工程数学复变函数的积分课件

第三章第三章 复变函数的积分复变函数的积分第第1 1节节 积分的概念积分的概念1复变函数积分理论是复变函数的核心内容，关于复变复变函数积分理论是复变函数的核心内容，关于复变函数的许多结论都是通过积分来讨论的，更重要的是我函数的许多结论都是通过积分来讨论的，更重要的是我们要讨论解析函数积分的性质，并给出解析函数积分的们要讨论解析函数积分的性质，并给出解析函数积分的基本定理与基本公式，这些性质是解析函数理论的基基本定理与基本公式，这些性质是解析函数理论的基础，我们还将得到解析函数的导数仍然是解析函数这个础，我们还将得到解析函数的导数仍然是解析函数这个重要的结论。重要的结论。2有向曲线有向曲线 在讨论复变函数积分时，将要用到有向曲线的概念，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：该曲线为有向曲线，曲线的方向是这样规定的：(1)如果曲线如果曲线L 是开口弧段，若规定它的端点是开口弧段，若规定它的端点P 为起点为起点，Q为终点，则沿曲线为终点，则沿曲线 L 从从 P 到到Q 的方向为曲的方向为曲线线L的正方向（简称正向），把正向曲线记为的正方向（简称正向），把正向曲线记为L或或L+.而而由由Q到到P的方向称为的方向称为L的负方向（简称负向），负向曲线记的负方向（简称负向），负向曲线记为为 .3(2)(2)如果如果 是简单闭曲线，通常总规定逆时针是简单闭曲线，通常总规定逆时针方向为正方向，顺时针方向为负方向方向为正方向，顺时针方向为负方向(3)(3)如果如果 是复平面上某一个复连通域的边界曲是复平面上某一个复连通域的边界曲线，则线，则 的正方向这样规定：当人沿曲线的正方向这样规定：当人沿曲线 行行走时，区域总保持在人的左侧，因此外部边界部分走时，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取逆时针方向，而内部边界曲线取顺时针为正方向4复变函数的积分复变函数的积分 设在复平面C上有一条连接z0及z两点的简 单曲线C。设f(z)=u(x,y)+iv(x,y)是在C上的连续函数。其中u(x,y)及v(x,y)是f(z)的实部及虚部.把曲线C用分点z0,z1,zn-1,zn=z分成n个更小的弧，在这里分点是在曲线C上按从z0到Z的次序排列的。如果 是 到 的弧上任意一点，那么考虑和式都存在且唯一，则称此极限为函数记作沿曲线弧C的积分.56分实部与虚部，有或者在这里 分别表示的实部与虚部。7按照关于实变函数的线积分的结果，当曲线C上的分点个数无穷增加，而且时，上面的四个式子分别有极限：这时，我们说原和式有极限8这个极限就是函数f(z)沿曲线C的积分，因此，我们有9 即我们可以把复积分即我们可以把复积分 的计算化为两个的计算化为两个二元实变函数的曲线积分为便于记忆公式，可把二元实变函数的曲线积分为便于记忆公式，可把 理解为理解为 则则 上式说明了两个问题：上式说明了两个问题：(1)(1)当当 是连续函数，且是连续函数，且L L是光滑曲线时，积分是光滑曲线时，积分 一定存在；一定存在；(2)(2)可以通过两个二元实变函数的线可以通过两个二元实变函数的线积分来计算积分来计算.10如果C是简单光滑曲线：，并且 ，那么上式右边的积分可以写成黎曼积分的形式，因此，我们有11我们可以看到，把dz形式地换成微分，就直接得到上式，因此有当是分段光滑简单曲线时，我们仍然可以得到这些结论。12复变函数的积分的性质：复变函数的积分的性质：复变函数积分的基本性质：设f(z)及g(z)在简单曲线C上连续，则有（1）（2）（3）其中曲线C是由光滑的曲线 连接而成；（4）积分是在相反的方向上取的。13如果C是一条简单闭曲线，那么可取C上任意一点作为取积分的起点，而且积分当沿C取积分的方向改变时，所得积分相应变号。（5）如果在C上，|f(z)|M，而L是曲线C的长度，其中M及L都是有限的正数，那么有，证明：因为两边取极限即可得结论。