應用複分析

用留數計算實積分(evaluation of real integrals by residues)

這便是激勵起整門學問的大回報。有些實積分——沿實軸的、再尋常不過的積分——能挫敗大一微積分的一切方法:換元不行,分部不行,部分分式也撬不開。然而只要離開實軸、繞道複平面、再數留數,它們便幾行內倒下。用留數計算實積分,就是把一個實問題暫時變複、從而求解它的技藝。

這套配方有幾個標準招式。對整條實軸上的有理函數,你用上半平面的一個大半圓把圍道閉合;當半徑增大時半圓的貢獻趨於零(只要被積函數衰減得夠快),於是實積分等於 2 pi i 乘以上半平面內留數之和。對含 sin 與 cos 的整週期積分,你代換 z = e^{i theta},把積分化為繞單位圓的迴路。對振盪積分(帶傅立葉型因子 e^{i k x}),約當引理保證弧上貢獻消失,你只需挑指數衰減的那個半平面。帶根式或對數的被積函數則需要一條纏繞分支切割的鎖孔圍道。

這是一種貨真價實的方法,絕非障眼法。複積分與實積分由誠實的定理相聯——柯西定理與留數定理——而那殺掉添加弧段的極限論證是嚴格的(約當引理、用弧上最大值作估計)。它是貫穿物理與工程的積分的標準路徑:衍射積分、格林函數、波函數的歸一化、電動力學中的響應函數,以及拉普拉斯逆變換,無不在一條選得好的圍道與一份留數清單前折服。

計算 1/(x^2 + 1) 從負無窮到正無窮的積分。用上半平面的半圓閉合;當半徑增大其貢獻趨於零。所圍唯一極點是 z = i,留數 1/(2i)。故實積分等於 2 pi i 乘 1/(2i) = pi——與熟悉的反正切答案吻合,卻無需求出原函數。

閉合圍道,丟掉消失的弧段,加總所圍留數——一個棘手的實積分便落了地。

弧段只有在被積函數衰減得夠快時才消失;對衰減緩慢或僅是振盪的被積函數,你必須援引約當引理或顯式核對那個估計,並謹慎選擇半平面。在錯誤的半平面閉合,或在弧段並不消失時假定它消失,正是這類計算出錯的經典緣由。

又稱
contour method for real integrals实积分的围道法實積分的圍道法