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复变函数-CH30-复变函数的积分

复变函数-CH30-复变函数的积分,待补充摘要。

June 13, 2026 修考 13 min read
Cf(z)dz=C(udxvdy)+iC(vdx+udy)\boxed{ \int_C f(z)\,dz = \int_C (u\,dx-v\,dy) + i\int_C (v\,dx+u\,dy) } Cf(z)dz=abf(z(t))z(t)dt\int_C f(z)\,dz = \int_a^b f(z(t))\,z'(t)\,dt

复变函数的积分 (Integration of Complex Functions)

在复变函数理论中,积分不仅是核心的计算工具,更是连接“微分”(解析性)与“级数展开”(留数理论)的桥梁。本章我们将从复变积分的基本定义出发,掌握两大核心计算方法,并通过经典例题深入探讨“积分与路径的关系”。

一、 复变积分的基本定义

复变函数的积分是定义在有向、简单光滑(或分段光滑)曲线上的。

1. 核心概念直观理解

为了在计算时少走弯路,我们需要直观理解以下几个关于积分路径 CC 的核心概念:

  • 有向曲线(Oriented Curve):复积分的方向至关重要。设曲线参数方程为 z=z(t)z = z(t)t[α,β]t \in [\alpha, \beta]),则起点为 z(α)z(\alpha),终点为 z(β)z(\beta)。若方向相反,积分值将相差一个负号。

  • 光滑曲线(Smooth Curve):直观上就是“没有尖点”的曲线。数学上要求参数方程 z(t)=x(t)+iy(t)z(t) = x(t) + i y(t) 在区间上具有连续导数,且 z(t)0z'(t) \neq 0

  • 分段光滑(Piecewise Smooth):由有限段光滑曲线首尾相接而成的曲线(如矩形边界、折线等)。

二、 计算复变函数积分的两大基本方法

设复变函数 f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z) = u(x,y) + i v(x,y) 定义在有向光滑曲线 CC 上。如何将其转化为我们熟悉的实函数积分?主要有两种方法:

方法 1:化为实第二类平面曲线积分法(代数拆分)

利用复数的代数形式 z=x+iy    dz=dx+idyz = x + iy \implies dz = dx + i\,dy,直接带入积分式中展开:

Cf(z)dz=C(u+iv)(dx+idy)\int_{C} f(z)\,dz = \int_{C} (u + iv)(dx + i\,dy)

利用复数乘法展开并合并实虚部,即可得到:

Cf(z)dz=C(udxvdy)+iC(vdx+udy)\int_{C} f(z)\,dz = \int_{C} (u\,dx - v\,dy) + i \int_{C} (v\,dx + u\,dy)

注意: 这里的实部和虚部均对应高等数学中的平面第二类曲线积分。特别注意实部中是减号(vdy- v\,dy)。

方法 2:参数代换法(最常用、最强万能法)

若已知曲线 CC 的参数方程为 z=z(t)z = z(t)t[α,β]t \in [\alpha, \beta],起点为 α\alpha,终点为 β\beta),我们可以直接将 zz 替换为参数 tt

Cf(z)dz=αβf(z(t))z(t)dt\int_{C} f(z)\,dz = \int_{\alpha}^{\beta} f(z(t)) z'(t)\,dt

教学小贴士: 在实际解题中, 如果路径是圆弧,通常采用极坐标/指数参数 z=Reiθz = R e^{i\theta}; 如果路径是直线段,通常采用直角坐标参数 z=x+iyz = x + i y(令 x=tx=ty=ty=t)。

三、 典型例题解析与补充

为了让大家彻底吃透这两种方法,我们来看以下三个经典例题。

【补充例题】演示方法 1(第二类曲线积分法)

题目:计算积分 I=CzˉdzI = \int_{C} \bar{z}\,dz,其中 CC 是从原点 00 到点 1+i1+i 的直线段。

解析

  1. 写出实虚部f(z)=zˉ=xiy    u=x,  v=yf(z) = \bar{z} = x - iy \implies u = x, \; v = -y

  2. 带入方法 1 公式

    Czˉdz=C(xdx(y)dy)+iC((y)dx+xdy)=C(xdx+ydy)+iC(ydx+xdy)\int_{C} \bar{z}\,dz = \int_{C} (x\,dx - (-y)\,dy) + i \int_{C} ((-y)\,dx + x\,dy) = \int_{C} (x\,dx + y\,dy) + i \int_{C} (-y\,dx + x\,dy)

