應用複分析

柯西積分公式(Cauchy's integral formula)

/ KOH-shee /

這是全部數學中最令人驚嘆的事實之一:對解析函數而言,沿邊界迴路上的值完全決定了內部每一點的值。知道 f 在邊緣上的情況,你就精確地知道 f 在整個內部的情況。柯西積分公式正是由邊界重建內部的精確配方,也是解析函數何以如此剛性、如此可計算的緣由。

公式陳述:若 f 在正向簡單閉圍道 C 上及其內部解析,則對內部任一點 a,f(a) 等於 1/(2 pi i) 乘以 f(z)/(z - a) dz 沿 C 的圍道積分。被積函數在 z = a 處有單極點,除以 z - a 正是提取該處值的手段;繞該極點一圈乘上 2 pi i,被前置因子抵消。在積分號下求導還有附贈:同一份邊界數據給出每一階導數,f^(n)(a) = n!/(2 pi i) 乘以 f(z)/(z - a)^{n+1} dz 的積分。這就是解析函數自動無窮可導的原因——公式從邊界值製造出它們的所有導數。

其應用後果是深刻的。它證明了勢論中用到的均值性質與最大模性質,支撐泰勒級數的誤差界,並給出一種數值穩定的求導法——繞一個圓積分(避開困擾有限差分的相消)。它是一般留數定理由之生長的特例(單極點,留數 f(a)),在概念上更是全息思想的種子:完整的內部信息儲存於一個更低維的邊界之上。

要求 e^z/(z - 1) 沿以原點為心、半徑為 2 的圓的積分,識別它為柯西公式,取 f(z) = e^z、a = 1(落在圓內)。答案是 2 pi i 乘 f(1) = 2 pi i 乘 e^1 = 2 pi e i。邊界積分把內部值 e^1 交還,無需再多做。

公式直接從一個邊界積分讀出內部值——無需原函數。

點 a 必須嚴格落在圍道內部,且 f 須在包含 a 的整個所圍區域上解析。若 a 在迴路之外,積分反為零(由柯西定理);若 f 在內部另有奇點,則進入留數定理的地界,必須把它一併計入。

又稱
Cauchy formula柯西公式柯西公式