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定理已证明

柯西积分公式

命题陈述

设 U⊂CU \subset \mathbb{C} 是开区域,f:U→Cf : U \to \mathbb{C} 是全纯函数,γ\gamma 是 UU 内一条正向简单闭曲线,且其内部完全包含于 UU。则对 γ\gamma 内部的每一点 z0z_0,有 f(z0)=12πi∮γf(z)z−z0 dzf(z_0) = \frac{1}{2\pi i} \oint_{\gamma} \frac{f(z)}{z - z_0}\,dz;更一般地,对每个整数 n≥0n \ge 0,有 f(n)(z0)=n!2πi∮γf(z)(z−z0)n+1 dzf^{(n)}(z_0) = \frac{n!}{2\pi i} \oint_{\gamma} \frac{f(z)}{(z - z_0)^{n+1}}\,dz。

为什么成立?

全纯函数的行为就像一张绷紧的肥皂膜:它在边界曲线 γ\gamma 上的取值完全锁定了其内部每一点 z0z_0 处的取值。除以 z−z0z - z_0 会在 z0z_0 处产生一个单极点,如同放入一个放大探针;沿 γ\gamma 积分时,柯西积分定理允许将环路收缩为围绕 z0z_0 的无穷小圆周,在那里 f(z)f(z) 基本上恒为 f(z0)f(z_0),而 1/(z−z0)1/(z - z_0) 的绕数恰好贡献 2πi2\pi i。更令人惊叹的是,在积分号下求导表明,只要复可微一次,就自动迫使 ff 无穷次可微且解析。

证明思路

从 γ\gamma 的内部挖去一个以 z0z_0 为中心、半径为 r>0r > 0 的小圆盘。由于 f(z)/(z−z0)f(z)/(z - z_0) 在 γ\gamma 与圆周 Cr={∣z−z0∣=r}C_r = \{|z - z_0| = r\} 之间的区域上全纯,柯西积分定理给出 ∮γf(z)z−z0 dz=∮Crf(z)z−z0 dz\oint_{\gamma} \frac{f(z)}{z - z_0}\,dz = \oint_{C_r} \frac{f(z)}{z - z_0}\,dz。将分子拆为 f(z)=f(z0)+(f(z)−f(z0))f(z) = f(z_0) + (f(z) - f(z_0)),通过参数化 z=z0+reiθz = z_0 + re^{i\theta},常数部分的积分为 f(z0)∮Crdzz−z0=2πi f(z0)f(z_0) \oint_{C_r} \frac{dz}{z - z_0} = 2\pi i\,f(z_0)。由 ff 在 z0z_0 处的连续性,当 rr 足够小时在 CrC_r 上余项满足 ∣f(z)−f(z0)∣<ε|f(z) - f(z_0)| < \varepsilon,因此其积分受 ε(2πr)/r=2πε→0\varepsilon (2\pi r)/r = 2\pi \varepsilon \to 0(当 r→0r \to 0 时)控制。关于 f(n)(z0)f^{(n)}(z_0) 的公式可利用差商与紧集上的一致收敛性通过归纳法得出。

提出者

证明者

用到此定理的主题

相关定理

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Lars V. Ahlfors (1979). Complex Analysis
  2. Elias M. Stein, Rami Shakarchi (2003). Complex Analysis