留数定理是复分析中的核心定理之一

留数定理是复分析中的核心定理之一，它将复积分计算转化为函数在奇点处留数的求和，极大简化了复积分和实积分的计算。

一、历史渊源

1. 奠基者：奥古斯丁·路易·柯西 (Augustin-Louis Cauchy)

19世纪初,柯西在研究复变函数积分时，首次提出柯西积分定理（1825年）：

若函数在单连通区域内解析，则沿任意闭路径积分为零。

1826年,柯西发现，若函数在闭路径内有奇点，积分值可由奇点附近的局部行为决定。

他引入 “残数”（residue） 的概念，并给出留数基本公式：

2. 命名与发展

刘维尔 (Joseph Liouville),推广柯西理论，提出“留数”术语（法语 résidu），并证明留数在复积分中的核心地位。

皮瑟 (Viktor Puiseux),结合洛朗级数展开，明确留数与奇点类型（极点、本性奇点）的关系。

魏尔斯特拉斯 (Karl Weierstrass),通过级数理论完善留数框架，奠定现代复分析基础。

3. 应用扩展

19世纪末，留数定理成为计算实积分（如傅里叶变换、拉普拉斯变换积分）的核心工具。

在流体力学、电磁学、量子力学等领域广泛应用。

二、数学推导

1. 洛朗级数与留数定义

设 f(z)在点 z0 的邻域内（除 z0 外）解析，则其洛朗级数为：

留数（Residue） 定义为洛朗级数中 1/(z-z0)项的系数：

2. 单奇点情形的柯西积分公式推广

考虑闭路径 C 包围单奇点 z0，作小圆路径 γε:∣z-z0∣=ε

由柯西积分定理：若一闭回路可以缩为一点而不遇到奇点, 则解析函数沿此回路的积分为0.

将 f(z)展开为洛朗级数，积分逐项进行：

当 n≠-1时，(z-z0)^n解析，积分为零；

当 n=-1时：

在留数定理的推导中，仅 n=-1项对积分有贡献，其他幂次项积分均为零。

即:

3. 多奇点情形的留数定理

设闭路径 C 内包围 k个孤立奇点 z1,z2,…,zk作小路径 γj 包围每个奇点,由柯西积分定理（复连通区域）：

对每个小路径应用单奇点结论：

最终可得:

三、关键点总结

1. 留数的本质：
   洛朗级数中 1/(z-z0)( 的系数，完全由函数在奇点附近的局部行为决定。
2. 定理适用范围：

C 为简单闭曲线（可求长）。

f(z) 在 C上及内部除有限个孤立奇点外解析。

3. 推广到亚纯函数：
   若 f(z)在区域 D内亚纯（只有极点），定理依然成立。

四、典型应用

1. 计算实积分

2. 特殊函数与级数和
   如用留数求

五、现代意义

留数定理是复分析的核心工具，体现了 “局部决定全局” 的深刻思想。

其应用已扩展至：

微分方程（特征线法）

解析数论（素数分布）

量子场论（费曼积分）

信号处理（Z变换）

柯西的原始洞见，通过留数将复杂积分简化为代数计算，至今仍是数学物理的基石之一。