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[工科复变函数] 留数
WARNING

本文以及本博客的数学内容主要作为个人笔记,其中包含大量的个人理解,存在不严谨甚至错误的内容,请谨慎阅读

目前为止留数有什么用#

  • 相较于柯西积分公式,使用留数计算复积分更简洁方便
  • 计算某些难以直接计算的实积分

留数怎么求#

定义法#

有限点的奇点#

设函数f(z)f(z)在点z0z_0处有一个孤立奇点,则f(z)f(z)在该点的留数定义为:

Res(f(z),z0)=a1\text{Res}(f(z),z_0) = a_{-1}

其中a1a_{-1}f(z)f(z)在点z0z_0处的洛朗级数展开式中第一个负幂项的系数

也就是,将f(z)f(z)在包围点z0z_0的环域展开成洛朗级数:取 -1次项 的系数即为在z0z_0处的留数

无穷奇点#

设函数f(z)f(z)在无穷远点处有一个孤立奇点,则f(z)f(z)在该点的留数定义为:

Res(f(z),)=a1\text{Res}(f(z),\infty) = -a_{-1}

其中a1a_{-1}是在环域的洛朗级数展开式中第一个负幂项的系数

WARNING

通过上面的内容可知,z0z_0f(z)f(z)的可去奇点时,若z0z_0 \neq \infty,则Res(f(z),z0)=0\text{Res}(f(z),z_0) = 0,但z0=z_0 = \infty时却不一定成立

定理与推论法#

定理5.2.1 用于任意阶极点#

z0z_0f(z)f(z)mm阶极点,则

Res(f(z),z0)=1(m1)!limzz0dm1dzm1[(zz0)mf(z)]\text{Res}(f(z),z_0) =\frac{1}{(m-1)!} \lim\limits_{z\to z_0} \frac{d^{m-1}}{dz^{m-1}} [(z-z_0)^m f(z)]

因为一阶比较常见,所以这里给出特例:

Res(f(z),z0)=limzz0(zz0)f(z)\text{Res}(f(z),z_0) = \lim\limits_{z\to z_0} (z-z_0)f(z)

推论 5.2.2 仅适用于一阶极点 (同时也可用于得到一阶极点)#

z0z_0f(z)f(z)的一阶极点,且f(z)f(z)可表示为f(z)=P(z)Q(z)f(z) = \frac{P(z)}{Q(z)}P(z)P(z)Q(z)Q(z)在点z0z_0处解析,且P(z0)0P(z_0) \neq 0Q(z0)=0Q(z_0) = 0Q(z0)0Q'(z_0) \neq 0,则z0z_0f(z)f(z)的一阶极点,且

Res(f(z),z0)=P(z0)Q(z0)\text{Res}(f(z),z_0) = \frac{P(z_0)}{Q'(z_0)}
TIP

请灵活拆分P(z)P(z)Q(z)Q(z),尽量简化Q(z)Q(z)的求导

留数基本定理#

无穷远点处的留数#

k=1nRes(f(z),zk)+Res(f(z),)=0\sum_{k=1}^{n} \text{Res}(f(z),z_k) + \text{Res}(f(z),\infty) = 0Res(f(z),)=Res(1z2f(1z),0)\text{Res}(f(z),\infty) = -\text{Res}(\frac{1}{z^2}f(\frac{1}{z}),0)

有的时候,某个有限点处的留数并不好算(没法用现成的级数展开等),但无穷远点处的留数好算,这时就可以用上面的公式通过相减来得到那一个难算的留数

[工科复变函数] 留数
https://a1kari8.github.io/posts/complex_func/residue/
作者
A1kari8
发布于
2025-10-13
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0