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复变函数-CH32-复合闭路定理

复变函数-CH32-复合闭路定理,待补充摘要。

June 13, 2026 修考 17 min read

复变函数精细笔记:复合闭路定理与柯西积分定理

本笔记旨在完整梳理复变函数积分理论中,从单连通区域的柯西-古萨定理过渡到多连通区域的复合闭路定理的逻辑链条,并对典型例题进行详尽推导与方法总结。

目录

  1. 温故知新:柯西-古萨(Cauchy-Goursat)定理

  2. 承前启后:为什么需要复合闭路定理?

  3. 核心定理:复合闭路定理(Composite Closed Loop Theorem)

  4. 基石积分:∮Cdz(z−z0)n\oint_C \frac{dz}{(z-z_0)^n} 的计算与结论(极重要)

  5. 方法应用:经典例题与技巧解析

1. 温故知新:柯西-古萨(Cauchy-Goursat)定理

1.1 定理内容

设区域 DD 是一个单连通区域。如果函数 f(z)f(z) 在 DD 内解析,且在 DD 的边界——简单闭曲线 CC(光滑或逐段光滑)上连续,则 f(z)f(z) 沿 CC 的正向积分值为 0:

∮Cf(z)dz=0\oint_C f(z) dz = 0

关键条件解读:

  1. 单连通域:通俗来说就是“无洞”的区域。

  2. 内部及边界均解析:闭路 CC 及其内部不能含有任何奇点(不解析的点)。

  3. 快速判断解析性的标准:通常看分母是否为零、是否存在无意义的分式或负指数幂等。若无上述情况且是由初等函数组成,则全平面解析。

1.2 经典例题解析

例 1:计算积分 I1=∮∣z∣=13z+5z2+2z+4dzI_1 = \oint_{|z|=1} \frac{3z+5}{z^2+2z+4} dz

  • 分析:寻找被积函数的奇点(即分母为零的点)。 令分母 z2+2z+4=0z^2+2z+4 = 0,解得:

    (z+1)2=−3  ⟹  z1,2=−1±3i(z+1)^2 = -3 \implies z_{1,2} = -1 \pm \sqrt{3}i

  • 奇点位置判定: 积分区域为单位圆 C:∣z∣=1C: |z| = 1。 计算奇点到原点的距离(模长):

    ∣z1,2∣=(−1)2+(±3)2=1+3=2|z_{1,2}| = \sqrt{(-1)^2 + (\pm \sqrt{3})^2} = \sqrt{1+3} = 2

    因为 2>12 > 1,所以两个奇点 z1,z2z_1, z_2 均在积分路径 CC 的外部。

  • 结论:被积函数在整个圆盘 ∣z∣≤1|z| \le 1 上解析。由柯西-古萨定理得:

    I1=0I_1 = 0

例 2:计算积分 I2=∮∣z∣=2ez(z2+1)dzI_2 = \oint_{|z|=2} e^z(z^2+1) dz

  • 分析:被积函数 f(z)=ez(z2+1)f(z) = e^z(z^2+1) 是由指数函数和多项式函数构成的乘积。

  • 奇点位置判定:该函数在整个复平面 C\mathbb{C} 上都无任何不解析的点(即在全平面解析)。

  • 结论:显然在 ∣z∣≤2|z| \le 2 上解析,由柯西-古萨定理得:

    I2=0I_2 = 0

例 3:计算积分 I3=∮∣z∣=1ezcos⁡zdzI_3 = \oint_{|z|=1} \frac{e^z}{\cos z} dz

  • 分析:寻找分母为零的点,即 cos⁡z=0\cos z = 0。 解得奇点为:

    zk=π2+kπ(k∈Z)z_k = \frac{\pi}{2} + k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})

  • 奇点位置判定: 离原点最近的奇点为 z0=π2≈1.57z_0 = \frac{\pi}{2} \approx 1.57。 因为 1.57>11.57 > 1,所有的奇点均在单位圆 ∣z∣=1|z|=1 之外。

  • 结论:被积函数在闭区域 ∣z∣≤1|z| \le 1 上解析,由柯西-古萨定理得:

    I3=0I_3 = 0

例 4:计算积分 I4=∮∣z∣=12dz(z2−1)(z3−1)I_4 = \oint_{|z|=\frac{1}{2}} \frac{dz}{(z^2-1)(z^3-1)}

  • 分析:寻找奇点。 令分母 (z2−1)(z3−1)=0(z^2-1)(z^3-1) = 0:

    1. 由 z2−1=0  ⟹  z=±1z^2-1=0 \implies z = \pm 1。

    2. 由 z3−1=0  ⟹  z=1,−12±32iz^3-1=0 \implies z = 1, -\frac{1}{2} \pm \frac{\sqrt{3}}{2}i。

  • 奇点位置判定: 积分区域为半径为 12\frac{1}{2} 的圆。

    • 奇点 z=±1z = \pm 1 的模长均为 1>121 > \frac{1}{2}。

    • 奇点 z=−12±32iz = -\frac{1}{2} \pm \frac{\sqrt{3}}{2}i 的模长为 14+34=1>12\sqrt{\frac{1}{4} + \frac{3}{4}} = 1 > \frac{1}{2}。 因此,所有的奇点都在 ∣z∣=12|z|=\frac{1}{2} 的外部。

  • 结论:被积函数在积分闭路内解析,由柯西-古萨定理得:

    I4=0I_4 = 0

2. 承前启后:为什么需要复合闭路定理?

