留數定理與積分計算
單極點留數公式(simple-pole residue formula)
如果每次都得手動抽出一個羅朗係數,留數演算將令人精疲力竭。幸好,對最常見的那種壞點——單極點,函數在此像 1 / (z - z_0) 那樣爆掉、不更糟——有一條一行的配方,完全跳過級數。
規則:若 f 在 z_0 有單極點,則 Res(f, z_0) = z 趨近 z_0 時 (z - z_0) f(z) 的極限。道理一目了然。在單極點附近羅朗級數為 f(z) = a_{-1} / (z - z_0) + a_0 + a_1 (z - z_0) + ...。整式乘上 (z - z_0):得 a_{-1} + a_0 (z - z_0) + a_1 (z - z_0)^2 + ...。現在除 a_{-1} 外每一項都含有因子 (z - z_0),故當 z 趨近 z_0 時它們全部消失,只剩 a_{-1} = Res(f, z_0)。乘上 (z - z_0) 正是抵消奇點、使極限得以存在的關鍵。
這是整個留數行業的主力公式,因為單極點無處不在——分母有相異根的有理函數、三角被積式、與傅立葉積分都端出單極點。只要確認極點真的是單的:若你把這個極限用在二階極點上,只乘一個因子 (z - z_0) 後仍留下一個 1 / (z - z_0) 在爆掉,極限為無窮,這是公式誠實地告訴你用錯了配方。
對 f(z) = z / ((z - 1)(z + 2)),z_0 = 1 處的極點是單的。Res(f, 1) = z -> 1 時 (z - 1) f(z) 的極限 = z / (z + 2) 的極限 = 1 / 3。
抵消作怪的因子,再代入:一步求出單極點的留數。
使用前務必確認極點是單的。若 (z - z_0) f(z) 仍趨於無窮,極點的階至少為二,你得改用高階公式。
又称
另见