留數定理與積分計算

鎖孔圍道(keyhole contour)

某些被積式帶有分支點——像 x^s 這樣的分數冪、或一個對數——使函數多值,禁止你自由地畫出環繞分支點的閉迴路。鎖孔圍道是尊重支割線的巧妙曲線:它像鑰匙繞著鎖芯那樣穿繞切割,使函數一路繞行時保持單值。

想像沿正實軸的一條支割線(x^s 或 log x 的慣用選擇)。鎖孔圍道有四部分:一個逆時針走的半徑 R 大圓,接著沿切割上緣向內,一個繞原點分支點順時針走的半徑 epsilon 小圓,再沿切割下緣向外。奧妙在於上下緣位於切割兩側,多值函數在那裡取不同的值——對 x^s,下緣值是上緣值的 e^(2 pi i s) 倍;對 log x,下緣值是上緣加 2 pi i。所以兩段直線並不抵消;它們合成你想要的積分的一個已知倍數,而大小兩圓在極限中消失。對整個鎖孔套用留數定理便解出該積分。

這是從 0 到無窮的 x^(s-1) f(x) dx 型積分、以及含 log x 的積分的標準機器,這些都抵抗先前所有的圍道。要記清的定義性特徵:產生答案的是函數跨越切割的跳躍——而非單憑它的留數。你是在利用多值性,而非迴避它。

對從 0 到無窮的 x^(s-1) / (1 + x) dx(0 < s < 1),繞正軸的鎖孔給出 (1 - e^(2 pi i s)) 乘以該積分 = 2 pi i 乘以 z = -1 處的留數,得出經典答案 pi / sin(pi s)。

跨越支割線的跳躍——而非單一留數——交付了積分。

你必須沿整條圍道一致地固定 x^s 或 log z 的分支;上下緣用同一分支,但輻角分別為 0 與 2 pi,這正是它們有別的原因。忘記這個跳躍(把上下緣當成相等)會錯誤地使直線部分抵消而得零。

又称
Hankel-type keyholethe keyhole鑰匙孔圍道