导入复变函数的积分,需要按顺序导入以下内容
- 复数值的实数变量函数在线段(区间)上的积分
- 复变函数 f 沿复平面上的 C1 曲线路径积分
- 复变函数沿路积分
# 区间积分
对于 复数值 函数 f(t):[a,b]→C,由于实部虚部分别为实变函数,可以通过实变积分延拓
定义
若 Ref(t), Imf(t) 在区间 [a,b] 上可积,则称复数值 f(t) 在 [a,b] 上可积,定义其积分为
∫abf(t)dt=∫abRef(t)dt+i∫abImf(t)dt
此时实际上可以由连续性推出可积性,注意以下逻辑
f 连续⟺Ref,Imf 连续⟹Ref,Imf 可积⟺f 可积
并且显然定义给出
- Re(∫abf(t)dt)=∫abRef(t)dt
- Im(∫abf(t)dt)=∫abImf(t)dt
命题 积分基本性质
令 f,g:[a,b]→C 可积,则
- (线性)对于 α,β∈C,有 ∫ab[αf(t)+βg(t)]dt=α∫abf(t)dt+β∫abg(t)dt
- (积分不等式)∣∣∣∣∣∣∫abf(t)dt∣∣∣∣∣∣≤∫ab∣f(t)∣dt
证明
(线性性)
∫ab[αf(t)+βg(t)]dt=∫ab[αRef(t)+βReg(t)]dt+i∫ab[αImf(t)+βImg(t)]dt=α∫abRef(t)dt+β∫abReg(t)dt+i(α∫abImf(t)dt+β∫abImg(t)dt)=α∫abf(t)dt+β∫abg(t)dt
(积分不等式)
取极坐标表示 ∫abf(t)dt=Reiθ,其中 R=∣∫abf(t)dt∣,则
∣∣∣∣∣∣∫abf(t)dt∣∣∣∣∣∣=e−iθ∫abf(t)dt=∫abe−iθf(t)dt∈R=∫abRe(e−iθf(t))dt≤∫ab∣∣∣e−iθf(t)∣∣∣dt=∫ab∣f(t)∣dt
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# 路径积分
接下来考虑 f 沿复平面上的 C1 曲线路径积分
令 f:D→C 连续,D⊂C
曲线 γ:[a,b]→D,规定以下记号
- 曲线的像记为 γ∗
- 曲线的起点记为 S(γ),终点记为 E(γ)
- 方向逆转的曲线记为 −γ
- 由两根曲线拼接而成的曲线记为 γ1∨γ2
定义
定义复变函数 f 沿曲线 γ 的积分为
∫γf(z)dz:=∫abf(γ(t))γ′(t)dt
由此,化归为实数变量,复数值的函数积分问题
命题 积分基本性质
令 f,g:D→C 连续,D⊂C
曲线 γ,γ1,γ2:[a,b]→D 为 C1 级,则
- (反向路径)∫−γf(z)dz=−∫γf(z)dz
- (曲线拼接)∫γ1∨γ2f(z)dz=∫γ1f(z)dz+∫γ2f(z)dz
- (线性性)对于 λ∈C, ∫γ[λf(z)+g(z)]dz=λ∫γf(z)dz+∫γg(z)dz
- (积分不等式)∣∣∣∣∣∫γf(z)dz∣∣∣∣∣≤∫γ∣f(z)∣∣dz∣≤ML(γ),其中 M=z∈γ∗max∣f(z)∣
证明
(反向路径)
∫−γf(z)dz=∫abf(γ(a+b−t))γ′(a+b−t)dt=∫baf(γ(s))γ′(s)(−ds)(s=a+b−t)=−∫abf(γ(s))γ′(s)ds=−∫γf(z)dz
(曲线拼接)
∫γ1∨γ2f(z)dz=∫abf((γ1∨γ2)(t))(γ1∨γ2)′(t)dt=∫a(a+b)/2f(γ1(2t−a))⋅2γ1′(2t−a)dt+∫(a+b)/2bf(γ2(2t−b))⋅2γ2′(2t−b)dt=∫abf(γ1(s))γ1′(s)ds+∫abf(γ2(s))γ2′(s)ds(s=2t−a or 2t−b)=∫γ1f(z)dz+∫γ2f(z)dz
(线性性)
∫γ[λf(z)+g(z)]dz=∫ab[λf(γ(t))+g(γ(t))]γ′(t)dt=λ∫abf(γ(t))γ′(t)dt+∫abg(γ(t))γ′(t)dt=λ∫γf(z)dz+∫γg(z)dz
(积分不等式)
