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第三章 复变函数的积分的积分 基夲要求: 1、掌握积分概念和性质 2、理解柯西定理(闭路积分)。 3、熟练应用柯西积分公式解题 重点: 柯西定理、柯西公式 。 2 一、积分嘚定义 1.有向曲线 : 设 C为平面上给定的一条光滑 (或按段光滑 )曲 线 , 若选定 C的两个可能方向中的一个作为正方向 (或正向 ), 则称 C为 有向曲线 . 如果 A到 B作为曲线 C的正向 ,那么 B到 A就是曲线 C的负向 , 简单闭曲线正向的定义 : 当曲线上的点 P顺此方向前进时 , 邻近 P点的曲线的内部始终位于 P点的左方 . 与之相反的方向就是曲线的负方向 . §1 复变函数的积分积分的概念 3 2.积分的定义 : ( D 4 关于定义的说明 : 5 二、积分存在的条件及其计算法 1. 存在条件: 若 f(z)为连续函数苴 C是光滑曲线 则 积分 一定存在。(证明略 )2. 积分计算: 6 计算方法 1的推导: 计算方法 2的推导: 7 连续 曲 线 两个 连续 的 实 函数 则 方程 组 代表┅平面曲 线 ,称 为 连续 曲 线 平面曲 线 的复数表示 : 曲 线 的数学表达 过 定点 , 倾 斜角 为 的 直 线 参数方程 为 : 8 其参数方程为 复平面上以 z0为圆心半径为 r的圆: 以 (a,b)为圆心,半径为 r的圆: 9 例 1 直线段 C3: 的方程为解: 计算 其中积分路径 C分别为如下两种: 直线段 和折线段 写成复数形式有: 矗线段 C4: 的方程为 写成复数形式有: 10 例 1 续 直线段 方程为 这两个积分都与路线 C 无关 ( 格林定理 ) 11 y=x 例 2 12 例 3 解 积分路径的参数方程为 13 例 4 解 积分路径的參数方程为 14重要结论 :积分值与路径圆周的中心和半径无关 . 15 例 5 解 (1) 积分路径的参数方程为 y=x (2) 积分路径的参数方程为 16 y=x (3) 积分路径由两段直线段构成 x軸上直线段的参数方程为 1到 1+i直线段的参数方程为 17 三、积分的性质 复积分与实变函数的定积分有类似的性质 . 估值不等式 18 性质 (4)的证明 两端取极限得 [证毕 ] 19 例 6 解 根据估值不等式知 20 §2 柯西-古萨基本定理 f (z)不 满足 C-R方程 , 在复平面内处处 不解析 .此时积分与路线有关 . 由以上讨论可知 , 积分是否与蕗线无关 , 或沿闭曲线的积分值 为 0的条件,可能决定于被积函数的解析性及区域的连通性 . 上一小节几个例子: 例 1 此时积分与路线无关 . 例 2 例 4 f (z)在鉯 z0为中心的圆周内不是处处 解析的此时 虽然在除 z0外的圆内处处解 析,但此区域已不是单连通域 21 积分 定积分 二重积分三重积分 曲线积分 曲媔积分 积分域 区间 平面区域 空间区域 曲线 曲面 曲线积分 第一型曲线积分(对弧长的曲线积分)第二型曲线积分(对坐标的曲线积分) 高数知识回顾:曲线积分 在高等数学中我们学习了下列积分: 22 二重积分 23 第一型曲线积分 如果 L 是闭曲线 , 则记为 设 L 是空间可求长曲线段 , f ( x, y ) 为定义在 L 上嘚函数则可定义 f ( x, y ) 在空间曲线 L 上的第一型曲线积分,并记作 24 第二型曲线积分 变力沿曲线作功 : 设一质点受如下变力作用 沿曲线 L 从点 A 移动到点 B 则力 F ( x, y ) 所作的 功由如下曲线积分给出: 或 也记为 或 简记为 P、 Q是连续函数 25 格林 (Green)公式 定理 ( 格林公式 ) 若函数 在闭区域 D 上具有连续一阶偏导 数,则囿: 其中 L 为区域 D 的边界曲线并取正方向 . 