用留数计算实积分(evaluation of real integrals by residues)
这便是激励起整门学问的大回报。有些实积分——沿实轴的、再寻常不过的积分——能挫败大一微积分的一切方法:换元不行,分部不行,部分分式也撬不开。然而只要离开实轴、绕道复平面、再数留数,它们便几行内倒下。用留数计算实积分,就是把一个实问题暂时变复、从而求解它的技艺。
这套配方有几个标准招式。对整条实轴上的有理函数,你用上半平面的一个大半圆把围道闭合;当半径增大时半圆的贡献趋于零(只要被积函数衰减得够快),于是实积分等于 2 pi i 乘以上半平面内留数之和。对含 sin 与 cos 的整周期积分,你代换 z = e^{i theta},把积分化为绕单位圆的回路。对振荡积分(带傅里叶型因子 e^{i k x}),约当引理保证弧上贡献消失,你只需挑指数衰减的那个半平面。带根式或对数的被积函数则需要一条缠绕分支切割的锁孔围道。
这是一种货真价实的方法,绝非障眼法。复积分与实积分由诚实的定理相联——柯西定理与留数定理——而那杀掉添加弧段的极限论证是严格的(约当引理、用弧上最大值作估计)。它是贯穿物理与工程的积分的标准路径:衍射积分、格林函数、波函数的归一化、电动力学中的响应函数,以及拉普拉斯逆变换,无不在一条选得好的围道与一份留数清单前折服。
计算 1/(x^2 + 1) 从负无穷到正无穷的积分。用上半平面的半圆闭合;当半径增大其贡献趋于零。所围唯一极点是 z = i,留数 1/(2i)。故实积分等于 2 pi i 乘 1/(2i) = pi——与熟悉的反正切答案吻合,却无需求出原函数。
闭合围道,丢掉消失的弧段,加总所围留数——一个棘手的实积分便落了地。
弧段只有在被积函数衰减得够快时才消失;对衰减缓慢或仅是振荡的被积函数,你必须援引约当引理或显式核对那个估计,并谨慎选择半平面。在错误的半平面闭合,或在弧段并不消失时假定它消失,正是这类计算出错的经典缘由。