习题课复变函数与积分变换.pptx

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1、1 一、重点与难点重点：重点：难点：难点：留数的计算与留数定理留数定理在定积分计算上的应用第1页/共44页2二、内容提要留数留数计算方法计算方法可去奇点可去奇点孤立奇点孤立奇点极点极点本性奇点本性奇点函数的零点与函数的零点与极点的关系极点的关系对数留数对数留数留数定理留数定理留数在定积留数在定积分上的应用分上的应用 Cdzzf)(计算计算 dxexRdxxfdRaix)(. 3;)(. 2;)cos,(sin. 120 辐角原理辐角原理路西原理路西原理第2页/共44页31）定义定义 如果如果函数函数)(zf0z在在 不解析不解析, 但但)(zf在在0z的某一去心邻域的某一去心邻域 00zz内处

2、处解析内处处解析, 则称则称0z)(zf为为的孤立奇点的孤立奇点.1. 孤立奇点的概念与分类孤立奇点孤立奇点奇点奇点2）孤立奇点的分类孤立奇点的分类依据)(zf在其孤立奇点0z的去心邻域 00zz内的洛朗级数的情况分为三类:i) 可去奇点; ii) 极点; iii) 本性奇点.第3页/共44页4定义定义 如果洛朗级数中不含如果洛朗级数中不含 的负幂项的负幂项, 那末那末0zz 0z)(zf孤立奇点孤立奇点 称为称为 的可去奇点的可去奇点. i) 可去奇点第4页/共44页5ii) 极点极点 01012020)()()()(czzczzczzczfmm 0, 1 mcm )(01zzc, )()(

3、1)(0zgzzzfm 0zz 定义定义 如果洛朗级数中只有有限多个如果洛朗级数中只有有限多个的10)( zz,)(0mzz 负幂项负幂项, 其中关于其中关于的最高幂为的最高幂为即即级极点级极点.0z)(zfm那末孤立奇点那末孤立奇点称为函数称为函数的的或写成或写成第5页/共44页6极点的判定方法极点的判定方法0z在点 的某去心邻域内mzzzgzf)()()(0 其中 在 的邻域内解析, 且 )(zg0z. 0)(0 zg)(zf的负幂项为有0zz 的洛朗展开式中含有限项.(a) 由定义判别由定义判别(b) 由定义的等价形式判别由定义的等价形式判别(c) 利用极限利用极限 )(lim0zfzz

4、判断判断 .第6页/共44页7如果洛朗级数中含有无穷多个如果洛朗级数中含有无穷多个0zz 那末孤立奇点那末孤立奇点0z称为称为)(zf的本性奇点的本性奇点.的负幂项的负幂项,注意注意: 在本性奇点的邻域内)(lim0zfzz不存在且不为. iii) )本性奇点第7页/共44页8i) 零点的定义零点的定义 不恒等于零的解析函数不恒等于零的解析函数)(zf如果如果能表示成能表示成),()()(0zzzzfm )(z 0z其中其中在在, 0)(0 z解析且解析且m为某一正整数为某一正整数, 那末那末0z称为称为)(zf的的 m 级零点级零点. 3)函数的零点与极点的关系ii)零点与极点的关系零点与极

5、点的关系如果如果0z是是)(zf的的 m 级极点级极点, 那末那末0z就是就是)(1zf的的 m 级零点级零点. 反过来也成立反过来也成立.第8页/共44页9 2. 留数记作记作.),(Res0zzf域域内内的的洛洛朗朗级级数数中中负负.)(101的系数的系数幂项幂项 zzc为中心的圆环为中心的圆环在在即即0)(zzf定义定义 如果如果)(0zfz 为函数为函数的一个孤立奇点的一个孤立奇点, 则沿则沿Rzzz 000的的某某个个去去心心邻邻域域在在内包含内包含0z的的任意一条简单闭曲线任意一条简单闭曲线 C 的积分的积分 Czzfd)(的值除的值除i 2后所得的数称为后所得的数称为.)(0的留

6、数的留数在在zzf以以第9页/共44页101)留数定理留数定理 设函数设函数)(zf在区域在区域 D内除有限个孤内除有限个孤nzzz,21外处处解析外处处解析, C 是是 D内包围诸奇内包围诸奇点的一条正向简单闭曲线点的一条正向简单闭曲线, 那末那末 nkkCzzfizzf1),(Res2d )(立奇点立奇点留数定理将沿封闭曲线C积分转化为求被积函数在C内各孤立奇点处的留数.第10页/共44页11(1) 如果0z为)(zf的可去奇点, 则. 0),(Res0 zzf)()(lim),(Res0000zzfzzzzfzz 如果 为 的一级极点, 那末0z)(zf a) (2) 如果0z为的本性奇

