应用复分析
柯西积分定理(Cauchy's integral theorem)
/ KOH-shee /
想象你沿一条闭合回路行走,边走边把某量累加,最后回到起点。对某些量,这累加完美地自相抵消,什么都不剩。柯西积分定理说,解析函数沿任何不圈住麻烦的闭合回路的围道积分,正是如此:这趟来回的总和为零。它是奠基性的事实,应用复分析几乎每一项技巧都由它构筑而成。
其陈述为:若 f(z) 在一条简单闭围道 C(无自交的回路,函数在所围区域内处处光滑)上及其内部处处解析,则 f(z) dz 沿 C 的积分等于零。其直觉是守恒,是保守力场绕回路不做净功的复回声;柯西-黎曼方程恰是令相关实线积分路径无关的条件。一个有力推论是围道形变:既然界定一个解析区域的闭合回路上的积分为零,你便可在任何 f 解析的区域内自由地滑动、拉伸围道而不改变积分,把它折成任何方便的形状。
这条定理是一切围道技巧背后的许可证。它让你把别扭的积分路径换成容易的,把围道推向无穷远处(那里被积函数消亡),并把回路收缩到奇点周围。当所围区域确实含有奇点时,定理不再给出零——但这受控的失效本身就是奖赏,它直接通向柯西积分公式与留数定理。知道 f 在何处解析,就知道你在何处有挪动的自由。
把 f(z) = z^2 沿单位圆积分。由于 z^2 处处解析(多项式,无奇点),柯西定理说回路积分为零——直接计算也确认如此。但把 1/z 沿同一圆积分却得 2 pi i 而非零,恰因 1/z 在回路内 z = 0 处有奇点,定理的前提失效。
不圈住奇点便得零;圈住了奇点,积分才正变得有趣。
定理既要求在整个所围区域内解析,又要求区域无洞(单连通)。在带洞的域上——例如围住一个奇点的圆环——回路积分未必为零,而这恰是留数与对数的 2 pi i 溜进来的方式。
又称
另见