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文檔簡介
第三章復(fù)變函數(shù)的積分復(fù)變函數(shù)的積分(以下簡稱為復(fù)積分)是研究解析函數(shù)的重要工具之一.我們可以用這種工具證明解析函數(shù)的許多重要性質(zhì).例如,解析函數(shù)導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性,解析函數(shù)的無窮可微性等,這些表面看起來只與微分學(xué)有關(guān)的命題,都可用復(fù)積分這一工具得到比較好地解決.另外,對解析函數(shù),我們完全可以通過函數(shù)的連續(xù)性,再結(jié)合函數(shù)的適當(dāng)積分特征(積分與路徑無關(guān))來加以刻畫,從而使對解析函數(shù)的研究擺脫了已往過分依賴實(shí)、虛部二元實(shí)函數(shù),受數(shù)學(xué)分析知識的限制這種尷尬的境地,為解析函數(shù)的研究開辟了新的途徑和新的思路.本章,我們首先建立復(fù)變函數(shù)積分的概念,然后建立的柯西積分定理和柯西積分公式,它是復(fù)變函數(shù)論的基本定理和基本公式,是研究解析函數(shù)性質(zhì)所采用的具體工具.第一節(jié)復(fù)積分的概念、基本性質(zhì)與基本計(jì)算約定:1、本章及以后所提到的曲線都是簡單光滑或分段光滑曲線(從而它必可求長);分段光滑的簡單閉曲線稱為圍線或周線;2、曲線方向的規(guī)定:對非封閉曲線只須規(guī)定它的起點(diǎn)和終點(diǎn),則它的正向是從起點(diǎn)到終點(diǎn)的方向,否則就是負(fù)向;對于圍線,則規(guī)定“逆時(shí)針”為它的正向,而“順時(shí)針”為負(fù)向;對于有界區(qū)域的邊界曲線,則按左手法則規(guī)定它的正向,即當(dāng)某人站在邊界曲線上沿某一方向行走時(shí),區(qū)域始終在此人的左手邊,則規(guī)定此方向?yàn)榈恼颍駝t為的負(fù)向.習(xí)慣上,曲線的正向記為或,而負(fù)向記為.復(fù)積分的定義定義1設(shè)C是復(fù)平面上連接a和b兩點(diǎn)的有向曲線,其中a是起點(diǎn),b是終點(diǎn).函數(shù)定義在曲線C上,分割:在C上,我們沿C的方向順次插入有限個(gè)分點(diǎn)把曲線C分成有限個(gè)小的有向弧段(方向與C的方向一致)(這一過程也稱為對曲線的一個(gè)有向分割,記為T).近似求和:在每個(gè)小弧段上任取,作和數(shù)
其中,并記稱為分割的模.取極限如果存在,且極限值與對C的分割以及點(diǎn)的取法均無關(guān),即對任意,存在,使得對C的任意分割T,只要,總有則稱函數(shù)沿曲線C(從a到b)可積,稱為函數(shù)沿曲線C(從a到b)的積分,記為其中稱C為積分路徑,表示沿C的正向的積分,表示沿C負(fù)向的積分.注:關(guān)于復(fù)積分存在的條件,有一些與實(shí)積分類似的結(jié)果,例如,沿曲線C可積的必要條件是在C上有界;若在曲線上連續(xù),則沿C可積等等.根據(jù)復(fù)積分的定義,不難得到復(fù)積分的如下基本性質(zhì):設(shè),都在簡單曲線C上連續(xù),則有復(fù)積分的性質(zhì)即:方向性,線性性質(zhì),積分路徑可加性證明:取極限得即:估值定理(5)如果進(jìn)一步還有,,L表示C的長度,則復(fù)積分的計(jì)算方法1化為第二類曲線積分(見教材p92定理3.1)此法主要思路是利用自變量與函數(shù)的實(shí)部虛部x,y,u,v的形式化為第二類曲線積分.
2化為對參數(shù)t的一元函數(shù)積分此法主要思路是利用曲線的參數(shù)表示法,將自變量z與函數(shù)f都表成t.只對t做積分.詳細(xì)證明如下:
證明:按照第二類曲線積分的算法
3.用積分的定義直接計(jì)算注:積分的三種運(yùn)算方法的比較.第一種方法先對被積分式運(yùn)算化為第二類曲線積分式,再代入曲線的表達(dá)式化成一元積分.第二種方法先代入曲線的表達(dá)式對被積分式進(jìn)行運(yùn)算化簡,則直接成為一元積分.第三種方法用定義求極限.例題解1:第二類曲線積分法
記例1設(shè)曲線C是平面上連接a和b兩點(diǎn)的有向曲線(方向是從a到b),證明:(1);(2).(1)和(2)的證明方法類似,只證明(2).解2:定義法記,任取曲線的一個(gè)有向分割再在每個(gè)小弧段上取得,先在每個(gè)小弧段上取得,上面兩式相加得,因連續(xù),則在曲線C上可積.由積分的定義注:由上面兩例的結(jié)果知,當(dāng)曲線C是閉曲線時(shí),例1
解1:參數(shù)方程解法直線方程為積分與路徑無關(guān)解2:第二類曲線積分法請同學(xué)們參照微積分課程知識自己運(yùn)算第二類曲線積分!積分與路徑無關(guān)注:所以不論C是怎樣的連接0與3+4i的曲線,積分值與曲線路徑無關(guān)!解積分路徑的參數(shù)方程為例2求其中是以為心,為半徑的正向圓周,為正整數(shù).注:該結(jié)論可以作為結(jié)論直接使用,稱為常用積分.
解(1):積分路徑的參數(shù)方程為解(2):積分路徑由兩段直線段構(gòu)成x軸上直線段的參數(shù)方程為1到1+i直線段的參數(shù)方程為注:本題積分值與路徑有關(guān)思考題:1.復(fù)積分什么時(shí)候與路徑無關(guān).2.復(fù)積分有什么幾何(物理)意義.作業(yè):P1293,4人有了知識,就會(huì)具備各種分析能力,明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書,廣泛閱讀,古人說“書中自有黃金屋。
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