7、点, 则需将成洛朗级数求1 c)(zf)(zf展开(3) 如果0z为的极点, 则有如下计算规则)(zf2)留数的计算方法第11页/共44页12 c) 设,)()()(zQzPzf )(zP及)(zQ在0z如果,0)(,0)(,0)(000 zQzQzP那末0z为一级极点, 且有都解析，.)()(),(Res000zQzPzzf 如果 为 的 级极点, 那末0z)(zfm)()(ddlim)!1(1),(Res01100zfzzzmzzfmmmzz b)第12页/共44页13.),(Res1 Czf也可定义为也可定义为 Czzfid)(21记作记作 Czzfizfd)(21),(Res1.定义定

8、义 设函数设函数)(zf在圆环域在圆环域 z0内解析内解析C为圆环域内绕原点的任何一条正向简单闭曲线为圆环域内绕原点的任何一条正向简单闭曲线那末积分那末积分值为值为)(zf在在 的留数的留数.的值与的值与C无关无关 , 则称此定则称此定 Czzfid)(21 3)无穷远点的留数第13页/共44页14如果函数如果函数)(zf在扩充复平面内只有有限个在扩充复平面内只有有限个孤立奇点孤立奇点, 那末那末在所有各奇点在所有各奇点 (包括包括 点点) 的留数的总和必等于零的留数的总和必等于零.)(zf 定理第14页/共44页153. 留数在定积分计算上的应用，令令 iez )(21sin iieei ,

9、212izz )(21cos iiee zz212 20d)sin,(cos RI1）三角函数有理式的积分）三角函数有理式的积分当 历经变程时, z 沿单位圆周1 z的正方向绕行一周.第15页/共44页16izzizzzzRIzd21,21122 zzfzd )(1 . ),(Res21 nkkzzfi.)(1), 2 , 1(的孤立奇点的孤立奇点内的内的为包含在单位圆周为包含在单位圆周其中其中zfznkzk 第16页/共44页17则则为偶函数为偶函数如果如果,)(xR nkkzzRixxR10.),(Resd)(则则次多项式次多项式为为次多项式次多项式为为设设, 2,)(,)(, )()()

10、( nmmzQnzPzQzPzR nkkzzRiI1.),(Res2.)(), 2 , 1(在上半平面内的极点在上半平面内的极点为为其中其中zRnkzk .)(,)(.d)(没有孤立奇点没有孤立奇点在实轴上在实轴上且且数高两次数高两次的次数至少比分子的次的次数至少比分子的次分母分母的有理函数的有理函数是是其中其中zRxxRxxRI 2）无穷积分第17页/共44页18则则在实轴上没有孤立奇点在实轴上没有孤立奇点且且的次数高一次的次数高一次分母的次数至少比分子分母的次数至少比分子函数函数的有理的有理是是其中其中,)(,)(),0(d)(zRxxRaxexRIaix nkkaixaixzezRixe

11、xR1,)(Res2d)(.)(), 2 , 1(在上半平面内的极点在上半平面内的极点为为其中其中zRnkzk 3）混合型无穷积分）混合型无穷积分第18页/共44页19,2d1cos02mexxmx , 0d1sin2 xxmx).10(sind1,2dsin0 aaxeexxxxax 特别地特别地第19页/共44页20 4.4.对数留数定义定义具有下列形式的积分具有下列形式的积分: Czzfzfid)()(21.)(的对数留数的对数留数关于曲线关于曲线称为称为Czf,)(上解析且不为零上解析且不为零在简单闭曲线在简单闭曲线如果如果Czf,以外也处处解析以外也处处解析的内部除去有限个极点的内部

12、除去有限个极点在在C那那么么.d)()(21PNzzfzfiC 内零点的总个数内零点的总个数, P为为 f(z)在在C内极点的总个数内极点的总个数.其中其中, N为为 f(z)在在C且且C取正向取正向. 第20页/共44页21如果如果 f(z)在简单闭曲线在简单闭曲线C上与上与C内解析内解析, 且在且在C上不等于零上不等于零, 那么那么 f(z)在在C内零点的个数等于等于 21乘以当乘以当z沿沿C的正向绕行一周的正向绕行一周 f(z)的辐角的改变量的辐角的改变量. 辐角原理 路西定理路西定理,)()(内解析内解析上和上和在简单闭曲线在简单闭曲线与与设设CCzgzf与与内内那么在那么在上满足条件

13、上满足条件且在且在)(, )()(zfCzgzfC .)()(的的零零点点的的个个数数相相同同zgzf 第21页/共44页22三、典型例题.,)(判别类型判别类型并并在扩充复平面上的奇点在扩充复平面上的奇点求下列函数求下列函数zf例1例1;)2(;sin)1(1tan3zezzz 解解:0)()1(内的洛朗展式为内的洛朗展式为在在由于由于 zzf zzzzzzzzzzf!7! 5! 31sin)(75333 ! 9!7! 5! 31642zzz.)(,)(0的本性奇点的本性奇点是是的可去奇点的可去奇点是是得得zfzzfz 第22页/共44页23;)2(1tanze解解,1tanzw 令令, 0

