原函数与积分路径无关

原函数

若在区域 D 内处处有

F′(z)=f(z)

则称 F 是 f 在 D 内的一个原函数。

等价刻画(主要定理)

设 f 在区域 D 内连续,则下面三条互相等价:

  1. f 在 D 内有原函数
  2. f 沿 D 内任意闭围道的积分都为零
  3. f 的积分与路径无关:只依赖起点与终点,不依赖所走的围道

证明思路:2⇒3 用两条路径拼成闭围道;3⇒1 固定 z0∈D,令

F(z)=∫z0zf(s)ds

(沿 D 内折线积分,路径无关保证 F 定义合理),再验证 F′=f;1⇒2 由微积分基本定理直接得到。

微积分基本定理

若 F 是 f 的原函数,C 是 D 内从 z1 到 z2 的围道,则

∫Cf(z)dz=F(z2)−F(z1)

(右端与路径无关,与 复变函数的定积分 中的牛顿–莱布尼茨公式形式一致。)

解析不等于一定有原函数。f(z)=1/z 在 D=C∖{0} 内解析,但 ∮|z|=1dzz=2πi≠0,所以它在 D 内没有原函数。原因是 D 不是单连通的(见 单连通与多连通区域):区域"有洞"时,解析函数可能失去原函数。

例题

见 复变函数积分计算#原函数与积分路径无关。

相关:围道积分、解析、柯西-古萨定理、单连通与多连通区域

教材 §42–§43