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輪廓積分


輪廓積分是在複平面內,沿著給定輪廓計算輪廓積分值的過程。由於全純函式的一個非常神奇的性質,這些積分可以很容易地透過簡單地求和輪廓內部復殘數的值來計算。

ContourIntegral

P(x)Q(x)多項式,其多項式次數分別為 nm係數分別為 b_n, ..., b_0c_m, ..., c_0。取輪廓上半平面,將 x 替換為 z,並寫成 z=Re^(itheta)。然後

 int_(-infty)^infty(P(z)dz)/(Q(z))=lim_(R->infty)int_(-R)^R(P(z)dz)/(Q(z)).
(1)

定義一條路徑 gamma_R,它沿著軸從 -RR 直線,並做一個半圓弧連線複平面上半部分的兩個端點。留數定理給出

lim_(R->infty)int_(gamma_R)(P(z)dz)/(Q(z))=lim_(R->infty)int_(-R)^R(P(z)dz)/(Q(z))
(2)
=lim_(R->infty)int_0^pi(P(Re^(itheta)))/(Q(Re^(itheta)))iRe^(itheta)dtheta
(3)
=2piisum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))],
(4)

其中 Res[z] 表示復殘數。解得,

 lim_(R->infty)int_(-R)^R(P(z)dz)/(Q(z))=2piisum_(I[z]>0)Res(P(z))/(Q(z))-lim_(R->infty)int_0^pi(P(Re^(itheta)))/(Q(Re^(itheta)))iRe^(itheta)dtheta.
(5)

定義

I_R=lim_(R->infty)int_0^pi(P(Re^(itheta)))/(Q(Re^(itheta)))iRe^(itheta)dtheta
(6)
=lim_(R->infty)int_0^pi(b_n(Re^(itheta))^n+b_(n-1)(Re^(itheta))^(n-1)+...+b_0)/(c_m(Re^(itheta))^m+c_(m-1)(Re^(itheta))^(m-1)+...+c_0)iRdtheta
(7)
=lim_(R->infty)int_0^pi(b_n)/(c_m)(Re^(itheta))^(n-m)iRdtheta
(8)
=lim_(R->infty)int_0^pi(b_n)/(c_m)R^(n+1-m)i(e^(itheta))^(n-m)dtheta
(9)

並設

 epsilon=-(n+1-m),
(10)

那麼方程 (9) 變為

 I_R=lim_(R->infty)i/(R^epsilon)(b_n)/(c_m)int_0^pie^(i(n-m)theta)dtheta.
(11)

現在,

 lim_(R->infty)R^(-epsilon)=0
(12)

對於 epsilon>0。這意味著對於 -n-1+m>=1,或 m>=n+2I_R=0,所以

 int_(-infty)^infty(P(z)dz)/(Q(z))=2piisum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))]
(13)

對於 m>=n+2。應用 若爾當引理,其中 f(x)=P(x)/Q(x)。我們必須有

 lim_(x->infty)f(x)=0,
(14)

所以我們要求 m>=n+1

那麼

 int_(-infty)^infty(P(z))/(Q(z))e^(iaz)dz=2piisum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))e^(iaz)]
(15)

對於 m>=n+1a>0。由於這必須分別對實部虛部成立,因此這個結果可以推廣到

 int_(-infty)^infty(P(x))/(Q(x))cos(ax)dx=2piR{sum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))e^(iaz)]}
(16)
 int_(-infty)^infty(P(x))/(Q(x))sin(ax)dx=2piI{sum_(I[z]>0)Res[(P(z))/(Q(z))e^(iaz)]}.
(17)

另請參閱

柯西積分公式, 柯西積分定理, 輪廓, 輪廓積分, 復殘數, 內外定理, 若爾當引理, 正弦積分

使用 探索

參考文獻

Arfken, G. 物理學家數學方法,第 3 版。 Orlando, FL: Academic Press, pp. 406-409, 1985.Krantz, S. G. "應用於定積分和求和的計算。" §4.5 in 復變數手冊。 Boston, MA: Birkhäuser, pp. 51-63, 1999.Morse, P. M. and Feshbach, H. 理論物理方法,第一部分。 New York: McGraw-Hill, pp. 353-356, 1953.Whittaker, E. T. and Watson, G. N. "在極限 -infty+infty 之間取的某些型別的積分的評估","涉及正弦和餘弦的某些無窮積分" 和 "若爾當引理"。 §6.22-6.222 in 現代分析教程,第 4 版。 Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 113-117, 1990.

在 中被引用

輪廓積分

請引用為

Weisstein, Eric W. "輪廓積分。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/ContourIntegration.html

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