如果我们把 例 1 中的积分区域由 ∣z∣=1|z|=1 扩大到 ∣z∣=4|z|=4:

∮∣z∣=43z+5z2+2z+4dz\oint_{|z|=4} \frac{3z+5}{z^2+2z+4} dz

此时,两个奇点 z1,2=−1±3iz_{1,2} = -1 \pm \sqrt{3}i(模长为 22)就落在了积分区域的内部。

由于积分区域内含有了“坏点”(非解析点),被积函数在 ∣z∣≤4|z| \le 4 内不再处处解析,柯西-古萨定理失效,积分值不再等于 0。

为了解决这种“区域内有洞/奇点”的积分计算问题,我们需要将单连通域的定理推广到多连通域,这就是复合闭路定理的由来。它的基本思想是:通过“扣洞”把不解析的奇点隔离出去,只在解析的区域内进行积分转换。

3. 核心定理:复合闭路定理

3.1 定理表述

设有一条简单闭曲线 CC(外回路),以及 CC 内部的若干条互不相交且不包含的简单闭曲线 C1,C2,…,CnC_1, C_2, \dots, C_n(内回路)。 如果函数 f(z)f(z) 在由 CC 与所有 CkC_k 所围成的多连通区域内解析,且在各边界曲线上连续,则:

∮Cf(z)dz=∑k=1n∮Ckf(z)dz\oint_C f(z) dz = \sum_{k=1}^n \oint_{C_k} f(z) dz

(注意:此处所有的闭回路 CC 和 CkC_k 均取逆时针(正向)旋转)

       C (逆时针)
    .-----------------.
   /   .---.     .---. \
  /   /     \   /     \ \
 |   |  C_1  | |  C_2  | |  <-- 被隔离的奇点在 C_1, C_2 内部
  \   \     /   \     / /
   \   '---'     '---' /
    '-----------------'

3.2 证明思想(剪线法/加反方向抵消)

定义一条复合闭路 Γ\Gamma:

Γ=C+C1−+C2−+⋯+Cn−\Gamma = C + C_1^- + C_2^- + \dots + C_n^-

其中 Ck−C_k^- 代表顺时针方向。为了连接内外边界,我们在区域内引入辅助切线(剪线)。

由于我们在切线上往返积分两次,方向相反,积分值恰好抵消。而在包含切线后的新闭合边界内,函数 f(z)f(z) 是完全解析的(不包含任何奇点)。 由柯西-古萨定理有:

∮Γf(z)dz=0  ⟹  ∮Cf(z)dz+∑k=1n∮Ck−f(z)dz=0\oint_{\Gamma} f(z) dz = 0 \implies \oint_C f(z) dz + \sum_{k=1}^n \oint_{C_k^-} f(z) dz = 0

因为 ∮Ck−f(z)dz=−∮Ckf(z)dz\oint_{C_k^-} f(z) dz = - \oint_{C_k} f(z) dz(顺时针改逆时针需变号),移项即得:

∮Cf(z)dz=∑k=1n∮Ckf(z)dz\oint_C f(z) dz = \sum_{k=1}^n \oint_{C_k} f(z) dz

4. 基石积分:∮Cdz(z−z0)n\oint_C \frac{dz}{(z-z_0)^n} 的计算与结论(极重要)

复合闭路定理最经典、最重要的应用就是计算下述基石积分。该结论是后续学习柯西积分公式与留数定理的根基。

4.1 问题

设 CC 是围绕 z0z_0 的任意一条顺时针方向的简单正向闭曲线,计算:

I=∮Cdz(z−z0)n(n∈Z)I = \oint_C \frac{dz}{(z-z_0)^n} \quad (n \in \mathbb{Z})

4.2 详细推导步骤

  1. 应用复合闭路定理: 由于被积函数仅在 z=z0z = z_0 处不解析,我们可以在 CC 内部作一个以 z0z_0 为圆心,ρ\rho 为半径的微小正向圆周 KK。 根据复合闭路定理,积分路径可以由 CC 转换为 KK:

