基于复积分论柯西积分定理与柯西积分公式之异同

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  摘 要: 柯西积分定理与柯西积分公式是计算复积分的理论基础,也是联系复积分与留数相关知识的纽带,在复变函数论中占有十分重要的地位。首先从应用条件及结论上说明两者间的联系,再通过实际例子论述两者之间的不同,以期在计算复积分时提供便捷。
  关键词:复积分;柯西积分定理;柯西积分公式
  柯西积分定理和柯西积分公式与复积分的关系密切。而复积分无论从定义的角度看还是从计算的角度看,它均离不开实函数中的第二类曲线积分。因此,对坐标的曲线积分非常成功地渗透到了复积分的计算中去,而此类积分的两个标志性的特点——格林公式、积分与路径无关等相关内容在复积分中也体现得淋漓尽致。特别是积分与路径无关的问题,映射到复积分中即为柯西积分定理。柯西积分公式是为一类闭曲线上的复积分提供一种比较便捷的算法,它较利用积分与路径无关以及复积分的基本算法有很大的优越性。但柯西积分定理与柯西积分公式在名称、应用条件和结论等方面既有相似之处,又各有特色。下面针对以上问题展开讨论,以免在应用两者时产生混淆,进而加深对柯西积分定理与柯西积分公式的理解。
  一、柯西积分定理与柯西积分公式理论上的联系
  柯西积分定理与柯西积分公式在名称上只差两个字,它们均与复积分的计算有关,更确切地说,它们的结论都是以复积分的形式体现的。它们都是既适合单连通区域又适合复连通区域。从某种意义上讲,柯西积分公式中包含了柯西积分定理的一些思想,具体体现在复连通区域的情形,即定理4中有定理2的影子。
  从两者的使用条件上看,柯西积分定理要求在积分曲线及其内部解析,而柯西积分公式的条件略有降低,它只需在曲线所围区域内解析,在曲线及所围区域上连续即可,因此,柯西积分公式的结论比柯西积分定理的结论在形式上要复杂。
  从两者的结论表达方式上看,柯西积分定理是被积函数在积分曲线所围的区域内解析,其积分值为零;而柯西积分公式中被积函数是一个分式,其在积分曲线所围的区域内有奇点,将作为分母,分子在积分曲线所围的区域内解析,整个的积分值等于。在具体的做题过程中,如何找到所谓的是关键所在。
  总之,柯西积分定理与柯西积分公式在理论上既有相同之处,又有内在的联系,在具体应用的过程中要仔细甄别,以达到事半功倍的效果。
  二、柯西积分定理与柯西积分公式应用上的不同
  柯西积分定理是解决解析函数的复积分问题,而柯西积分公式是解决被积函数是分式的复积分问题。下面以实际的例子来说明二者在应用时的相异性,以及在计算复积分时所体现出来的优越性。
  例1  计算下列积分值
  (1)(2)
  解:(1)根据柯西积分定理:
  (2)根据柯西积分定理:
  注:这两道题的被积函数的奇点均不在积分曲线内,即被积函数在积分曲线所围的区域内是解析的,完全符合柯西积分定理的条件,直接得出结果实0。
  例2  计算
  解:是被积函数的奇点,且都在曲线内部。
  注:该题主要体现的是柯西积分公式的应用,它的特点在于:一方面是复连通区域上的柯西积分公式,另一方面是在整理被积函数的过程中,要将产生奇点的因式的系数化为1。具体体现在这个式子中,它不可以写成,因为柯西积分公式里被积函数的分母是,的系数是1。同样注意到两条曲线与是互不相交且完全含于曲线的,而且类似这样的曲线表达方式不唯一,只要满足互不相交且完全含于整个的积分曲线内即可,这个可以画图说明,也可以定量的写出,只要满足条件即可。
  例3  计算,其中是包含0与2的简单闭曲线。
  解:
  注:该方法是柯西积分定理与柯西积分公式的一个结合。首先利用复连通区域上的柯西积分定理,这里注意两条曲线与是互不相交且完全含于曲线的,而且类似这样的曲线表达方式不唯一,只要满足互不相交且完全含于整个的积分曲线内即可,这个可以画图说明,也可以定量的写出,只要满足条件即可。然后利用复连通区域上的柯西积分公式,在用该公式的时候,先要弄清楚被积函数在积分区域内的奇点,让产生奇点的因式作为分母,且的系数为1,其他的部分都作为分子,再利用公式,在分子代数值时要注意,谁是奇点就代谁的值,最后算出结果。
  总之,柯西积分定理与柯西积分公式确实在理论和实际应用中存在差异,但它们都是为计算曲线积分而服务的。在具体应用的过程中也体现出二者相结合的现象。由于柯西积分定理的条件较强,而柯西积分公式的条件相对较弱,所以柯西积分公式的应用更加广泛。从实例中可以看出,两者在计算复积分时体现了比基本计算方法更便捷。特别是遇到用定性的方式描述积分曲线,或者是积分曲线不容易用参数方程表示的时候,柯西积分定理与柯西积分公式便体现出其優越性。
  参考文献:
  [1]王振华,张为元,贺雯.柯西积分公式的推广及应用[J].咸阳师范学院学报,2018,33(06):47-49.
  [2]陈亦佳,张玲蒙.柯西积分定理的推广[J].玉溪师范学院学报,2017,33(08):19-22.
  【基金项目:1.淮南师范学院校级重点教学研究改革项目:“金课”建设目标下大学数学线上线下混合式教学改革的研究(2020hsjyxm08).2.安徽省质量工程项目:线上课程(原MOOC):微积分(2020mooc475);3.淮南师范学院科研创新团队建设计划资助“微分代数系统的分析控制及应用创新团队”(XJTD202008)。】
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