复变函数论第三版钟玉泉第三章

2020/5/30,1,第三章复变函数的积分,第一节复积分的概念及其简单性质,2020/5/30,2,1.有向曲线:,简单曲线（Jordan曲线）：无重点的连续曲线光滑曲线：处处有切线,且切线随切点的移动而连续转动的曲线逐段光滑曲线：有限条光滑曲线衔接而成的连续曲线,2020/5/30,3,(1)曲线C是开口弧段，若规定它的端点P为起点，Q为终点，则沿曲线C从P到Q的方向为曲线C的正方向把正向曲线记为C或C+.,在讨论复变函数积分时，将要用到有向曲线的概念，如果一条光滑或逐段光滑曲线规定了其起点和终点，则称该曲线为有向曲线，曲线的方向是这样规定的：,而由Q到P的方向称为C的负方向,负向曲线,2020/5/30,4,(2)如果是简单闭曲线，规定人沿着曲线边界行走时，区域内部总保持在人的左侧为正方向，因此，逆时针方向为正方向，顺时针方向为负方向,(3)如果是复平面上某一个多连通域的边界曲线，则的正方向这样规定：当人沿曲线行走时，区域总保持在人的左侧，因此外部边界部分取逆时针方向，而内部边界曲线取顺时针为正方向,分段光滑的简单闭曲线简称为周线.,2020/5/30,5,2.复变函数积分的定义,2020/5/30,6,2020/5/30,7,(,2020/5/30,8,二、积分存在的条件及其计算方法,1.存在的条件,2020/5/30,9,证,参数增加的方向,正方向为,根据曲线积分的存在定理,2020/5/30,10,当n无限增大而弧段长度的最大值趋于零时,在形式上可以看成是,公式,2020/5/30,11,2020/5/30,12,2.积分的计算方法,即,2020/5/30,13,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.,2020/5/30,14,例1,解,直线方程为,2020/5/30,15,例2,解,积分路径的参数方程为,2020/5/30,16,例3,解,积分路径的参数方程为,重要结论：积分值与路径圆周的中心和半径无关.,一个重要而常用的积分公式,2020/5/30,17,复积分与实变函数的定积分有类似的性质.,绝对不等式,三、复积分的性质,2020/5/30,18,例4,解,根据估值不等式知,2020/5/30,19,o,1,1+i,2020/5/30,20,2020/5/30,21,2020/5/30,22,2020/5/30,23,2020/5/30,24,2020/5/30,25,一、问题的提出,此时积分与路线无关.,第二节柯西积分定理,由于不满足柯西黎曼方程,故而在复平面内处处不解析.,由以上讨论可知,积分是否与路线有关,可能决定于被积函数的解析性及区域的连通性.,2020/5/30,26,二、柯西积分定理,定理中的C可以不是简单曲线.,关于定理的说明:,(1)如果曲线C是区域B的边界,(2)如果曲线C是区域B的边界,定理仍成立.,2020/5/30,27,例1,解,根据柯西积分定理,有,三、典型例题,2020/5/30,28,例2,证,由柯西积分定理,由柯西积分定理,由上节例4可知,2020/5/30,29,例3,解,根据柯西积分定理得,2020/5/30,30,(1)注意定理的条件“单连通域”.,(2)注意定理的不能反过来用.,应用柯西积分定理应注意什么?,2020/5/30,31,1.问题的提出,根据本章第一节的讨论可知,由此希望将柯西积分定理推广到多连域中.,四、柯西积分定理的推广复合闭路定理,2.闭路变形原理,2020/5/30,32,得,2020/5/30,33,解析函数沿闭曲线的积分,不因闭曲线在区域内作连续变形而改变它的值.,闭路变形原理,说明:在变形过程中曲线不经过函数f(z)的不解析的点.,2020/5/30,34,3.复合闭路定理,那末,2020/5/30,35,4.典型例题,例1,解,依题意知,根据复合闭路定理,2020/5/30,36,例2,解,圆环域的边界构成一条复合闭路,根据闭路复合定理,2020/5/30,37,例3,解,由复合闭路定理,此结论非常重要,用起来很方便,因为不必是圆,a也不必是圆的圆心,只要a在简单闭曲线内即可.,2020/5/30,38,例4,解,由上例可知,复合闭路定理与闭路变形原理是复积分中的重要定理,掌握并能灵活应用它是本章的难点.,常用结论:,2020/5/30,39,定理一,由定理一可知:解析函数在单连通域内的积分只与起点和终点有关,1.两个主要定理:,五、原函数与不定积分,2020/5/30,40,定理二,证,利用导数的定义来证.,由于积分与路线无关,2020/5/30,41,由积分的估值性质,此定理与微积分学中的对变上限积分的求导定理完全类似.,证毕,2020/5/30,42,2.原函数的定义:,原函数之间的关系:,3.不定积分的定义:,定理三,(类似于牛顿-莱布尼兹公式),2020/5/30,43,证,根据柯西积分定理,证毕,说明:有了以上定理,复变函数的积分就可以用跟微积分学中类似的方法去计算.,4.