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修改Cauchy-Goursat定理的证明

最近冒出个点子,需要把复分析里的一些结论做一个推广1。然而Couchy-Goursat定理的原证明并不能直接进行推广,于是我修改了一下证明。

先放上原证明:

Cauchy-Goursat 积分定理
设 $f(z)$ 是单连通区域 $D$ 内的解析函数. 若 $L$ 是 $D$ 内任一条简单曲线, 取逆时针方向, 则

\[\int_{L} f(z) \mathrm{d} z=0\]

修改:

1.把引理中 $\eta$ 的定义换成 $0<\eta\le\min{\delta,\delta’}$ ,于是让 $\eta$ 趋于0——即n趋于无穷——也有

\[\left|\int_{L} f(z) \mathrm{d} z-\int_{P} f(z) \mathrm{d} z\right|<\varepsilon\]

\[\int_{L} f(z) \mathrm{d} z=\int_{P} f(z) \mathrm{d} z\]

2.补充一下引理证明第一段里最后一句“完全在G内”的证明。
$\forall p\in\partial G$,可构造三角形 $pz_kz_{k-1}$ ,其中 $pz_k\ge\delta’,pz_{k-1}\ge\delta’$ 。 由于三角形的顶点和对边不相交,因此得证。

3.修改证明后半部分,即三步中的后两步。这部分可以说是完全换了个思路。
首先我们有任意的一条路径 $L$ ,在 $L$ 上取点 $z_0,z_1,z_2,\cdots ,z_{2^n}$,使每个弧段 $z_{k-1}z_k$ 长度小于 $\eta$ 。对于所有的 $a$ 从0到n,连结所有下标为 $2^{n-a}m\,\,\,(m=0,1,2\cdots)$ 的点,得到的折线记为 $P_a$ 。 示意图

注意 以上这一步不再对所有区域 $D$ 有效了。比较保守的话,可以让 $D$ 是有界凸集或者全集。我初想到这一点的时候也很惋惜。

对于每个相邻的 $P_{k-1},P_k$ ,它们组成了一组三角形的边界。一看到三角形,自然想到第一步里的结论。于是如果让积分方向为顺下标方向(如z0-z1-z2-z0),那么易知

\[\int_{P_k} f(z) \mathrm{d} z=\sum_{\bigtriangleup }\int_{\partial \bigtriangleup } f(z) \mathrm{d} z+\int_{P_{k-1}} f(z) \mathrm{d} z\]

由第一步里的结论已知

\[\int_{\partial \bigtriangleup } f(z) \mathrm{d} z=0\]

于是

\[\int_{P_k} f(z) \mathrm{d} z=\int_{P_{k-1}} f(z) \mathrm{d} z\]

进而对于任意两个 $P_{i},P_j$ ,有

\[\int_{P_i} f(z) \mathrm{d} z=\int_{P_{j}} f(z) \mathrm{d} z\]

而在修改1里已证明

\[\int_{L} f(z) \mathrm{d} z=\lim_{i\to\infty}\int_{P_i} f(z) \mathrm{d} z\]

所以

\[\int_{L} f(z) \mathrm{d} z=\int_{P_0} f(z) \mathrm{d} z\]

也就证明了积分的值和路径无关,只和起点终点有关。于是可以取起点=终点,就证明了弱的 Cauchy-Goursat 积分定理。

  1. 这篇文章写完大半年后注:这个想法最终没有实现。后来对这个想法的一点零碎进展写在了向量分析这篇文章里。 ↩︎

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