Skip to content

定义Definition

复路径积分

Complex contour integral

沿分段光滑复路径对复值函数进行的有向线积分。

形式陈述 ​

设 γ:[a,b]→C 是分段 C1 路径(将 C 识别为 R2,按多元导数定义曲线导数),f 是在路径的像上连续的复值函数。定义复路径积分为

∫γf(z)dz=∫abf(γ(t))γ′(t)dt,

右端是复值函数实部与虚部的两个 Riemann 积分的组合。该定义在保持方向的正则重参数化下不变,因此积分不依赖于这类参数选择,路径的遍历次数仍须保留;反向路径使积分变号,路径拼接使积分相加。此外有基本的长度估计(ML 不等式):

|∫γf(z)dz|≤supz∈γ|f(z)|⋅L(γ),L(γ)=∫ab|γ′(t)|dt.
直觉

把路径切成小段,积分近似为 ∑f(zk)Δzk:每个位移 Δzk 不只是长度,还携带方向,而与 f(zk) 的乘法是复数乘法——旋转加伸缩。因此复路径积分不是"曲线下面积",而是函数值按路径切向量加权后的累积,方向信息被原封不动地记进结果里。这解释了两个初看奇怪的现象:同样的两个端点,不同路径可以给出不同积分值;同一条闭路,函数绕奇点转一圈可以留下非零"残迹"。与实线积分的类比在此失效的地方正是乘法:实数乘法只缩放,复数乘法还旋转,抵消与累积的模式因此丰富得多。

例子与边界

若 f 在包含路径的区域上有原函数 F(即 F′=f),则把 F 看作 R2→R2 映射、γ 看作实参数曲线,在每段上用链式法则得到 (F∘γ)′=f(γ)γ′;再对实部与虚部分别用微积分基本定理并拼接,得到

∫γf(z)dz=F(γ(b))−F(γ(a)),

积分只依赖端点。例如任取从 0 到 1+i 的路径,∫γzdz=(1+i)22=i。

最重要的具体计算是单位圆 γ(t)=eit,t∈[0,2π] 上的

∫|z|=1dzz=∫02πe−it⋅ieitdt=2πi≠0.

闭路上积分不为零,说明 1/z 在挖去原点的平面上没有单值原函数;这个非零值恰好在"数"路径绕原点的圈数,是有孔区域中积分能检测绕行的原型。

边界情形有两类。其一,被积函数不解析时积分依赖路径:对 f(z)=z¯,从 0 沿直线到 1+i 积分得 1,而先到 1 再上行到 1+i 积分得 1+i,两者不同。其二,路径穿过 f 的奇点时积分通常根本无定义;绕过奇点的方式(从哪一侧、绕几圈)则会改变结果,这正是留数计算中缩进路径与主值积分要小心处理的地方。

推论与应用

复路径积分是整个复积分理论的载体:Cauchy 积分定理与积分公式断言全纯函数沿可收缩闭路的积分为零、且函数值可由边界积分重构;由此导出全纯函数自动无穷次可微并展开为幂级数。上面 ∫dz/z=2πi 的计算推广为绕数与留数定理,成为计算实积分、反演变换与计数零点极点的标准工具。绕数对路径连续变形不变这一事实,也把复积分与区域的基本群联系起来:积分能"看见"区域的洞。

参考资料
关系图谱20 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系