    I=∮Kdz(z−z0)nI = \oint_K \frac{dz}{(z-z_0)^n}

  2. 引入参数方程表示圆周 KK: 设圆周 KK 的参数方程为:

    z=z0+ρeiθ(θ∈[0,2π])z = z_0 + \rho e^{i\theta} \quad (\theta \in [0, 2\pi])

    对其求导求微分 dzdz:

    dz=(z0+ρeiθ)′dθ=iρeiθdθdz = \left(z_0 + \rho e^{i\theta}\right)' d\theta = i \rho e^{i\theta} d\theta

  3. 代入积分式计算:

    I=∫02πiρeiθdθ(ρeiθ)n=iρ1−n∫02πei(1−n)θdθI = \int_{0}^{2\pi} \frac{i \rho e^{i\theta} d\theta}{(\rho e^{i\theta})^n} = i \rho^{1-n} \int_{0}^{2\pi} e^{i(1-n)\theta} d\theta

  4. 分情况讨论解积分:

    • 情况一:当 n=1n = 1 时

      I=iρ0∫02πe0dθ=i∫02πdθ=2πiI = i \rho^{0} \int_{0}^{2\pi} e^{0} d\theta = i \int_{0}^{2\pi} d\theta = 2\pi i

    • 情况二:当 n≠1n \neq 1 时(此处 nn 为整数)

      I=iρ1−n[ei(1−n)θi(1−n)]02π=ρ1−n1−n(ei2π(1−n)−1)I = i \rho^{1-n} \left[ \frac{e^{i(1-n)\theta}}{i(1-n)} \right]_{0}^{2\pi} = \frac{\rho^{1-n}}{1-n} \left( e^{i 2\pi (1-n)} - 1 \right)

      由于 1−n1-n 为非零整数,根据欧拉公式 ei2πk=1e^{i 2\pi k} = 1(k∈Zk \in \mathbb{Z}),有:

      ei2π(1−n)−1=1−1=0  ⟹  I=0e^{i 2\pi (1-n)} - 1 = 1 - 1 = 0 \implies I = 0

4.3 终极结论

∮Cdz(z−z0)n={2πi,n=10,n≠1(n∈Z)\oint_C \frac{dz}{(z-z_0)^n} = \begin{cases} 2\pi i, & n = 1 \\ 0, & n \neq 1 \quad (n \in \mathbb{Z}) \end{cases}

重要启示:此积分结果与小圆半径 ρ\rho 毫无关系!它说明:

  • 只有当指数分母为 11 次方时,其环路积分才不为零,结果恒为 2πi2\pi i。

  • 其他任何整数阶幂次积分结果均为 00。

5. 方法应用:经典例题与技巧解析

例题 1:计算积分 ∮∣z∣=1zˉdz\oint_{|z|=1} \bar{z} dz(利用共轭转化)

  • 分析:共轭函数 f(z)=zˉf(z) = \bar{z} 在复平面上处处不解析,直接用柯西定理无从下手。但此题积分路径是单位圆 C:∣z∣=1C: |z|=1。

  • 转化技巧: 在单位圆 CC 上,有:

    ∣z∣=1  ⟹  ∣z∣2=z⋅zˉ=1  ⟹  zˉ=1z|z| = 1 \implies |z|^2 = z \cdot \bar{z} = 1 \implies \bar{z} = \frac{1}{z}

  • 计算: 将 zˉ\bar{z} 替换为 1z\frac{1}{z}:

    ∮∣z∣=1zˉdz=∮∣z∣=11zdz\oint_{|z|=1} \bar{z} dz = \oint_{|z|=1} \frac{1}{z} dz

    由基石积分结论(此处 z0=0,n=1z_0 = 0, n = 1),直接可得:

    ∮∣z∣=1zˉdz=2πi\oint_{|z|=1} \bar{z} dz = 2\pi i

知识拓展:若积分路径改为 ∣z∣=R|z|=R

若圆周半径为 RR,则 z⋅zˉ=R2  ⟹  zˉ=R2zz \cdot \bar{z} = R^2 \implies \bar{z} = \frac{R^2}{z}。 此时积分值为:

∮∣z∣=Rzˉdz=∮∣z∣=RR2zdz=R2∮∣z∣=R1zdz=R2(2πi)=2πR2i\oint_{|z|=R} \bar{z} dz = \oint_{|z|=R} \frac{R^2}{z} dz = R^2 \oint_{|z|=R} \frac{1}{z} dz = R^2 (2\pi i) = 2\pi R^2 i

例题 2:计算积分 ∮∣z∣=2dzz2−z\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z^2-z}(部分分式展开 + 复合闭路)

  • 分析: 被积函数 f(z)=1z2−z=1z(z−1)f(z) = \frac{1}{z^2-z} = \frac{1}{z(z-1)},奇点为 z=0z=0 和 z=1z=1。 积分闭路 C:∣z∣=2C: |z|=2 包含了这两个奇点。

