數學物理方法

柯西積分公式(Cauchy's integral formula)

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這是複分析核心那個近乎神奇的事實:對一個全純函數,它在任何內部點的值,完全由它在環繞該點的一條迴路上的值所決定。知道 f 在邊界上的值,就知道內部所有地方的 f——內部不帶任何獨立資訊。柯西積分公式正是這種「邊界知曉一切」剛性的精確陳述。

若 f 在一條簡單閉曲線 C 上及其內部全純,則對內部任一點 a,f(a) = (1/(2 pi i)) 乘上 f(z)/(z - a) dz 沿 C 的迴路積分。對積分號下微分,就從同一組邊界資料得到每一階導數:f^(n)(a) = (n!/(2 pi i)) 乘上 f(z)/(z - a)^(n+1) 的迴路積分。這其實就是把留數定理用在被積函數 f(z)/(z - a) 上,其在 z = a 的極點留數為 f(a)。

它是複分析各種剛性定理的源頭:因為所有導數都存在,全純函數自動解析(等於自己的泰勒級數),而劉維爾定理(有界的整函數必為常數)與最大模原理立刻隨之而來。在物理中,同樣的「邊界決定內部」邏輯正是色散關係得以成立的原因:因果律迫使響應函數在某個半平面全純,其實部與虛部(折射與吸收)便被克拉莫-克若尼關係鎖在一起。

取 f(z) = e^z,迴路為繞 a = 0 的單位圓。公式給出 (1/(2 pi i)) 乘上 e^z / z dz 的積分 = f(0) = 1——迴路積分「讀出」了中心點的值。

邊界積分回傳被圍住那點的值。

只要 f 在迴路與點 a 之間有一個奇點,公式立刻失效;f 在整個被圍區域上全純是必要條件,不是技術細節。

又称
柯西積分公式