  3. 参数化路径:从 001+i1+i 的直线方程为 y=xy = x,其中 xx00 变到 11。此时 dy=dxdy = dx

  4. 代入化简计算

    I=01(xdx+xdx)+i01(xdx+xdx)=012xdx+i010dxI = \int_{0}^{1} (x\,dx + x\,dx) + i \int_{0}^{1} (-x\,dx + x\,dx) = \int_{0}^{1} 2x\,dx + i \int_{0}^{1} 0\,dx

    I=[x2]01=1I = \left[ x^2 \right]_0^1 = 1

【手写例 1】圆弧路径下的参数积分法

题目:计算积分 I=C1zdzI = \int_{C} \frac{1}{\sqrt{z}}\,dz

背景补充说明:由于被积函数含根号,属于多值函数。在此我们约定取主值分支(即取 π<argzπ-\pi < \arg z \le \piz=reiθ2\sqrt{z} = \sqrt{r}e^{i\frac{\theta}{2}},从而 1z=z1/2=eiθ2\frac{1}{\sqrt{z}} = z^{-1/2} = e^{-i\frac{\theta}{2}})。

① 情况一:C1C_1 为自起点 11 到终点 1-1 的单位圆上半圆周

  • 路径参数化: 在单位圆上,r=1r = 1,参数方程为 z=eiθz = e^{i\theta}。 由于起点为 11(对应 θ=0\theta = 0),终点为 1-1(对应 θ=π\theta = \pi),故参数范围为 θ[0,π]\theta \in [0, \pi]。 微元:dz=ieiθdθdz = i e^{i\theta} d\theta

  • 代入计算

    I1=0πeiθ2(ieiθ)dθ=i0πeiθ2dθI_1 = \int_{0}^{\pi} e^{-i\frac{\theta}{2}} \cdot \left( i e^{i\theta} \right) d\theta = i \int_{0}^{\pi} e^{i\frac{\theta}{2}} d\theta

    根据求导公式 (eaθ)=aeaθ\left( e^{a\theta} \right)' = a e^{a\theta},积分时需要除以系数 i/2i/2

    I1=i[eiθ2i2]0π=2(eiπ2e0)I_1 = i \cdot \left[ \frac{e^{i\frac{\theta}{2}}}{\frac{i}{2}} \right]_{0}^{\pi} = 2 \left( e^{i\frac{\pi}{2}} - e^0 \right)

    因为 eiπ2=cosπ2+isinπ2=ie^{i\frac{\pi}{2}} = \cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2} = i,且 e0=1e^0 = 1

    I1=2(i1)=2+2iI_1 = 2(i - 1) = -2 + 2i

② 情况二:C2C_2 为自起点 11 到终点 1-1 的单位圆下半圆周

  • 路径参数化: 下半圆是从 11i-i1-1。 在主值分支下,辐角范围需落在 (π,π](-\pi, \pi]。 因此自起点 11(对应 θ=0\theta = 0)到终点 1-1(对应下极限 θ=π\theta = -\pi)。 为了计算方便,我们可设 θ=t\theta = -tt[0,π]t \in [0, \pi]),即 z=eitz = e^{-it}。 微元:dz=ieitdtdz = -i e^{-it} dt。 被积函数:z1/2=(eit)1/2=eit2z^{-1/2} = (e^{-it})^{-1/2} = e^{i\frac{t}{2}}

  • 代入计算

    I2=0πeit2(ieit)dt=i0πeit2dtI_2 = \int_{0}^{\pi} e^{i\frac{t}{2}} \cdot \left( -i e^{-it} \right) dt = -i \int_{0}^{\pi} e^{-i\frac{t}{2}} dt

    I2=i[eit2i2]0π=2(eiπ2e0)I_2 = -i \cdot \left[ \frac{e^{-i\frac{t}{2}}}{-\frac{i}{2}} \right]_{0}^{\pi} = 2 \left( e^{-i\frac{\pi}{2}} - e^0 \right)

    因为 eiπ2=ie^{-i\frac{\pi}{2}} = -i

    I2=2(i1)=22iI_2 = 2(-i - 1) = -2 - 2i

关键思考:为什么起点和终点完全相同的两条路径(C1C_1C2C_2),积分结果却截然不同? 这是因为被积函数 1z\frac{1}{\sqrt{z}} 在原点 z=0z=0 处有奇点(且是多值函数的分支点),积分路径绕过了奇点,所以积分与路径有关。

【手写例 2】折线路径下的参数积分与基本性质

在进行本题计算之前,我们需要先明确复变积分的三大基本性质

📌 补充:复变积分的基本性质

  1. 线性性质

    C[af(z)+bg(z)]dz=aCf(z)dz+bCg(z)dz\int_{C} [a f(z) + b g(z)]\,dz = a \int_{C} f(z)\,dz + b \int_{C} g(z)\,dz

