留數定理與積分計算

大半圓圍道(large semicircle contour)

要把整條線上的實積分變成留數定理能攻擊的閉迴路,你需要在不改變其值的前提下把線折回自身。大半圓是標準作法:保留從 -R 到 R 的實段,再沿一個鼓進上半平面(或下半平面)的大半圓弧,從 R 折回 -R。結果是一條 D 字形的閉圍道。

具體上這條圍道有兩段:直徑,即由左到右走的實區間 [-R, R];以及弧 C_R,即逆時針從 R 回到 -R 的上半圓 |z| = R。對整個迴路套用留數定理:實段上的積分加上 C_R 上的積分等於 2 pi i 乘以所圍住的留數。策略接著是令 R 趨於無窮。實段積分變成你真正想要的實積分。整個方法的成敗繫於一個問題:當 R 增大時,弧 C_R 上的積分是否趨於零?若是,實積分便等於留數和。

弧是否消失取決於被積式衰減多快。對有理函數 P/Q(deg Q 至少 deg P + 2),ML 不等式便能定奪:弧上 |P/Q| 大約至多 1/R^2,弧長為 pi R,故弧積分受 pi R / R^2 = pi / R 之類的界限約束,趨於 0。對像 e^(i a x) f(x) 這種衰減較慢的震盪型被積式,粗糙的 ML 界限不夠,你要升級到約當引理,它利用指數在上半平面的衰減。選上半還是下半平面由被積式在何處衰減決定——對 e^(i a x)(a 為正),因子 e^(i a z) 在上半平面衰減,故你向上閉合。

對實軸上的 dx / (x^2 + 1),在弧 |z| = R 上被積式至多約 1 / (R^2 - 1),弧長為 pi R,故由 ML 不等式弧積分至多 pi R / (R^2 - 1),當 R 增大時趨於 0。

當被積式衰減夠快時,弧的貢獻由 ML 不等式消亡。

弧消失並非自動的——對每個被積式都必須證明。在弧上衰減太慢(或增長)的函數會破壞此法,這正是需要約當引理或另選圍道的時候。

又称
semicircular contourthe D-shaped contour半圓圍道