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复变函数典型题整理 ​

1. P2 复数三角形式:辐角与主值的关系 ​

核心公式:

z=r(cos⁡θ+isin⁡θ) z = r(\cos \theta + i \sin \theta)

θ=arg⁡z=Argz+2kπ(k∈Z) \theta = \arg z = \text{Arg} z + 2k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})

大家容易忽视的细节:

  • 集合 vs 数值: 小写的 arg⁡z\arg z 是一个集合(无穷多个值),大写的 Argz\text{Arg} z 是主值(唯一的数值)。
  • 主值范围: 绝大多数教材规定主值范围是 (−π,π](-\pi, \pi]。
    • 注意是左开右闭。当 zz 位于负实轴上时,Argz=π\text{Arg} z = \pi 而不是 −π-\pi。
  • 计算陷阱: 利用 arctan⁡(y/x)\arctan(y/x) 计算辐角时,计算器算出的值在 (−π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) 之间。
    • 若 zz 在第二、三象限,必须手动加减 π\pi 进行修正。
    • 公式化修正:
      • 第一、四象限 (x>0x>0): θ=arctan⁡(y/x)\theta = \arctan(y/x)
      • 第二象限 (x<0,y≥0x<0, y\ge0): θ=arctan⁡(y/x)+π\theta = \arctan(y/x) + \pi
      • 第三象限 (x<0,y<0x<0, y<0): θ=arctan⁡(y/x)−π\theta = \arctan(y/x) - \pi

2. P22 对数函数:多值函数与主值的关系 ​

核心公式:

Ln⁡z=ln⁡∣z∣+iarg⁡z(多值函数) \operatorname{Ln} z = \ln |z| + i \arg z \quad (\text{多值函数})

ln⁡z=ln⁡∣z∣+iArgz(单值主值) \ln z = \ln |z| + i \text{Arg} z \quad (\text{单值主值})

大家容易忽视的细节:

  • 大写与小写: 题目若写 Ln⁡z\operatorname{Ln} z,结果必须带 2kπi2k\pi i;题目若写 ln⁡z\ln z,结果是唯一值。
  • 实部与虚部:
    • 实部 ln⁡∣z∣\ln|z| 是实变函数中的自然对数,永远是实数。
    • 虚部由辐角决定。
  • 负数有对数: 在实变函数中 ln⁡(−1)\ln(-1) 无意义,但在复变函数中:

    Ln⁡(−1)=ln⁡∣−1∣+i(π+2kπ)=(2k+1)πi \operatorname{Ln}(-1) = \ln|-1| + i(\pi + 2k\pi) = (2k+1)\pi i

    ln⁡(−1)=πi \ln(-1) = \pi i

  • 幂函数定义依赖于对数: za=eaLn⁡zz^a = e^{a \operatorname{Ln} z}。如果 Ln⁡z\operatorname{Ln} z 是多值的,zaz^a 通常也是多值的。

3. P85 留数定理计算准则 I-III 应用 ​

这是计算积分最核心的工具,区分“几阶极点”是关键。

准则 I:一级极点 (Simple Pole) 若 z0z_0 是 f(z)f(z) 的一级极点:

Res⁡[f(z),z0]=lim⁡z→z0(z−z0)f(z) \operatorname{Res}[f(z), z_0] = \lim_{z \to z_0} (z-z_0)f(z)

准则 II:分式型一级极点 (常见且好用) 若 f(z)=P(z)Q(z)f(z) = \frac{P(z)}{Q(z)},且 P(z0)≠0,Q(z0)=0,Q′(z0)≠0P(z_0) \neq 0, Q(z_0) = 0, Q'(z_0) \neq 0(即分母的一阶零点):

Res⁡[f(z),z0]=P(z0)Q′(z0) \operatorname{Res}[f(z), z_0] = \frac{P(z_0)}{Q'(z_0)}

  • 忽视点: 很多人看到分式就想通分化简,其实直接“分子不变,分母求导”代入 z0z_0 最快。例如 1z4+1\frac{1}{z^4+1} 的留数计算。

准则 III:mm 级极点 (Pole of order mm) 若 z0z_0 是 f(z)f(z) 的 mm 级极点 (m≥2m \geq 2):

Res⁡[f(z),z0]=1(m−1)!lim⁡z→z0dm−1dzm−1[(z−z0)mf(z)] \operatorname{Res}[f(z), z_0] = \frac{1}{(m-1)!} \lim_{z \to z_0} \frac{d^{m-1}}{dz^{m-1}} \left[ (z-z_0)^m f(z) \right]

  • 忽视点:
    1. 阶乘: 别忘了前面的 1(m−1)!\frac{1}{(m-1)!}。如果是二级极点,系数是 1/1!=11/1! = 1;三级极点是 1/2!=1/21/2! = 1/2。
    2. 求导次数: 是求 m−1m-1 次导,不是 mm 次。二级极点求1次导,三级极点求2次导。
    3. 先乘后导: 必须先乘 (z−z0)m(z-z_0)^m 约掉分母中的奇异项,再求导,最后取极限。

4. P40 柯西积分公式 (Cauchy's Integral Formula) ​

核心公式: 若 f(z)f(z) 在区域 DD 内解析,且 z0z_0 在 DD 内:

∮Cf(z)z−z0dz=2πif(z0) \oint_C \frac{f(z)}{z-z_0} dz = 2\pi i f(z_0)

高阶导数形式(通常在稍后几页,但常结合考):

∮Cf(z)(z−z0)n+1dz=2πin!f(n)(z0) \oint_C \frac{f(z)}{(z-z_0)^{n+1}} dz = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(z_0)

大家容易忽视的细节:

  • 解析性检查: 公式中的 f(z)f(z) 必须在围线 CC 内部及边界上处处解析。
    • 例如:计算 ∮∣z∣=2sin⁡zz(z−3)dz \oint_{|z|=2} \frac{\sin z}{z(z-3)} dz 。
    • 这里 z=0z=0 在圆内,z=3z=3 在圆外。
    • 必须把式子看成 f(z)z−0\frac{f(z)}{z-0},其中 f(z)=sin⁡zz−3f(z) = \frac{\sin z}{z-3}。因为 z=3z=3 在圆外,所以 f(z)f(z) 在圆内是解析的,可以直接套公式。
  • 分母的形式: 标准形式分母是 z−z0z-z_0。
    • 如果题目是 2z−12z-1,必须提取系数化为 2(z−1/2)2(z - 1/2),那个系数 1/21/2 会影响最终结果。
  • 幂次与阶乘:
    • 分母是 1 次方 →\to 用原函数 f(z0)f(z_0)。
    • 分母是 2 次方 →\to 用一阶导 f′(z0)f'(z_0)。
    • 分母是 3 次方 →\to 用二阶导 f′′(z0)f''(z_0) 并除以 2!2!。
    • 易错点: 积分结果是 2πin!×导数值\frac{2\pi i}{n!} \times \text{导数值},别把阶乘漏了或乘反了。