14复积分的计算典型实例复积分的计算典型实例例例1 1 计算计算 ，其中，其中C C为从原点到为从原点到点点3+4i3+4i的直线段的直线段 15【解】【解】直线的方程可写成直线的方程可写成 或或 于是于是 又因又因 由高等数学理论，其复积分的实部、虚部满足实由高等数学理论，其复积分的实部、虚部满足实积分与路径无关的条件，所以积分与路径无关的条件，所以 的值不论的值不论 是怎样是怎样的曲线都等于的曲线都等于 ，这说明有些函数的积分值与积，这说明有些函数的积分值与积分路径无关分路径无关1617（2）C分为两段：C1:C2:所以 可见，在本题中，C的起点与终点虽然相同，但路径不同，积分的值也不同所以 1819 20第第2 2节节 积分基本定理积分基本定理通过前面的例题我们发现，通过前面的例题我们发现，例例1 1中的被积函数在复平面内是处处解析的，中的被积函数在复平面内是处处解析的，它沿连接起点及终点的任何路径的积分值都相同，它沿连接起点及终点的任何路径的积分值都相同，换句话说，积分与路径无关换句话说，积分与路径无关例例2 2 中的被积函数是不解析的，中的被积函数是不解析的，积分与路径是有关的积分与路径是有关的也许沿封闭曲线的积分值与被积函数的解析性也许沿封闭曲线的积分值与被积函数的解析性及区域的单连通性有关及区域的单连通性有关我们自然要问：函数在什么条件下，积分仅与我们自然要问：函数在什么条件下，积分仅与起点和终点有关，而与积分路径无关呢？起点和终点有关，而与积分路径无关呢？我们可以证明下列定理我们可以证明下列定理:21柯西定理定理3.1 设f(z)是单连通区域D的解析函数，（1）设C是D内任一条简单闭曲线，那么其中，沿曲线C的积分是按反时针方向取的。（2）C是在D内连接 及z两点的任一条简单曲线，那么沿C从 到z的积分值由 及z所确定，而不依赖于曲线C，这时，积分记为.222324定理3.3 设C是一条简单闭曲线，函数f(z)在以C为边界的有界闭区域D上解析，那么定理3.4 设f(z)是单连通区域D的解析函数，那么在D内有函数,其导数为f(z)。证明：取定 ，由定理3.1，得是在D内确定的一个函数。取25D中两个积分看作沿两条简单曲线取的，而其中一条是另一条曲线与连接 及z的线段的并集。于是有这里积分是沿及z的联线取的，26于是即证毕。27【另证】【另证】令令 则则 因为因为 和和 是与路径无关的，因此是与路径无关的，因此28可见,的实部和虚部可微且满足C-R条件，29原函数原函数 设f(z)及F(z)是区域D内确定的函数，F(z)是D内 的 一 个 解 析 函 数，并 且 在D内，有F(z)=f(z)，那么函数F(z)称为f(z)在区域是D内的一个不定积分或原函数；除去可能相差一个常数外，原函数是唯一确定的。即f(z)的任意两个不定积分或原函数的差是一个常数。事实上，设F(z)及G(z)都是f(z)在区域是D内的原函数，则有30 其中 ，我们已经证明，在D内，有，因此31引理引理1 1 设f(z)单连通区域D内处处解析，并且在D内有原函数G(z)。如果 ，并且C是D连接 的一条曲线，那么32【证明】注意到函数【证明】注意到函数是是的一个原函数，的一个原函数，故故33典型应用实例典型应用实例34 例5 计算积分因而积分与路径无关，可用分部积分法得因而积分与路径无关，可用分部积分法得【解】【解】由于由于 在复平面内处处解析，在复平面内处处解析，353637 不失一般性，取不失一般性，取n n1 1进行证明进行证明.有下述定理：有下述定理：38 定理定理3.6 设设 L和和 为复连通区域内的两条简为复连通区域内的两条简单闭曲线，如图单闭曲线，如图3.5所示，所示，在在L内部且彼此不内部且彼此不相交，以相交，以 和和L为边界所围成的闭区域为边界所围成的闭区域 全含全含于于D则对于区域则对于区域D内的解析函数内的解析函数 有有394041 例如本章例例如本章例3中，当中，当L为以为以 为中心的正向圆周为中心的正向圆周时：时：，根据闭路变形原理，对，根据闭路变形原理，对于包含于包含 的任何一条简单闭曲线的任何一条简单闭曲线 ,都有都有 成立成立42例例6 计算计算 ，其中，其中 为圆周为圆周 ，且取正向且取正向 【解】【解】要注意要注意 在在 内只有内只有一个奇点一个奇点 ，将，将 分成为分成为 则由闭路变形定理则由闭路变形定理 4344454647