定理已证明
柯西积分公式
命题陈述
设 U⊂C 是开区域,f:U→C 是全纯函数,γ 是 U 内一条正向简单闭曲线,且其内部完全包含于 U。则对 γ 内部的每一点 z0,有 f(z0)=2πi1∮γz−z0f(z)dz;更一般地,对每个整数 n≥0,有 f(n)(z0)=2πin!∮γ(z−z0)n+1f(z)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 上的取值完全锁定了其内部每一点 z0 处的取值。除以 z−z0 会在 z0 处产生一个单极点,如同放入一个放大探针;沿 γ 积分时,柯西积分定理允许将环路收缩为围绕 z0 的无穷小圆周,在那里 f(z) 基本上恒为 f(z0),而 1/(z−z0) 的绕数恰好贡献 2πi。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 f 无穷次可微且解析。
证明思路
从 γ 的内部挖去一个以 z0 为中心、半径为 r>0 的小圆盘。由于 f(z)/(z−z0) 在 γ 与圆周 Cr={∣z−z0∣=r} 之间的区域上全纯,柯西积分定理给出 ∮γz−z0f(z)dz=∮Crz−z0f(z)dz。将分子拆为 f(z)=f(z0)+(f(z)−f(z0)),通过参数化 z=z0+reiθ,常数部分的积分为 f(z0)∮Crz−z0dz=2πif(z0)。由 f 在 z0 处的连续性,当 r 足够小时在 Cr 上余项满足 ∣f(z)−f(z0)∣<ε,因此其积分受 ε(2πr)/r=2πε→0(当 r→0 时)控制。关于 f(n)(z0) 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。