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轮廓积分


轮廓积分是在复平面内,沿着给定轮廓计算轮廓积分值的过程。由于全纯函数的一个非常神奇的性质,这些积分可以很容易地通过简单地求和轮廓内部复残数的值来计算。

ContourIntegral

P(x)Q(x)多项式,其多项式次数分别为 nm系数分别为 b_n, ..., b_0c_m, ..., c_0。取轮廓上半平面,将 x 替换为 z,并写成 z=Re^(itheta)。然后

 int_(-infty)^infty(P(z)dz)/(Q(z))=lim_(R->infty)int_(-R)^R(P(z)dz)/(Q(z)).
(1)

定义一条路径 gamma_R,它沿着轴从 -RR 直线,并做一个半圆弧连接复平面上半部分的两个端点。留数定理给出

lim_(R->infty)int_(gamma_R)(P(z)dz)/(Q(z))=lim_(R->infty)int_(-R)^R(P(z)dz)/(Q(z))
(2)
=lim_(R->infty)int_0^pi(P(Re^(itheta)))/(Q(Re^(itheta)))iRe^(itheta)dtheta
(3)
=2piisum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))],
(4)

其中 Res[z] 表示复残数。解得,

 lim_(R->infty)int_(-R)^R(P(z)dz)/(Q(z))=2piisum_(I[z]>0)Res(P(z))/(Q(z))-lim_(R->infty)int_0^pi(P(Re^(itheta)))/(Q(Re^(itheta)))iRe^(itheta)dtheta.
(5)

定义

I_R=lim_(R->infty)int_0^pi(P(Re^(itheta)))/(Q(Re^(itheta)))iRe^(itheta)dtheta
(6)
=lim_(R->infty)int_0^pi(b_n(Re^(itheta))^n+b_(n-1)(Re^(itheta))^(n-1)+...+b_0)/(c_m(Re^(itheta))^m+c_(m-1)(Re^(itheta))^(m-1)+...+c_0)iRdtheta
(7)
=lim_(R->infty)int_0^pi(b_n)/(c_m)(Re^(itheta))^(n-m)iRdtheta
(8)
=lim_(R->infty)int_0^pi(b_n)/(c_m)R^(n+1-m)i(e^(itheta))^(n-m)dtheta
(9)

并设

 epsilon=-(n+1-m),
(10)

那么方程 (9) 变为

 I_R=lim_(R->infty)i/(R^epsilon)(b_n)/(c_m)int_0^pie^(i(n-m)theta)dtheta.
(11)

现在,

 lim_(R->infty)R^(-epsilon)=0
(12)

对于 epsilon>0。这意味着对于 -n-1+m>=1,或 m>=n+2I_R=0,所以

 int_(-infty)^infty(P(z)dz)/(Q(z))=2piisum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))]
(13)

对于 m>=n+2。应用 若尔当引理,其中 f(x)=P(x)/Q(x)。我们必须有

 lim_(x->infty)f(x)=0,
(14)

所以我们要求 m>=n+1

那么

 int_(-infty)^infty(P(z))/(Q(z))e^(iaz)dz=2piisum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))e^(iaz)]
(15)

对于 m>=n+1a>0。由于这必须分别对实部虚部成立,因此这个结果可以推广到

 int_(-infty)^infty(P(x))/(Q(x))cos(ax)dx=2piR{sum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))e^(iaz)]}
(16)
 int_(-infty)^infty(P(x))/(Q(x))sin(ax)dx=2piI{sum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))e^(iaz)]}.
(17)

另请参阅

柯西积分公式, 柯西积分定理, 轮廓, 轮廓积分, 复残数, 内外定理, 若尔当引理, 正弦积分

使用 探索

参考文献

Arfken, G. 物理学家数学方法,第 3 版。 Orlando, FL: Academic Press, pp. 406-409, 1985.Krantz, S. G. "应用于定积分和求和的计算。" §4.5 in 复变量手册。 Boston, MA: Birkhäuser, pp. 51-63, 1999.Morse, P. M. and Feshbach, H. 理论物理方法,第一部分。 New York: McGraw-Hill, pp. 353-356, 1953.Whittaker, E. T. and Watson, G. N. "在极限 -infty+infty 之间取的某些类型的积分的评估","涉及正弦和余弦的某些无穷积分" 和 "若尔当引理"。 §6.22-6.222 in 现代分析教程,第 4 版。 Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 113-117, 1990.

在 中被引用

轮廓积分

请引用为

Weisstein, Eric W. "轮廓积分。" 来自 Web 资源。 https://mathworld.net.cn/ContourIntegration.html

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