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?柯西定理

 cosmos2062 2024-05-13 發(fā)布于廣東
當(dāng)一個(gè)解析函數(shù)沿一條閉合路徑積分時(shí),如果閉合路徑不包圍被積函數(shù)的任何奇點(diǎn),則積分等于零;如果閉合路徑包圍被積函數(shù)的奇點(diǎn),則積分的結(jié)果等于繞每一個(gè)奇點(diǎn)的積分之和。

我們已經(jīng)對(duì)復(fù)變函數(shù)的積分下了明確的定義,并給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。由于在物理學(xué)研究和工程技術(shù)應(yīng)用中遇到的復(fù)變函數(shù)都是解析函數(shù),因此,讓我們對(duì)解析函數(shù)的積分做更細(xì)致的討論。

考察單連通區(qū)域中的解析函數(shù) 。如下左圖所示,在函數(shù)的定義域內(nèi)有一條任意形狀的閉合曲線(xiàn) ,沿這條曲線(xiàn)對(duì)所考察的函數(shù)做積分。還是像前面那樣,把被積函數(shù)和積分變量按實(shí)部和虛部分解:
積分結(jié)果的實(shí)部和虛部的形式讓我們想起了實(shí)變積分中的格林公式:
其中的 是一條任意形狀和大小的閉合曲線(xiàn), 是以 為邊界的一個(gè)任意曲面。把格林公式分別用到上面的積分的實(shí)部和虛部中,結(jié)合柯西—黎曼方程,馬上就得到,一個(gè)解析函數(shù)在它的定義域內(nèi)沿任意閉合路徑積分等于零。這個(gè)結(jié)論被稱(chēng)為單連通區(qū)域的柯西定理。

現(xiàn)在,把上述閉合路徑積分中的積分路徑折成兩段,如上中圖所示,從 點(diǎn)開(kāi)始經(jīng)由曲線(xiàn)段 積分到 點(diǎn),再?gòu)? 點(diǎn)經(jīng)由 積分回到 點(diǎn):
另一方面,等式右邊第二個(gè)積分又可以改寫(xiě)成從 點(diǎn)經(jīng)由 積分到 點(diǎn)的形式:

根據(jù)單連通區(qū)域的柯西定理,上述閉合路徑的積分等于零。由此可以推斷:?jiǎn)芜B通區(qū)域內(nèi)的解析函數(shù)的復(fù)變積分與積分路徑無(wú)關(guān)。

當(dāng)我們利用格林公式導(dǎo)出單連通區(qū)域的柯西定理時(shí),已經(jīng)默認(rèn),被積函數(shù)在閉合積分路徑所圍的區(qū)域內(nèi)沒(méi)有奇點(diǎn)。但是,正如前面說(shuō)過(guò),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,就不能直接應(yīng)用格林公式,而是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(xiàn)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,可以用割線(xiàn)將內(nèi)外邊界連接起來(lái),構(gòu)成單連通區(qū)域,如上右圖所示。

需要再一次說(shuō)明,割線(xiàn)是一條線(xiàn)而不是兩條線(xiàn),圖中畫(huà)出的兩條線(xiàn)只代表割線(xiàn)的兩側(cè),分別被稱(chēng)為割線(xiàn)的上岸和下岸,它們實(shí)際上代表了一條割線(xiàn)的兩個(gè)走向。一般規(guī)定,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 、各條內(nèi)邊界 和每條割線(xiàn)的上岸 、下岸 連接起來(lái)構(gòu)成一條總的邊界 ,就圍成了一個(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 的積分等于零。另一方面,我們又可以把 按上述合成要素分解成幾個(gè)部分,沿 的積分就被分解成幾個(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?lè)较蜻M(jìn)行,所以在積分曲線(xiàn)的標(biāo)記符號(hào)的右上角有一個(gè)負(fù)號(hào)。正如剛才所說(shuō),割線(xiàn)只是一條線(xiàn)。由于我們現(xiàn)在討論的是單值函數(shù),因此,在某條割線(xiàn)的任意一點(diǎn)處,上岸和下岸的函數(shù)值是相等的。但是,當(dāng)我們沿著上岸和下岸做積分時(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(xiàn)的上岸和下岸的積分值必定相互抵消。如果把上述積分中沿 的積分改寫(xiě)成沿 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,在上述積分等式中,所有積分路徑的走向都沿逆時(shí)針?lè)较颉?/span>

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