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第三章復(fù)變函數(shù)的積分一.復(fù)變函數(shù)積分的概念二.柯西-古薩特基本定理及其推廣形式三.柯西積分公式四.解析函數(shù)的高階導(dǎo)數(shù)五.解析函數(shù)的應(yīng)用—處理調(diào)和函數(shù)方面的問題解析函數(shù)的性質(zhì)第一節(jié)復(fù)變函數(shù)積分的概念一、原函數(shù)與不定積分1.原函數(shù)的概念2.不定積分第一節(jié)復(fù)積分的概念有向曲線:設(shè)C為平面給定的一條光滑(或按段光滑)的曲線,如果選定C的兩個可能方向的一個作為正方向(或正向),則我們就把C稱為有向曲線.與曲線C反方向的曲線記為
簡單閉曲線正向:當(dāng)曲線上的點P順此方向前進(jìn)時,鄰近P點的曲線內(nèi)部始終位于P點的左方,這時曲線方向稱為正方向.
分析:將定積分的概念推廣,定義復(fù)變函數(shù)的積分。ab“分割“--”求和”--“極限”一、積分的定義
定義1:
C為區(qū)域D內(nèi)起點為A終點為B的一條有向光滑的簡單曲線.
回顧一:對坐標(biāo)的曲線積分的概念1.定義類似地定義2.存在條件:3.組合形式回顧二:對坐標(biāo)的曲線積分的計算定理特殊情形回顧三:格林公式定理1Gyxo回顧四:曲線積分與路徑無關(guān)的定義BA如果在區(qū)域G內(nèi)有回顧五:曲線積分與路徑無關(guān)的條件定理2二、積分存在條件及其計算方法根據(jù)高等數(shù)學(xué)(線積分的知識),得又則且定理1.1對于的計算(見教材P29--公式(3.4))公式的記憶:計算積分的步驟:解:o34例1例.解:注意:沿不同的路徑積分的結(jié)果是相同的,即積分與路徑無關(guān),
例3.解:由此題可以看出,盡管起點、終點都一樣,但由于沿不同的曲線積分,所以積分值也是不同的.11注:例1.2解:2(方法二)(例1.2的結(jié)論)積分性質(zhì):(見教材P30)不等式兩端取極限運算,得到結(jié)論.弧長的積分弧段兩端點的直線距離弧段的長度補充:復(fù)變函數(shù)積分的物理意義:(場論中的應(yīng)用)實部:虛部:(單位電荷沿曲線從起點移動到終點過程中,電場所做的功)(向量場中,單位時間流經(jīng)曲線的凈流量)例4.解:小結(jié)1.熟練掌握:應(yīng)用公式(3.4)計算復(fù)變函數(shù)的積分.2.熟練掌握:教材P29--例1.2的結(jié)論.積分的簡單性質(zhì)第二節(jié)柯西積分定理本節(jié)內(nèi)容:例.解:注意:沿不同的路徑積分的結(jié)果是相同的,即積分與路徑無關(guān),
例3.解:由此題可以看出,盡管起點、終點都一樣,但由于沿不同的曲線積分,所以積分值也是不同的.從上一節(jié)所舉的例子來看:的任何路線積分值都相同,換句話說,積分是與路徑無關(guān)的.由此可猜想:積分的值與路徑無關(guān)或沿閉曲線積分值為零的條件與被積函數(shù)的解析性及區(qū)域的單連通性有關(guān).究竟關(guān)系如何,下面我們討論此問題.預(yù)備知識:關(guān)于坐標(biāo)積分的格林公式充要條件:結(jié)論:根據(jù)格林公式,得即柯西積分定理定理2.1(柯西—古薩基本積分定理)
柯西積分定理表明,函數(shù)滿足一定的條件,則積分與路徑無關(guān).
定理(P33-定理2.2)則B=證明:依柯西-古薩基本定理應(yīng)用柯西積分定理判定積分:例.解:?GB問題分析:2.2復(fù)合閉路定理—柯西積分定理的推廣定義2.1構(gòu)成有界的多連通區(qū)域G則DCG定理2.3=或AEBFA’E’B’F’C根據(jù)柯西積分定理,得二式相加,得證明:注:(1)解析函數(shù)的性質(zhì)在(多)連通域內(nèi)解析的函數(shù)沿(多)連通域的邊界積分值為零。=只要變形過程中不經(jīng)過函數(shù)的奇點。例解:根據(jù)閉路變形定理,得注:推廣了例題1.2的結(jié)論推論2.1(復(fù)合閉路定理)則=D或利用復(fù)合閉路定理計算積分=(“挖奇點法”),C為包含1與0的正向簡單閉曲線.解:例1,0為被積函數(shù)的奇點,根據(jù)復(fù)合閉路定理,得柯西積分定理柯西積分定理例題1.2BC則:2.3.原函數(shù)根據(jù)定理2.2定理2.4
則定理2.5類似于微積分學(xué)中的基本定理和牛頓——萊布尼茲公式
有了定理7,復(fù)變函數(shù)的積分就可用跟實變量函數(shù)微積分學(xué)中類似的方法計算,分部積分法,換元積分法均可用在復(fù)變函數(shù)積分中.