14、1cos z由由,1tan 的一级极点的一级极点为为zw 又又且为本性奇点且为本性奇点仅有唯一的奇点仅有唯一的奇点而而, zew zkzz1tanlim), 1, 0(211 kkzk得得.)(wezf 则则第23页/共44页24), 1, 0(211 kkzk所以所以.)(的本性奇点的本性奇点都是都是zf因为因为时时当当, zzzzezf1tanlim)(lim .)(的可去奇点的可去奇点是是故知故知zfz ,1 第24页/共44页25例例2 2 求函数 的奇点，并确定类型.322)1()1(sin)5()( zzzzzzf解解110 z,z,z是奇点. zzzzzzzfsin)1()1(5

15、1)(32因为因为),(1zgz 是单极点；是单极点；所以所以0 z1 z是二级极点;1 z是三级极点.第25页/共44页26例例3 3 证明 是 的六级极点.0 z)1(1)(33 zezzf.)1(1)(033的六级极点的六级极点是是所以所以 zezzfz的六级零点，的六级零点，是是因为因为)1()(1033 zezzfz证证)1()(133 zezzf ! 3! 21296zzz,1! 2)(12333 zzz第26页/共44页27例例4 4 求下列各函数在有限奇点处的留数.,11sin)1( z,1sin)2(2zz,sin1)3(zz.coshsinh)4(zz解解(1)在 内, 1

16、0z,)1( ! 311111sin3 zzz11 ,)1sin(1Res Cz所以所以. 1 第27页/共44页28,! 5! 3sin53 zzzz因为因为内，内，所以在所以在 z0 5322! 51! 3111sinzzzzzz 3! 51! 31zzz120 ,1sinRes Czz故故.61 解解zz1sin)2(2第28页/共44页29zzsin1)3(解解), 2, 1, 0( nnz为奇点,0 n当 时 为一级极点， nzznznzsin1)(lim 因为因为)sin()1(limnzznznnz ,1) 1(nn zzzfzzzsinlim)(lim020 由由.0是二级极点

17、是二级极点知知 z, 1 第29页/共44页30,1)1(,sin1Resnnzzn 所以所以 zzzzzzzsin1ddlim0 ,sin1Res20zzzzz20sincossinlim . 0 第30页/共44页31zzzfcoshsinh)()4( 解解的一级极点为)(zf , 2, 1, 02 kikzkkzzkzzzzf )(coshsinh),(Res故故kzzzz sinhsinh. 1 第31页/共44页32例例5 5 计算积分.d)()sin(28zizzizz 为一级极点， 为七级极点.0 ziz )(lim0),(Res0zzfzfz 80)()sin(limizizz

18、 ;sini iizizizzf )(1)()sin()(8iiziiziz 11)()sin(8 22357)(1)(11)( ! 71)( ! 51)( ! 31)(1iziiziiiziziziz解解第32页/共44页33 izi1! 11! 31! 51! 71 ! 71! 51! 311),(Resiizf所以所以由留数定理得 ),(Res0),(Res2d)()sin(28izfzfizizzizz .!71! 51! 311sin2 iii第33页/共44页34例例6 6 .d)1()5(3243213zzzzz 解解248326131151)( zzzzzzf243211151

19、11 zzz28434211125511 zzzzz在 内, z3第34页/共44页35)1(2d)1()5(3243213 izzzzz故故.2 i 1),(Res Czf所所以以, 1 42211511zzz,1 z第35页/共44页36 51255),(Res2d)1)(3(1kkzzzfizzz解解例例7 7 计算 .d)1)(3(1255zzzz ),(Res3),(Res),(Res51 zfzfzzfkk)1)(3(1)3(lim3),(Res53 zzzzfz,2421 第36页/共44页37 55511311) 1)(3(1zzzzzz,1131156 zzz, 0),(Re

20、s zf所所以以 51255),(Res2d)1)(3(1kkzzzfizzz24212 i.121i 第37页/共44页38例例8 8 计算. )0(sind02 axax解解 00222cos1dsindxaxxax 022cos1)2d(21xax,2tx 令 20022cos1d21sindtatxax第38页/共44页39, 1, 1) 12(12121 zaaz1, 1) 12(12222 zaaz极点为：)1) 12(12(),(Res22sind202 aazfiixax.1) 12 (22 a,1)12(2d212 zzazziizzzzazd22)1(112112 第39页

21、/共44页40例例9 计算积分.)cos32(d202 xx解解 122202d21321)cos32(dzizzzzxx,134d34122 zzzzzi极点为, 3,3121 zz其中; 1, 121 zz由留数定理，有第40页/共44页4122202)(ddlim234)cos32(d1zzzziixxzz 42222)()(2)(lim381zzzzzzzzz 32121)()(38zzzz 3323438 .4 第41页/共44页42例例1010 计算积分.d1042xxx 解解xxxxxxd121d142042 在实轴上解析，在实轴上解析，因为因为)1()(42 zzzR在上半平面内有一级极点.,43241iiezez xxxxxxd121d142042 所以所以 ),(Res221kzzRi第42页/共44页43).1(82i )1(82)1(8222d1042iiixxx故故.42 42441lim),(Res4zzezezRiezii ),1(82i 4243431lim),(Res43zzezezRiezii 放映结束，按放映结束，按EscEsc退出退出. .第43页/共44页44感谢您的观看！第44页/共44页