第五章 / 5.3
辐角原理与儒歇定理
教材132—138页上部
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31 对数导数为什么会自动数重数
若 是 的 阶零点,局部写 、。不用真的选全域对数,直接求导相除:
后一项在 附近解析,所以 在这里有一阶极点,留数为 。若 是 的 阶极点,写 ,同样得到留数 。
所以 记录的是零点给正的重数,极点给负的阶数。零点虽然可能三重、四重,在对数导数中都变成一阶极点,但留数分别是3、4,信息没有丢失。
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32 辐角原理的积分版本:得到的是 N-P
设 在 内部亚纯,也就是除孤立极点外解析,并且在边界 上没有零点、也没有极点。对正向简单闭曲线,
其中 是内部零点总重数, 是内部极点总阶数。它直接由上一单元的留数和得到。
三个边界条件 边界不能有零点,否则 在路径上失去定义;边界不能有极点;内部不能有未处理的本性奇点,因为此处定理建立在亚纯函数的零、极点结构上。若题目只给出一个积分值,你得到的是 ,除非已知没有极点,不能立刻把它称为零点数。
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33 几何版本:连续跟踪像曲线绕原点多少圈
当 沿 逆时针走一周, 在另一张平面画出闭曲线,可能自交、也可能绕多圈,但不能穿原点。沿这条曲线连续跟踪辐角,记总变化为 ,则
图 5-10 连续辐角记录净绕圈数,不能只看主值终点零点总重数减极点总阶数为 3;连续辐角变化为 6π。
不是终点主值减起点主值 起点、终点是同一个数,主辐角差当然为0;但连续跟踪的角度可以增加 。例如 ,单位圆在像平面绕原点三周,; 则顺时针两周,变化为 。
教材的几何推导是 。整圈 回到原值,,剩下的就是 。要会解释这个图像,不必把复杂自交像曲线的每一段角度都手工测出来。
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34 教材例子:三角分母的零点位置也要列全
取
内部零点为 ,均一重; 在外。 的全部零点为 ,在半径3内只有0,故分母使0成为四阶极点,分子在那里非零。于是 ,得到
边界上既没有这几个零点,也没有 ,所以可用定理。此题不是求 的留数,而是先把零点、极点数清楚,再求像曲线的净绕圈数。
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35 儒歇定理:边界上一个部分严格压住另一个部分
若 在 及内部解析,且边界上处处满足
则 与 在内部有相同的零点总重数。把复杂函数分成“容易数根的主项”和“小扰动”,就能不求出具体根而数清根数。
证明可以看连续变形 ():边界上 ,零点不会穿过边界,所以数目保持不变。按教材的辐角证明, 始终在圆 里,绕原点净圈数为0,因此 与 的辐角增量相同。
图 5-11 儒歇定理的边界比较与零点总重数主项 -5z³;按重数计,共 3 个内部零点。
用在哪,验证在哪 不等式只要求在边界,不必在整个内部成立;但两个函数的解析性要覆盖边界和内部。通常版要求严格小于,若只证出 ,不能直接交卷,需进一步排除等号或换拆法。主项不一定是最高次幂:小圆上常数项或低次幂也可能更大。
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36 教材例1:单位圆上 -5z³ 压住所有其他项
求 在 的零点数。选 ,。在 上
因此 与 有相同的内部零点总重数,为3。这里不是说 在原点有三重根;事实上 。结论只是它在圆内共有3个根,按重数计。
圆环题要两次计数再相减 对 ,在 上 的模为3,其他两项总模至多 ,故小圆内1根。在 上 的模16,大于 ,故大圆内4根。两个边界均无根,因此圆环 内有3根。这与原书习题10对应。
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37 教材例2:代数基本定理在这里证明的用途
对 ,,在足够大的圆上,低次项之和除以 一致趋零,所以最终有 。儒歇定理给大圆内恰有 个零点,按重数计。
还应说明大圆外没有漏根:同一个“首项大于其余项”的估计对所有足够大 都成立,故大圆外 不为零。于是全复平面总共有 个根。这说明以前用过的多项式根数结论可由复分析统一推出。
需要熟背吗 若考试不考定理证明,第一轮能说清“大圆上最高次项压住其余项”即可;具体数根题的选主项、估计和重数才是优先训练内容。保留证明是为了说明儒歇定理不只是计算技巧,也能建立全局结论。