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基于留数定理的围道积分计算及奇点处理疑问

用留数定理计算积分的分步解答

嘿,咱们一步步来理清这个问题:

首先解决你的核心疑问:这三个一阶极点确实都在积分路径 (|z-i|=3) 的内部,所以根据留数定理,你必须把这三个奇点的留数全部求和,一个都不能漏。咱们来验证每个奇点到圆心 (i) 的距离:

  • 对于 (z=-1):距离是 (|-1 - i| = \sqrt{(-1)^2 + (-1)^2} = \sqrt{2} \approx 1.414 < 3),在路径内部;
  • 对于 (z=\sqrt{2}i):距离是 (|\sqrt{2}i - i| = |(\sqrt{2}-1)i| = \sqrt{2}-1 \approx 0.414 < 3),在路径内部;
  • 对于 (z=-\sqrt{2}i):距离是 (|-\sqrt{2}i - i| = |-(\sqrt{2}+1)i| = \sqrt{2}+1 \approx 2.414 < 3),也在路径内部。

接下来,针对一阶极点的留数计算,有两个实用方法供你选择:

方法1:极限法

对于一阶极点 (z=a),留数公式为:
(\text{Res}[f(z),a] = \lim_{z \to a} (z-a)f(z))
比如计算 (z=-1) 的留数:

Res[f(z), -1] = lim(z→-1) (z+1)*1/[(z²+2)(z+1)] = lim(z→-1) 1/(z²+2) = 1/[(-1)²+2] = 1/3

方法2:分式函数快捷公式(更高效)

如果 (f(z) = \frac{P(z)}{Q(z)}),且 (Q(a)=0)、(Q'(a)≠0)(满足一阶极点条件),那么留数公式简化为:
(\text{Res}[f(z),a] = \frac{P(a)}{Q'(a)})
这里咱们的 (P(z)=1),(Q(z)=(z²+2)(z+1)),先求导得到:

Q'(z) = 2z(z+1) + (z²+2)*1 = 3z² + 2z + 2

然后逐个计算留数:

  • 对 (z=-1):(\text{Res} = \frac{1}{3*(-1)^2 + 2*(-1) + 2} = \frac{1}{3-2+2} = \frac{1}{3})
  • 对 (z=\sqrt{2}i):(\text{Res} = \frac{1}{3*(\sqrt{2}i)^2 + 2*(\sqrt{2}i) + 2} = \frac{1}{-6 + 2\sqrt{2}i + 2}),有理化后得到 (\frac{-2 - \sqrt{2}i}{12})
  • 对 (z=-\sqrt{2}i):(\text{Res} = \frac{1}{3*(-\sqrt{2}i)^2 + 2*(-\sqrt{2}i) + 2} = \frac{1}{-6 - 2\sqrt{2}i + 2}),有理化后得到 (\frac{-2 + \sqrt{2}i}{12})

最后把三个留数相加:

1/3 + (-2 - √2i)/12 + (-2 + √2i)/12 = 1/3 + (-4)/12 = 1/3 - 1/3 = 0

根据留数定理,积分结果就是 (2\pi i \times 0 = 0)。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者J. Paredes

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