留數定理與積分計算

含分支點的積分(integrals with branch points)

到目前為止,圍道方法都假設被積式是單值的——有理函數、指數函數。但許多重要的實積分含有分數冪 x^s、平方根、或對數 log x,而這些本質上是多值的:當你繞原點走一圈,x^s 回來時乘上了 e^(2 pi i s),log x 回來時增加了 2 pi i。除非你控制這種多值性,否則無法把這種函數繞閉迴路積分。這就是含分支點積分的整個門類。

統一的想法是畫一條支割線——一條圍道被禁止跨越的曲線——把多值函數釘死在單一、確定的分支上。然後你選一條緊貼切割、利用函數跨切割跳躍的圍道。兩種標準形狀承擔了大部分工作:鎖孔圍道,用於單一分支點、切割通向無窮(典型如 [0, 無窮) 上的 x^(s-1) f(x) 與帶對數權重的積分);以及啞鈴圍道,用於由有限切割相連的兩個分支點(典型如有限區間上二次式的平方根)。兩者中,切割的上下緣帶有函數的不同值,故其貢獻合成目標積分的一個已知倍數,由留數定理收尾。

一個反覆出現的附贈技巧:在原本是有理的被積式中插入一個額外的 log z 因子、繞鎖孔積分,常能算出一個原本毫無對數的積分,因為 log z 跨切割的跳躍把想要的實積分孤立出來。誠實的警告是:這裡的一切都取決於沿整條圍道一致地固定分支;一個草率的 arg z 選擇就會使跳躍出錯、答案失去意義。支割線積分之所以強大,正是因為它把多值性從障礙變成引擎。

要算從 0 到無窮的 dx / (x^(1/2) (1 + x)),繞正軸的鎖孔(x^(1/2) 的分支由 arg z 在 [0, 2 pi) 固定)把跨切割的跳躍變成該積分的兩倍,z = -1 處的留數交付值 pi。

固定一個分支、緊貼切割,讓跨它的跳躍重建出實積分。

這些方法只有在你確立了一個分支與一條切割之後才奏效;arg z 只在 2 pi 的整數倍範圍內確定,故在那個選擇被釘死並沿整條圍道一致套用之前,整個計算毫無意義。

又称
branch-cut integrationintegrals involving fractional powers or logarithms支割線積分