主題
Search

復殘數


Laurent 級數中常數 a_(-1)

 f(z)=sum_(n=-infty)^inftya_n(z-z_0)^n
(1)

關於點 z_0f(z) 稱為 f(z) 的留數。如果 fz_0 解析,則其留數為零,但反之不一定成立(例如,1/z^2z=0 處的留數為 0,但在 z=0 處不解析)。函式 f 在點 z_0 的留數可以表示為 Res_(z=z_0)(f(z))。留數在 Wolfram 語言中實現為Residue[f, {z, z0}]。

留數的兩個基本例子由 Res_(z=0)1/z=1Res_(z=0)1/z^n=0 給出,對於 n>1

Residue

函式 f 繞點 z_0 的留數也由下式定義

 Res_(z_0)f=1/(2pii)∮_gammafdz,
(2)

其中 gamma 是逆時針簡單閉合 輪廓,足夠小以避免 f 的任何其他 極點。事實上,任何逆時針路徑,其 輪廓纏繞數 為 1,且不包含任何其他 極點,根據 柯西積分公式,都會得到相同的結果。上圖顯示了一個合適的 輪廓,用於定義函式的留數,其中極點以黑點表示。

考慮 亞純 1-形式 的留數更為自然,因為它與座標的選擇無關。在 黎曼曲面 上,亞純 1-形式 alpha 在點 p 的留數定義為,在點 p 周圍的座標 z 中寫作 alpha=fdz。然後

 Res_(p)alpha=Res_(z=p)f.
(3)

intfdz 的留數之和在 黎曼球面 上為零。更一般地,緊 黎曼曲面 上的 亞純 1-形式 的留數之和必須為零。

函式 f(z) 的留數可以找到,而無需顯式展開為 Laurent 級數,方法如下。如果 f(z)極點 mz_0 處有 極點,則對於 n<-ma_(-m)!=0,有 a_n=0。因此,

f(z)=sum_(n=-m)^(infty)a_n(z-z_0)^n
(4)
=sum_(n=0)^(infty)a_(-m+n)(z-z_0)^(-m+n).
(5)

兩邊乘以 (z-z_0)^m 得到

 (z-z_0)^mf(z)=sum_(n=0)^inftya_(-m+n)(z-z_0)^n.
(6)

取一階導數並重新索引,

d/(dz)[(z-z_0)^mf(z)]=sum_(n=0)^(infty)na_(-m+n)(z-z_0)^(n-1)
(7)
=sum_(n=1)^(infty)na_(-m+n)(z-z_0)^(n-1)
(8)
=sum_(n=0)^(infty)(n+1)a_(-m+n+1)(z-z_0)^n.
(9)

取二階導數並重新索引,

(d^2)/(dz^2)[(z-z_0)^mf(z)]=sum_(n=0)^(infty)n(n+1)a_(-m+n+1)(z-z_0)^(n-1)
(10)
=sum_(n=1)^(infty)n(n+1)a_(-m+n+1)(z-z_0)^(n-1)
(11)
=sum_(n=0)^(infty)(n+1)(n+2)a_(-m+n+2)(z-z_0)^n.
(12)

迭代得到

(d^(m-1))/(dz^(m-1))[(z-z_0)^mf(z)]=sum_(n=0)^(infty)(n+1)(n+2)...(n+m-1)a_(n-1)(z-z_0)^n
(13)
=(m-1)!a_(-1)+sum_(n=1)^(infty)(n+1)(n+2)...(n+m-1)a_(n-1)(z-z_0)^n.
(14)

所以

lim_(z->z_0)(d^(m-1))/(dz^(m-1))[(z-z_0)^mf(z)]=lim_(z->z_0)(m-1)!a_(-1)+0
(15)
=(m-1)!a_(-1)
(16)

因為 lim_(z->z_0)(z-z_0)^n=0,所以留數為

 a_(-1)=1/((m-1)!)(d^(m-1))/(dz^(m-1))[(z-z_0)^mf(z)]_(z=z_0).
(17)

全純函式 在其 極點 的留數表徵了函式的大部分結構,例如出現在驚人的 圍道積分 留數定理 中。


另請參閱

柯西積分公式, 柯西積分定理, 圍道積分, 輪廓纏繞數, Laurent 級數, 亞純 1-形式, 極點, 留數定理

此條目的部分內容由 Todd Rowland 貢獻

使用 探索

請引用為

Rowland, ToddWeisstein, Eric W. “復殘數。” 來自 —— 資源。 https://mathworld.tw/ComplexResidue.html

主題分類