  • 解法一:部分分式法(推荐,最直观) 我们将被积函数裂项分解:

    1z(z−1)=1z−1−1z\frac{1}{z(z-1)} = \frac{1}{z-1} - \frac{1}{z}

    代入原积分中,利用积分的线性性质展开:

    ∮∣z∣=2dzz2−z=∮∣z∣=2dzz−1−∮∣z∣=2dzz\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z^2-z} = \oint_{|z|=2} \frac{dz}{z-1} - \oint_{|z|=2} \frac{dz}{z}

    对于 ∮∣z∣=2dzz−1\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z-1},奇点 z0=1z_0=1 在 ∣z∣=2|z|=2 内部,指数 n=1n=1,积分值等于 2πi2\pi i。 对于 ∮∣z∣=2dzz\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z},奇点 z0=0z_0=0 在 ∣z∣=2|z|=2 内部,指数 n=1n=1,积分值等于 2πi2\pi i。

    由此得到:

    ∮∣z∣=2dzz2−z=2πi−2πi=0\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z^2-z} = 2\pi i - 2\pi i = 0

  • 解法二:直接用复合闭路定理隔离奇点 在 ∣z∣=2|z|=2 内部,以 z=0z=0 和 z=1z=1 为圆心分别作互不重叠的正向微小圆周 C1C_1 和 C2C_2。 根据复合闭路定理:

    ∮∣z∣=2dzz(z−1)=∮C1dzz(z−1)+∮C2dzz(z−1)\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z(z-1)} = \oint_{C_1} \frac{dz}{z(z-1)} + \oint_{C_2} \frac{dz}{z(z-1)}

    • 在 C1C_1 内部,z−1z-1 绝不为零,故 1z−1\frac{1}{z-1} 解析;

    • 在 C2C_2 内部,zz 绝不为零,故 1z\frac{1}{z} 解析。 通过留数或后续柯西公式同样能算出两个环路积分分别为 −2πi-2\pi i 与 2πi2\pi i,相加依然得 00。

【新赠巩固例题】例题 3:计算积分 ∮∣z∣=22z+1z2−zdz\oint_{|z|=2} \frac{2z+1}{z^2-z} dz

  • 目的:深化对裂项法和基石积分的联合应用,避免误以为所有“多奇点积分”结果都必定为 0。

  • 解题步骤:

    1. 奇点分析:奇点仍为 z=0z=0 和 z=1z=1,均在积分圆周 ∣z∣=2|z|=2 内部。

    2. 部分分式待定系数分解: 设 2z+1z(z−1)=Az+Bz−1\frac{2z+1}{z(z-1)} = \frac{A}{z} + \frac{B}{z-1}。 通分通式:2z+1=A(z−1)+Bz2z+1 = A(z-1) + Bz。

      • 令 z=0  ⟹  1=−A  ⟹  A=−1z = 0 \implies 1 = -A \implies A = -1。

      • 令 z=1  ⟹  3=B  ⟹  B=3z = 1 \implies 3 = B \implies B = 3。 所以:

        2z+1z2−z=3z−1−1z\frac{2z+1}{z^2-z} = \frac{3}{z-1} - \frac{1}{z}

    3. 带入积分计算:

      ∮∣z∣=22z+1z2−zdz=3∮∣z∣=2dzz−1−∮∣z∣=2dzz\oint_{|z|=2} \frac{2z+1}{z^2-z} dz = 3 \oint_{|z|=2} \frac{dz}{z-1} - \oint_{|z|=2} \frac{dz}{z}

      根据基石积分结论:

      ∮∣z∣=2dzz−1=2πi,∮∣z∣=2dzz=2πi\oint_{|z|=2} \frac{dz}{z-1} = 2\pi i, \quad \oint_{|z|=2} \frac{dz}{z} = 2\pi i

      最终积分值:

      I=3(2πi)−1(2πi)=4πiI = 3(2\pi i) - 1(2\pi i) = 4\pi i

6. 复习核心要点总结(卡片式速记)

  1. 单连通(无洞)+ 区域内处处解析   ⟹  \implies 积分恒为 00。(柯西-古萨定理)

  2. 多连通(有洞)   ⟹  \implies 大回路积分 == 所有小回路(包裹奇点)积分之和。(复合闭路定理)

  3. 一阶核心积分公式   ⟹  ∮dzz−z0=2πi\implies \oint \frac{dz}{z-z_0} = 2\pi i。

  4. 高阶/其余积分公式   ⟹  ∮dz(z−z0)n=0(n≠1)\implies \oint \frac{dz}{(z-z_0)^n} = 0 \quad (n \neq 1)。

  5. 常用战术:遇到分母可因式分解的多项式,优先使用部分分式展开(裂项法),将其化为基础的 1z−z0\frac{1}{z-z_0} 形式,再利用核心公式秒杀积分!