格林公式
L
B
若函数P（x，y）、Q（x，y）在闭域 B
上具有连续的一阶偏微商，则：
l Pdx Qdy (Qx Py )dxdy
B
l：B的边界线
2、复连通区域的柯西定理Cauchy定理
1)复通区域境界线：
B
外境界线：逆时针为正方向
l1
区域在行走的左侧
l2
内境界线：顺时针为正方向
l
lAB
l1
lB ' A '
n k 1
n
lim
[u(xk , yk ) iv(xk , yk )][( xk xk1) i( yk yk1)]
n k 1
n
n
lim lim u(xk , yk )( xk xk1)
v(xk , yk )( yk yk1 )
x kn1
f (x, y) u(x, y) iv(x, y)
zk xk iyk
zk1 xk1 iyk1
n
f (z)dz lim f (k )(zk zk1)
l
n nk 1
lim
[u(xk , yk ) iv(xk , yk )][( xk xk1) i( yk yk1)]
i
OA 3
ydx
9
0
12i
AB
0
0
2
zdz
zdz
zdz 7 12i
（2）同理可求 O 另一条路径ODB
l
OA
AB
2
的积分也为此数
D
（3）路径： y 4 x; x : 0 ~ 3, y : 0 ~ 4
3
zdz xdx ydy i ydx xdy
1
Re zdz xdx i xdy xdx
AB
Re zdz
AB
Re zdz
AB
Re
zdz
0
1
2
l
OA
AB
2
（2）同理可求另一条路径ODB的积分
为：1/2+i
例 计算 zdz ，l 为从原点到3+i4的三条直线段。
l
解：分析：积分式为： z x iy dz dx idy
l
lll2源自参数积分法 积分路径l为圆弧： z z0
宗量用指数形式表示：z z0 ei
Ñ 试证：
dz 2i
C
(z z0 )n
0
n 1
;c: n 1
z z0
r
3、复积分的性质
f (z)dz
l
试证：
l
f (z)
Ms; M
7 2
12i;
OAB路径
l
zdz
7 2
12i; ODB路径
7 2
12i; OB路径
究竟哪些函数积分与路径有关，哪些无关？有什么规律？
§2、2 Cauchy定理
在定义域上处处可导的 函数，在此区域上积分 与路径无关
主要讨论复变函数满足什么条件其路积分值才能不决定 于积分路径，而只与始末位置有关。
O
D
对OA：x=0,dx=0,y:0~1
（3）路径：y=x，则：
Re zdz xdx i xdy 0
OA
OA
OA
1
1
Re zdz xdx i ydy xdx i ydy
OB
OB
OB
0
0
1 1i 22
对AB：y=1,dy=0,x:0~1 1
1、单连通区域的柯西(Cauchy)定理
如果函数在闭连通区域 B上解析，则沿 B
B
上任一分段光滑闭合曲线L （L也可以是 B
L
的境界线），有
f (z)dz u(x, y)dx v(x, y)dy i v(x, y)dx u(x, y)dy 0
l
l
l
证明：
f (z)dz udx vdy i vdx udy L
1 ;OAB路径 2
l
Re
zdz
1 2
i;
ODB路径
O
D
1 2
1 2
i; OB路径
A
O
思考：
B（3，4） D
7 2
12i;
OAB路径
l
zdz
7 2
12i; ODB路径
7 2
12i; OB路径
究竟哪些函数积分与路径有关，哪些无关？有什么规律？
3
z
2
dz
0
z
r
1
z3 z
2
dz
z3 z r 1 z2
dz
（1）
又Q
f
(z)
z3 1 z2
z3
1 z2
z3
1 z2
z3 1r2
1
r
3
r
2
M
z3 dz M dz M ds Ms （2）
z r 1 z2
z r
z r
z
0
例：计算圆弧积分：
z a rei
n为整数
i r n1
2
[
0
cos(n
-1) d
2
i
0
sin(n
-1)
d
]
3、复积分的性质
n
n
n
ck fk (z)dz ck fk (z)dz ck fk (z)dz
l k 1
k 1 l
k 1 l
例2
1
计算积分 | 1
z
| dz
积分路径是（1）直线段
y
（2）单位圆周的上半（3）单位圆周的下半
解：
（1）在-1到1的直线段= 上 l0
x
路径方程为y=0
z x2 y2 | x | dz=dx+idy=dx
所以
1
1
1
| z | dz | x | dz 2 xdx 1
1
1
0
y
2）在单位圆上半周上：
令
z ei
x
则
1
| z | dz
0 iei d 2
1
3) 在单位圆下半圆周上:
=
1
| z | dz
0 iei d 2
1
可见
0
| z | dz | z | dz 2 (2) 0
l
l
l
3
xdx
4
ydy i
3 4 xdxi
43 ydy
0
0
03
04
1 32 1 42 i 4 1 32 i 3 1 42
2
2
32
42
1 (9 16) i 1 (12 12) 7 12i
2
2
2
A
B
O
D
A
B（1，1）
x k 1n
lim i limu(xk , yk )( yk yk1) i
v(xk , yk )( xk xk1)
x k 1
x k 1
u(x, y)dx v(x, y)dy i u(x, y)dx i v(x, y)dy