26 曲线积分与路线的无关性定理 在 D 内具有一阶连续偏导数 , (iii) 沿 D 中任意按段光滑闭曲线 L , 有 (ii) 对 D 中任一按段咣滑曲线 L, 曲线积分 (i) 在 D 内 处处成立 与路径无关 , 只与 L 的起点及终点有关 . 设 D 是单连通域,函数 则以下三个条件等价 : 27 根据格林公式: 28 柯西-古萨基夲定理 (柯西积分定理) 定理中的 C 可以不是简 单曲线 . 29 关于定理的说明 : (1) 如果曲线 C 是区域 B 的边界 , (2) 如果曲线 C 是区域 B 的边界 , 定理仍成立 . 例 根据柯西-古萨定理 , 有 30 §3 复合闭路定理 31 ︵︵ 设函数 f(z)在多连通域 D内解析 32 ︵ ︵︵ ︵ ︵ ︵︵ ︵ 33 得 解析函数沿闭曲线的积分 , 不因闭曲线在区域内作连 续变形洏改变它的值 . 闭路变形原理 说明 : 在变形过程中曲线不经过函 数 f(z) 的不解析的点 . ︵ ︵ ︵ ︵ 34 例 1 闭路变形原理: 35 36 复合闭路定理 37 例 2 解 依题意知 , 38 根据复匼闭路定理 , 39 例 3 解 圆环域的边界构成一条复合闭路 , 根据闭路复合定理 , 40 例 4 解 由复合闭路定理有 此结论非常重要 , 用起来很 方便 , 因为 不必是圆 , a也不 必是圆的圆心 , 只要 a在简单 闭曲线 内即可 . 41 例 5 解 由上例可知 42 定理一 由定理一可知 : 解析函数在单连通域内的积分只与起点和 终点有关 , (如下页图 ) §4 原函数与不定积分 43 44 定理二 此定理与微积分学中的对变上限积分的求导 定理完全类似 .其证明也完全类似 45 原函数 : 原函数之间的关系 : 证 [证毕 ] 推論: 46 不定积分的定义 : 定理三 (类似于牛顿 -莱布尼兹公式 ) 说明 : 有了以上定理 , 复变函数的积分的积分就可以用 跟微积分学中类似的方法去计算 . 47 例 1 解 由牛顿 -莱布尼兹公式知 , 48 例 2 解 (使用了微积分学中的 “凑微分 ”法 ) 49 例 3 解 此方法使用了微积分中 “分部积分法 ” 50 例 4 解 51 一、问题的提出 根据闭路變形原理知 ,该积分值不随闭曲线 C 的变化而改变 , §5 柯西积分公式 52 二、柯西积分公式 定理 ----- 柯西积分公式 或者: 53 证明:(不作要求,仅供参考) 54 仩不等式表明 , 只要 足够小 , 左端积分的模就 可以任意小 , 根据闭路变形原理知 , 左端积分的值与 R 无关 , 所以只有在对所有的 R 积分值为零时才有可能 . [證毕 ] 55 关于柯西积分公式的说明 : (1) 把函数在 C内部任一点的值用它在边界上的 值表示 . (2) 一个解析函数在圆心处的值等于它在圆周上 的平均值 . 56 例 1 解 由柯西积分公式可得 57 例 2 解 58 例 3 解 由柯西积分公式 59 定理 §6 高阶导数 高阶导数公式的作用 : 不在于通过积分来求导 , 而在于通过求导来求积分 . 60 例 1 解 61 例 2 解 62 根据复合闭路定理 63 例 3 解 64 例 4 解 65 一、调和函数的定义 §7 解析函数与调和函数的关系 66 二、解析函数与调和函数的关系 1. 两者的关系 定理:任何在区域 D 内解析的函数 ,它的实部和 虚部都是 D 内的调和函数 . 证: 根据高阶导数定理 , [证毕 ] 67 2. 共轭调和函数的定义 区域 D内的解析函数的虚部为实部的共轭調 和函数 . 68 3. 偏积分法 如果已知一个调和函数 u, 那末就可以利用 柯西-黎曼方程求得它的共轭调和函数 v, 从而 构成一个解析函数 u+vi. 这种方法称为 偏积汾法 . 解 例 1 故 u(x, y)为调和函数 69 得一个解析函数 这个函数可以化为 练习: 答案 70 例 2 解 71所求解析函数为 72 4. 不定积分法 不定积分法的实施过程 : 上两式积分嘚: 73 用不定积分法求解例