例解:根據(jù)定理
,得例.解:例.解:()A練習(xí):熟練掌握:柯西積分定理的內(nèi)容,能夠利用定理判定積分值是否為零.小結(jié)定理2.3(閉路變形定理),推論2.1(復(fù)合閉路定理)能利用它們計算積分---“挖奇點法”定理2.5(牛頓萊布尼茲公式)的前提條件并能夠利用它計算積分第三節(jié)柯西積分公式一、柯西積分公式分析:定理3.1:(柯西積分公式)
證明:
對于區(qū)域內(nèi)的解析函數(shù),只要邊界上的函數(shù)值給定,則區(qū)域內(nèi)任意點的函數(shù)值也就完全確定;對于實變函數(shù),無論函數(shù)怎樣,區(qū)間端點的函數(shù)值不能決定區(qū)間內(nèi)部點的函數(shù)值。(1)解析函數(shù)的相關(guān)性質(zhì):DC注:(2)柯西積分公式的特殊形式問題:結(jié)論如何?推論3.1證明:根據(jù)柯西積分公式,得C(3)通過柯西積分公式,給出了解析函數(shù)的一種積分表達(dá)式.(改變積分變量符號,積分值不變)解析函數(shù)(4)計算積分例:問題:是否正確?為什么?積分的特征:例解:原式=,C為包含1與0的正向簡單閉曲線.解:例2.11,0為被積函數(shù)的奇點,根據(jù)復(fù)合閉路定理,得所以,因為練習(xí):小結(jié)
1.掌握:柯西積分公式,能利用它計算積分.2.掌握:解析函數(shù)的性質(zhì)
對于區(qū)域內(nèi)的解析函數(shù),只要邊界上的函數(shù)值給定,則區(qū)域內(nèi)的函數(shù)值也就完全確定;積分特征:練習(xí)()(B)-1(D)1A(A)等于0(B)等于1(C)等于2(D)不能確定()C根據(jù)柯西積分公式,例題1.2的(推廣)結(jié)論第四節(jié)解析函數(shù)的高階導(dǎo)數(shù)一、解析函數(shù)高階導(dǎo)數(shù)公式一個解析函數(shù)不僅有一階導(dǎo)數(shù),而且有各高階導(dǎo)數(shù),它的值也可以用函數(shù)在邊界上的值通過積分來表示.這一點跟實變函數(shù)完全不同,一個實變函數(shù)在某一區(qū)間上可導(dǎo),它的導(dǎo)數(shù)在這個區(qū)間上是否連續(xù)也不一定,更不要說有高階導(dǎo)數(shù)存在了.下面我們討論解析函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)的解析問題.再繼續(xù)又可得:
這是求導(dǎo)與積分兩種運算允許交換的條件下推出的,這樣作是否可行呢?我們對此加以討論.定理4.1DC解析函數(shù)的任意階的導(dǎo)數(shù)都是存在的,且都是解析函數(shù).注:計算積分的計算公式.例:解:原式積分的特征:例1.解:例2.解:例3.解:(C)0(D)不確定()C練習(xí)題小結(jié)1.熟練掌握:解析函數(shù)導(dǎo)數(shù)的性質(zhì)解析函數(shù)的任意階的導(dǎo)數(shù)都是存在的,且都是解析的.2.掌握:能利用定理計算積分.第五節(jié)解析函數(shù)與調(diào)和函數(shù)的關(guān)系本節(jié)引入調(diào)和函數(shù)的定義,并分析它與解析函數(shù)的關(guān)系,以及與之相關(guān)的計算。預(yù)備知識:(1)多元函數(shù)的混合偏導(dǎo)數(shù):則冰冷卻火加熱穩(wěn)定后,導(dǎo)體中溫度的分布情況:邊緣處取得極值?ADBC
熱傳導(dǎo)理論中的傅里葉定律:在場中之任一點處,沿任一方向的熱流強(qiáng)度(即在該點處于單位時間內(nèi)流過與該方向垂直的單位面積的熱量)與該方向上的溫度變化率成正比。對于正方形ABCD,熱量的凈流出量正比于溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,熱量流動達(dá)到一個平衡的狀態(tài):凈流出量為零(能量守恒).1.調(diào)和函數(shù)的概念定義5.1:定理5.1:若解析函數(shù),則與調(diào)和函數(shù).(柯西-黎曼方程)定理5.1:若解析函數(shù),則與調(diào)和函數(shù).注:定理的逆命題不成立.但均為調(diào)和函數(shù);但復(fù)平面內(nèi)處處不解析。(柯西-黎曼方程)定理5.1:若解析函數(shù),則與調(diào)和函數(shù).注:定理的逆命題不成立.但均為調(diào)和函數(shù);但復(fù)平面內(nèi)處處不解析。定義5.2(1)共軛調(diào)和函數(shù)的等價定義注:的共軛調(diào)和函數(shù).稱為(2)兩個函數(shù)的前后次序不能顛倒!!
解析函數(shù)的實部,虛部為調(diào)和函數(shù),且虛部為實部的共軛調(diào)和函數(shù).(3)解析函數(shù)與調(diào)和函數(shù)的關(guān)系:2.計算共軛調(diào)和函數(shù)方法一(偏積分法)問題:求解偏微分方程。根據(jù)共軛調(diào)和函數(shù)的等價定義,得例1:解:根據(jù)柯西-黎曼方程,得所以,解析函數(shù):方法二:原函數(shù)法根據(jù)共軛調(diào)和函數(shù)的定義,所以,(柯西黎曼方程)(不定積分運算與高等數(shù)學(xué)情形中一致)例:解:(補充
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