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复残数


Laurent 级数中常数 a_(-1)

 f(z)=sum_(n=-infty)^inftya_n(z-z_0)^n
(1)

关于点 z_0f(z) 称为 f(z) 的留数。如果 fz_0 解析,则其留数为零,但反之不一定成立(例如,1/z^2z=0 处的留数为 0,但在 z=0 处不解析)。函数 f 在点 z_0 的留数可以表示为 Res_(z=z_0)(f(z))。留数在 Wolfram 语言中实现为Residue[f, {z, z0}]。

留数的两个基本例子由 Res_(z=0)1/z=1Res_(z=0)1/z^n=0 给出,对于 n>1

Residue

函数 f 绕点 z_0 的留数也由下式定义

 Res_(z_0)f=1/(2pii)∮_gammafdz,
(2)

其中 gamma 是逆时针简单闭合 轮廓,足够小以避免 f 的任何其他 极点。事实上,任何逆时针路径,其 轮廓缠绕数 为 1,且不包含任何其他 极点,根据 柯西积分公式,都会得到相同的结果。上图显示了一个合适的 轮廓,用于定义函数的留数,其中极点以黑点表示。

考虑 亚纯 1-形式 的留数更为自然,因为它与坐标的选择无关。在 黎曼曲面 上,亚纯 1-形式 alpha 在点 p 的留数定义为,在点 p 周围的坐标 z 中写作 alpha=fdz。然后

 Res_(p)alpha=Res_(z=p)f.
(3)

intfdz 的留数之和在 黎曼球面 上为零。更一般地,紧 黎曼曲面 上的 亚纯 1-形式 的留数之和必须为零。

函数 f(z) 的留数可以找到,而无需显式展开为 Laurent 级数,方法如下。如果 f(z)极点 mz_0 处有 极点,则对于 n<-ma_(-m)!=0,有 a_n=0。因此,

f(z)=sum_(n=-m)^(infty)a_n(z-z_0)^n
(4)
=sum_(n=0)^(infty)a_(-m+n)(z-z_0)^(-m+n).
(5)

两边乘以 (z-z_0)^m 得到

 (z-z_0)^mf(z)=sum_(n=0)^inftya_(-m+n)(z-z_0)^n.
(6)

取一阶导数并重新索引,

d/(dz)[(z-z_0)^mf(z)]=sum_(n=0)^(infty)na_(-m+n)(z-z_0)^(n-1)
(7)
=sum_(n=1)^(infty)na_(-m+n)(z-z_0)^(n-1)
(8)
=sum_(n=0)^(infty)(n+1)a_(-m+n+1)(z-z_0)^n.
(9)

取二阶导数并重新索引,

(d^2)/(dz^2)[(z-z_0)^mf(z)]=sum_(n=0)^(infty)n(n+1)a_(-m+n+1)(z-z_0)^(n-1)
(10)
=sum_(n=1)^(infty)n(n+1)a_(-m+n+1)(z-z_0)^(n-1)
(11)
=sum_(n=0)^(infty)(n+1)(n+2)a_(-m+n+2)(z-z_0)^n.
(12)

迭代得到

(d^(m-1))/(dz^(m-1))[(z-z_0)^mf(z)]=sum_(n=0)^(infty)(n+1)(n+2)...(n+m-1)a_(n-1)(z-z_0)^n
(13)
=(m-1)!a_(-1)+sum_(n=1)^(infty)(n+1)(n+2)...(n+m-1)a_(n-1)(z-z_0)^n.
(14)

所以

lim_(z->z_0)(d^(m-1))/(dz^(m-1))[(z-z_0)^mf(z)]=lim_(z->z_0)(m-1)!a_(-1)+0
(15)
=(m-1)!a_(-1)
(16)

因为 lim_(z->z_0)(z-z_0)^n=0,所以留数为

 a_(-1)=1/((m-1)!)(d^(m-1))/(dz^(m-1))[(z-z_0)^mf(z)]_(z=z_0).
(17)

全纯函数 在其 极点 的留数表征了函数的大部分结构,例如出现在惊人的 围道积分 留数定理 中。


另请参阅

柯西积分公式, 柯西积分定理, 围道积分, 轮廓缠绕数, Laurent 级数, 亚纯 1-形式, 极点, 留数定理

此条目的部分内容由 Todd Rowland 贡献

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请引用为

Rowland, ToddWeisstein, Eric W. “复残数。” 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/ComplexResidue.html

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