∣∣∣∣∣∫γf(z)dz∣∣∣∣∣=∣∣∣∣∣∣∫abf(γ(t))γ′(t)dt∣∣∣∣∣∣≤∫ab∣f(γ(t))∣⋅∣γ′(t)∣dt=∫γ∣f(z)∣∣dz∣≤M∫ab∣γ′(t)∣dt=ML(γ)
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最后是复变函数沿路积分,关于路定义如下
对于曲线 γ:[a,b]→C
- 称 γ 为路径,若 γ 连续且可被分割为有限段 C1 曲线的路径(分段光滑)
- 称 γ 为闭路径,若 S(γ)=E(γ)
定义
令 f:D→C 连续,D⊂C
对于路径 γ:[a,b]→D,定义复变函数 f 沿路径 γ 的积分为
∫γf(z)dz:=i=1∑n∫γif(z)dz
其中 γi 为将 γ 分割为的 n 段 C1 曲线
命题 积分基本性质
令 f,g:D→C 连续,D⊂C
路径 γ,γ1,γ2:[a,b]→D 为路径,则
- (反向路径)∫−γf(z)dz=−∫γf(z)dz
- (路径拼接)∫γ1∨γ2f(z)dz=∫γ1f(z)dz+∫γ2f(z)dz
- (线性性)对于 λ∈C, ∫γ[λf(z)+g(z)]dz=λ∫γf(z)dz+∫γg(z)dz
- (积分不等式)∣∣∣∣∣∫γf(z)dz∣∣∣∣∣≤∫γ∣f(z)∣∣dz∣≤ML(γ),其中 M=z∈γ∗max∣f(z)∣
证明
与分段光滑的定义类似,均可通过对每一段 C1 曲线应用相应命题,然后将结果相加得到整体结论,证明过程与之前完全相同,此处省略
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至此,复变函数的积分完整定义完毕
# 微积分基本定理
定理 复变函数微积分基本定理
令 D⊂C 为开集,f:D→C 连续
若 F:D→C 为 f 在 D 上的原函数,即 ∀z∈D, F′(z)=f(z),则对于任意路径 γ:[a,b]→D,有
∫γf(z)dz=F(E(γ))−F(S(γ))
特别地,若 γ 为闭路径,则
∫γf(z)dz=0
证明
若 γ 本身为 C1 曲线,则由于
dtdF(γ(t))=F′(γ(t))⋅γ′(t)=f(γ(t))⋅γ′(t)
所以通过实数上的微积分基本定理,
∫γf(z)dz=∫abf(γ(t))γ′(t)dt=∫abdtdRe(F(γ(t)))dt+i∫abdtdIm(F(γ(t)))dt=[Re(F(γ(t)))]ab+i[Im(F(γ(t)))]ab=F(E(γ))−F(S(γ))
对于一般的路径 γ,将其分割为 n 段 C1 曲线 γi,则
∫γf(z)dz=i=1∑n∫γif(z)dz=i=1∑n[F(E(γi))−F(S(γi))]=F(E(γ))−F(S(γ))
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复变函数的正则性由于多值性等问题,与实变函数不同,需要另外分析
以下是重要示例
示例
对于 z0∈C, n∈Z,闭路径 γ
∫γ(z−z0)n1dz={0,2πi,n=1n=1
证明
(n=−1 时)
由于
dzd(n+1(z−z0)n+1)=(z−z0)n
所以可以给出原函数,对于闭路径积分为 0
(n=−1 时)
原函数看似是 Log(z−z0)
但是复数的对数函数哪怕是主值也是不正则的,必须要切割掉定义域中的某条射线(通常称为 “分支切割”)才能保证可微性
对于闭合的路径,当 z0 在路径内部时,函数相对于圆心完整的绕行了一圈,必然会发生跳跃,这个跳跃会导致积分不为 0
实际上可以代入路径 γ(t)=z0+reit, t∈[0,2π] 计算验证
∫γz−z01dz=∫02πreit1⋅ireitdt=∫02πidt=2πi
正好是对数函数在绕行一圈后的跳跃值
这并不是巧合,实际上如果将路径改为绕行 m 圈,则积分值为 2mπi
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