  2. 方向性: 设 CC^-CC 的反向曲线:

    Cf(z)dz=Cf(z)dz\int_{C^-} f(z)\,dz = -\int_{C} f(z)\,dz

  3. 路径可加性(首尾相接): 若曲线 CC 可以拆分为两段首尾相接的曲线 C1C_1C2C_2,则:

    Cf(z)dz=C1f(z)dz+C2f(z)dz\int_{C} f(z)\,dz = \int_{C_1} f(z)\,dz + \int_{C_2} f(z)\,dz

题目:计算积分 I=CRe(z)dzI = \int_{C} \operatorname{Re}(z)\,dz,起点为 00,终点为 1+i1+i

① 路径一:CC 为直达的直线段(从 01+i0 \to 1+i

  • 路径参数化: 直线方程为 y=xy = x,令参数 x=t,y=t    z(t)=t+it=(1+i)tx = t, y = t \implies z(t) = t + it = (1+i)t。 由于起点是 00,终点是 1+i1+i,因此 t[0,1]t \in [0, 1]。 求导:z(t)=1+iz'(t) = 1 + i。 被积函数实部:Re(z)=Re((1+i)t)=t\operatorname{Re}(z) = \operatorname{Re}((1+i)t) = t

  • 代入计算

    I=01t(1+i)dt=(1+i)01tdtI_{\text{直}} = \int_{0}^{1} t \cdot (1+i)\,dt = (1+i) \int_{0}^{1} t\,dt

    I=(1+i)[12t2]01=1+i2=12+12iI_{\text{直}} = (1+i) \left[ \frac{1}{2}t^2 \right]_{0}^{1} = \frac{1+i}{2} = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}i

② 路径二:CC 为折线(从 011+i0 \to 1 \to 1+i

根据路径可加性,我们可以把折线拆分为水平段 C1C_1 和垂直段 C2C_2

1. 水平段 C1C_1(从 010 \to 1
  • 参数化y=0,x=t    z(t)=ty = 0, x = t \implies z(t) = t,其中 t[0,1]t \in [0, 1]

  • 求导与实部z(t)=1z'(t) = 1Re(z)=t\operatorname{Re}(z) = t

  • 计算

    C1Re(z)dz=01t1dt=12\int_{C_1} \operatorname{Re}(z)\,dz = \int_{0}^{1} t \cdot 1\,dt = \frac{1}{2}

2. 垂直段 C2C_2(从 11+i1 \to 1+i
  • 参数化x=1,y=t    z(t)=1+itx = 1, y = t \implies z(t) = 1 + it,其中 t[0,1]t \in [0, 1]

  • 求导与实部z(t)=iz'(t) = iRe(z)=1\operatorname{Re}(z) = 1

  • 计算

    C2Re(z)dz=011idt=i\int_{C_2} \operatorname{Re}(z)\,dz = \int_{0}^{1} 1 \cdot i\,dt = i

3. 合并总积分:

I=C1Re(z)dz+C2Re(z)dz=12+iI_{\text{折}} = \int_{C_1} \operatorname{Re}(z)\,dz + \int_{C_2} \operatorname{Re}(z)\,dz = \frac{1}{2} + i

四、 总结与承上启下(核心启发)

对比【手写例 2】中两条路径的积分结果:

  • 沿直线I=12+12iI_{\text{直}} = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}i

  • 沿折线I=12+iI_{\text{折}} = \frac{1}{2} + i

💡 重要结论

复变函数的积分,在一般情况下是与路径有关的! 哪怕起点和终点完全一致,只要路径不同,积分结果就可能不同。

🔍 课后思考与后续预习

既然大部分时候积分与路径有关,那在什么情况下,复变函数的积分才会与路径无关呢?

这直接引出了我们下一章的核心定理——柯西-古萨(Cauchy-Goursat)基本定理复变函数-CH31-柯西古萨定理

如果函数 f(z)f(z) 在单连通区域 DD解析(即处处可导,不含奇点),那么 f(z)f(z) 沿 DD 内任意一条闭曲线的积分都等于 00。此时,其在该区域内的积分只与起点和终点有关,而与路径无关

这就是为什么 Re(z)\operatorname{Re}(z) 积分与路径有关(因为实部函数 Re(z)=x\operatorname{Re}(z) = x 在整个复平面上都不满足柯西-黎曼方程,是非解析的),而未来我们学到解析函数(如 ez,z2e^z, z^2 等)时,积分就可以直接套用牛顿-莱布尼茨公式而无需考虑具体路径了。