典型例题,例1,解,由牛顿-莱布尼兹公式知,2020/5/30,44,例2,解,(使用了微积分学中的“凑微分”法),例3,解,由牛顿-莱布尼兹公式知,另解,此方法使用了微积分中“分部积分法”,2020/5/30,45,例4,解,利用分部积分法可得,课堂练习,答案,例5,解,2020/5/30,46,例6,解,所以积分与路线无关,由牛顿-莱布尼兹公式知,2020/5/30,47,一、问题的提出,根据闭路变形原理知,该积分值不随闭曲线C的变化,而改变,求这个值。,第三节柯西积分公式及其推论,2020/5/30,48,二、柯西积分公式,定理,证,此式称为柯西积分公式,2020/5/30,49,证,根据闭路变形原理知,左端积分的值与R无关,所以只有在对所有的R积分值为零时才有可能.,证毕,2020/5/30,50,(1)把函数在C内部任一点的值用它在边界上的值表示.,(这是解析函数的又一特征),(2)公式不但提供了计算某些复变函数沿闭路积分的一种方法,而且给出了解析函数的一个积分表达式.,(这是研究解析函数的有力工具),(3)解析函数的平均值定理：一个解析函数在圆心处的值等于它在圆周上的平均值.,则有,柯西积分公式的重要性在于:一个解析函数在区域内部的值可以用它在边界上的值通过积分表示,所以它是研究解析函数的重要工具.,2020/5/30,51,三、典型例题,例1,解,由柯西积分公式,2020/5/30,52,例2,解(1),由柯西积分公式,由柯西积分公式,这种解法对吗？为什么？,2020/5/30,53,例3,解,由柯西积分公式,2020/5/30,54,例4,解,由闭路复合定理,得,2020/5/30,55,例5,解,根据柯西积分公式知,比较两式得,2020/5/30,56,其中积分方向应是顺时针方向.,柯西积分公式对无界区域也是成立的，,五、解析函数的无穷可微性,问题:,(1)解析函数是否有高阶导数?,(2)若有高阶导数,其定义和求法是否与实变函数相同?,回答:,(1)解析函数有各高阶导数.,(2)高阶导数的值可以用函数在边界上的值通过积分来表示,这与实变函数完全不同.,解析函数高阶导数的定义是什么?,2020/5/30,57,定理,证:略,2020/5/30,58,高阶导数公式的作用:不在于通过积分来求导,而在于通过求导来求积分.,例1,解,2020/5/30,59,由复合闭路定理,2020/5/30,60,例2,解,2020/5/30,61,例3,解,由柯西积分定理得,由柯西积分公式得,2020/5/30,62,例4,解,2020/5/30,63,六、柯西不等式与刘维尔(Liouville)定理,定理1(柯西不等式)设在区域D内解析，为D内,一点，区域包含于D，则有,其中,证明：在上应用高阶导数公式，则有,由柯西不等式，容易得到刘维尔定理。,刘维尔定理:z平面上解析且有界的函数必为常数,由刘维尔定理，可以证得到代数学基本定理。,2020/5/30,64,代数学基本定理在z平面上，n次多项式,（）至少有一个零点,证(反证法)假设在z平面上无零点，由于在平面上解析，,从而在z平面上也是解析的其次，由于,所以,，于是，使得，。,又因为在上连续，故，使得，,从而在z平面上有，即在z平面上解析且有界，,因此根据刘维尔定理，为常数，故亦为常数，,这与已知为多项式矛盾，定理得证,2020/5/30,65,七、摩勒拉(Morera)定理,柯西积分定理说明，只要在单连通区域D内解析，则对D内任一围线均有。我们现在证明其逆也是正确的,摩勒拉定理设函数在单连通区域D内连续，且对D内任一围线C，有，则在D内解析,证,依题意可知,可由导数的定义证明,因为解析函数的导数仍为解析函数,2020/5/30,66,例6,证,不等式即证.,2020/5/30,67,例7,证,积分值与R无关，故有f(a)=f(b).由a,b的任意性得f(z)为常数.,2020/5/30,68,例8,证,任取一点z=a,取围道C为|z|=R|a|,逆时针方向,由柯西积分公式有,即有,由a的任意性得f(z)为常数.,小结：高阶导数公式是复积分的重要公式.它表明了解析函数的导数仍然是解析函数这一异常重要的结论,同时表明了解析函数与实变函数的本质区别.,2020/5/30,69,高阶导数公式,这一点与实变量函数有本质的区别.,定义,调和函数在流体力学和电磁场理论等实际问题中有很重要的应用.,第四节解析函数与调和函数的关系,一、调和函数的定义,2020/5/30,70,定理,任何在区域D内解析的函数,它的实部和虚部都是D内的调和函数.,证,二、解析函数与调和函数的关系,根据解析函数高阶导数定理,证毕,2020/5/30,71,三、共轭调和函数的定义,区域D内的解析函数的虚部为实部的共轭调和函数.,四、偏积分法,如果已知一个调和函数u,那末就可以利用柯西黎曼方程求得它的共轭调和函数v,从而构成一个解析函数u+vi.这种方法称为偏积分法.,2020/5/30,72,解,得一个解析函数,这个函数可以化为,例1,2020/5/30,73,例2,解,所求解析函数为,2020/5/30,74,五、不定积分法,不定积分法的实施过程:,将上两式积分,得,2020/5/30,