約當引理(Jordan's lemma)
/ zhor-DAHN /
樸素的 ML 界限說半圓弧上的積分至多為(弧長)乘以(被積式的最大值)。對像 e^(i a z) f(z) 這種震盪型被積式(f 僅像 1/R 衰減),這個粗糙界限約給出 (pi R) 乘以 (1/R) = pi,不趨於零——方法看似卡住了。約當引理是更銳利的估計,它認真看待震盪的指數,恰好拯救這種情形。
敘述:設 f 在上半圓 C_R(半徑 R)上連續,並設 |f(z)| 在 C_R 上的最大值(記作 M_R)當 R 增大時趨於 0。則對任意正常數 a,e^(i a z) f(z) dz 沿 C_R 的積分當 R 趨於無窮時趨於 0。其機制是:在上半平面取 z = R e^(i theta),e^(i a z) 等於 e^(i a R cos theta) 乘以 e^(-a R sin theta);只要 sin theta 為正,第二個因子就指數衰減,而上半弧大部分都是如此。關鍵不等式(約當不等式,即在 [0, pi/2] 上 sin theta 至少為 2 theta / pi)馴服了端點附近的小區域,整個弧積分受 pi M_R / a 約束,因 M_R 趨於 0 故它趨於 0。
這是傅立葉型積分不可或缺的工具,即從負無窮到無窮的 f(x) e^(i a x) dx,其中你想要某物乘以 cos(a x) 或 sin(a x) 的實積分。它讓你向上閉合圍道(當 a 為正),即使 f 衰減得對樸素半圓論證而言太慢,也知道弧會消失。值得強調的誠實要點:弧消失不是免費的——若沒有指數的方向性衰減,大弧上的積分未必消亡,而約當引理正是對 e^(i a z) 而言它確實消亡的憑證。
要求實軸上 (cos x) / (x^2 + 1) dx 的積分,把它寫成 e^(i x) / (x^2 + 1) dx 積分的實部。因子 f(z) = 1/(z^2+1) 像 1/R^2 衰減,故約當引理殺掉上半弧;上半平面極點 z = i 給出值 pi / e。
約當引理讓 e^(i a z) f(z) 的弧消失,即使 f 衰減緩慢。
引理需要 a 為正(用於向上閉合),且針對 e^(i a z),而非直接針對 cos(a z) 或 sin(a z)——後兩者在某一半平面會增長。套用前務必先把 cos 與 sin 化為指數的實部或虛部。