縮排圍道(indented contour)
留數定理要求奇點嚴格落在圍道內部、絕不在其上。但許多實積分——尤其傅立葉型——的極點恰恰落在實軸上、正好在你想沿之積分的路徑上。縮排圍道是解方:你做一個小小的繞道,一個小半圓,繞過那個作怪的極點,使路徑遠離奇點,同時只以一個受控、可計算的量改變值。
對實軸上 x = c 的單極點,它如何運作。圍道不直接穿過 c,而是以一個繞 c、半徑 epsilon 的小半圓向下凹(或向上拱)。當 epsilon 縮向零時,兩件事發生:c 兩側的直線部分合成實積分的主值,而小半圓貢獻一個精確、不消失的量。關鍵事實:繞單極點、半徑 epsilon 的小半圓上的積分,當 epsilon 趨於 0 時,趨於正或負 pi i 乘以該極點的留數——注意是一半,pi i 而非 2 pi i,因為半圓只張開 pi 的角度而非完整的 2 pi。符號取決於繞道是順時針(負)還是逆時針(正)。
把它與留數定理拼起來,便得到實軸上有極點時的可用公式:實積分的主值等於 2 pi i 乘以嚴格圍住的留數,減去每個被縮排的實極點貢獻的 pi i 乘以留數(符號由你如何縮排決定)。這是處理像 (sin x) / x dx 這類被積式在原點有極點的積分的標準路徑。關鍵的誠實:小弧並不消失——它恰好貢獻半個留數,而忘掉那一半是圍道積分中最常見的錯誤之一。
對實軸上 (sin x)/x dx 的積分,取 e^(i z)/z,並以小半圓在 0 處極點上方縮排。大弧由約當引理消亡,迴路不圍住任何極點,小弧給出 -pi i 乘以留數 = -pi i;平衡後得主值 pi。
繞實軸單極點的小半圓恰貢獻 pi i 乘以留數,帶一個符號。
半留數規則 pi i 乘以留數只對單極點成立;對高階極點,小弧積分不趨於留數的有限倍數,方法須重做。仔細追蹤縮排的定向——它決定符號。