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留数定理

围道 Γ 套住几个极点,∮ f dz 就等于它们的 卷绕数加权留数之和乘 2πi。左图拖围道、按下播放, 右图把积分 A(t) = ∫ f dz 逐帧累积出一条轨迹; 同时每个极点的贡献 2πi·n·Res 作为向量从原点首尾相加。 走完一圈,轨迹终点与向量链末端恰好重合 —— 这就是定理。

函数 f(z)

变量 z

围道 = 左图上可拖的多边形(单击边插顶点、双击顶点删除)。 极点红、零点蓝,由数值扫描自动定位;留数用小圆积分现算。

z 平面 · 围道
—
  • 围道 Γ 与游标
  • 极点(标 n 与 Res)
  • 零点(不进账本)
积分平面 · A(t) 与向量链
—
  • 累积积分 A(t) = ∫f dz
  • 向量链 Σ 2πi·n·Res(首尾相加)
  • 两线终点(应重合)

积分账本

—
—
失配 |∮ − Σ| —— 定理说它应为 0
向量链和 Σ2πi·n·Res—
数值积分 ∮f dz—
失配 |∮ − Σ|—

轨迹是 Simpson 数值积分逐帧累出来的,向量链是小圆积分 + 卷绕数另一条管线算出来的 —— 它们素不相识,终点却总在一起。围道扫过极点的瞬间,账本添一行,跳变恰好 2πi·n·Res。

1.0×
围道形状

留数定理在说什么

解析函数沿闭围道的积分,只由围道"看见"的极点决定 —— 每个极点贡献 2πi·n(Γ,p)·Res(f,p),其中 n(Γ,p) 是围道绕该极点的圈数(卷绕数页的主角), Res 是 Laurent 展开的 a₋₁ 系数。

定理 ∮Γ f dz = 2πi · Σp n(Γ,p) · Res(f,p)
留数 Res = a₋₁ = (1/2πi)∮ 绕 p 单独一小圈 f dz

本页的账本是几何的:每个极点一条向量 2πi·n·Res,从原点出发首尾相加;积分轨迹 A(t) 沿围道逐帧累积。向量链的末端是定理"说"的值,轨迹的终点是积分"算"的值 —— 两者重合,定理成立。

注意零点不进账本:解析点没有留数。极点也未必有分量 —— 1/z² 的 Res = 0,绕它一圈积分照样是零。

怎么玩

  1. cot z,12 边形。原点一阶极点 Res=1,围道含它 → 轨迹终点 2πi ≈ 6.28i,向量链只有一条。
  2. 1/z²。有二阶极点,但 Laurent 里没有 1/z 项 → Res=0,向量链是空谈,∮=0。有极点 ≠ 有积分。
  3. 1/(z²+1) + 8 字围道。±i 各进一叶,圈数 +1 与 −1 —— 带符号加权后 Σ = −i,∮ = 2π 是个实数。卷绕数天生会处理自交。
  4. e^(1/z)。本性奇点:扫描找不到它的"极点",账本对不上 —— 定理没错,是我们的奇点探测器到极限了。

为什么两条线必然汇合?

轨迹 A(t) 是对被积函数 f(z(t))·z′(t) 的纯数值累加, 它不知道任何极点在哪。向量链则先把极点逐个定位、用绕每点的小圆单独积分出 Res、 再乘上各点的卷绕数。两条管线共享的只有"围道形状"这一个输入 —— 它们汇合,是留数定理被实验验证了。

和围道积分、卷绕数页的分工

围道积分页盯着单个数字 ∮f dz 吞极点时的跳变;卷绕数页数 f(Γ) 绕原点几圈;本页把留数定理摊开成一张完整的账:逐点贡献、加权、求和、与积分轨迹对账 —— 复分析三件套的收官。