应用复分析

柯西积分公式(Cauchy's integral formula)

/ KOH-shee /

这是全部数学中最令人惊叹的事实之一:对解析函数而言,沿边界回路上的值完全决定了内部每一点的值。知道 f 在边缘上的情况,你就精确地知道 f 在整个内部的情况。柯西积分公式正是由边界重建内部的精确配方,也是解析函数何以如此刚性、如此可计算的缘由。

公式陈述:若 f 在正向简单闭围道 C 上及其内部解析,则对内部任一点 a,f(a) 等于 1/(2 pi i) 乘以 f(z)/(z - a) dz 沿 C 的围道积分。被积函数在 z = a 处有单极点,除以 z - a 正是提取该处值的手段;绕该极点一圈乘上 2 pi i,被前置因子抵消。在积分号下求导还有附赠:同一份边界数据给出每一阶导数,f^(n)(a) = n!/(2 pi i) 乘以 f(z)/(z - a)^{n+1} dz 的积分。这就是解析函数自动无穷可导的原因——公式从边界值制造出它们的所有导数。

其应用后果是深刻的。它证明了势论中用到的均值性质与最大模性质,支撑泰勒级数的误差界,并给出一种数值稳定的求导法——绕一个圆积分(避开困扰有限差分的相消)。它是一般留数定理由之生长的特例(单极点,留数 f(a)),在概念上更是全息思想的种子:完整的内部信息储存于一个更低维的边界之上。

要求 e^z/(z - 1) 沿以原点为心、半径为 2 的圆的积分,识别它为柯西公式,取 f(z) = e^z、a = 1(落在圆内)。答案是 2 pi i 乘 f(1) = 2 pi i 乘 e^1 = 2 pi e i。边界积分把内部值 e^1 交还,无需再多做。

公式直接从一个边界积分读出内部值——无需原函数。

点 a 必须严格落在围道内部,且 f 须在包含 a 的整个所围区域上解析。若 a 在回路之外,积分反为零(由柯西定理);若 f 在内部另有奇点,则进入留数定理的地界,必须把它一并计入。

又称
Cauchy formula柯西公式柯西公式