辐角原理

更新时间:2022-08-31 23:19

辐角原理又称柯西辐角原理,是复变函数中的一个重要原理,即沿着闭曲线C正向绕行一周后辐角argf(z)的改变量除以2π等于f(z)在C的内部的零点和极点个数的差值。辐角原理可用于求解复变函数的零点或极点个数,也可用于求解方程f(z)=a的根的个数。在自动控制理论中,辐角原理作为奈奎斯特稳定判据的理论基础,用于判断单变量系统的稳定性。

对数留数

积分 的值称为复变函数 的对数留数。

设C是一条闭曲线,若 符合条件:

1) 在C内部除可能的极点外解析,即 为亚纯函数;

2) 在C上解析且不为零,则有

其中 与 分别表示 在C的内部的零点和极点的个数(一个n级零点算作n个零点,而一个m级极点算作m个极点)。

定义

设复变函数 ,当复平面Z上的z点沿闭曲线C的正向(逆时针)绕行一周时(如图1a),复平面W上的 点就相应地画出一条连续闭曲线Γ(如图1b)。

根据复变函数对数的定义,有

由图1以及上式可归纳出:

1)当Γ是一条包含原点的简单闭曲线时, 点沿Γ绕行一周,上式右端第1项的量没有变化,而第2项的量改变了 (逆时针绕行取正,顺时针取负);

2)当Γ曲线内不包含原点时,上式右端两项的改变量均为零。

设C是一条闭曲线,定义 为z沿着曲线C的正向绕行一周后 的改变量。

由此可得辐角原理如下:

设D是闭曲线C所围成的区域,若(1) 在D内除可能的极点外解析,即为亚纯函数;(2) 在C上解析且不为零,则

证明

由牛顿-莱布尼茨公式可知:

再由

可知

得证。

应用

1)用于求解复变函数的零点或极点个数

2)用于求解方程的根的个数

3)在自动控制中,作为奈奎斯特稳定判据的理论基础(奈奎斯特稳定判据用于分析单变量系统的稳定性)

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