실수 적분은 수직선의 구간 위에서 합니다. 복소 적분은 평면 위의 곡선을 따라 합니다. 같은 두 점을 잇는 곡선은 무수히 많으므로 “곡선에 따라 값이 달라지는가”가 핵심 질문이 됩니다. 놀랍게도 정칙함수에서는 답이 “아니오”입니다(코시 정리). 단, 곡선이 함수가 정칙이 아닌 점을 감싸면 이야기가 달라지며, 그 차이를 재는 것이 다음 장들의 유수입니다.
4.1 경로적분
정의 4.1. 곡선 C를 z(t)(a≤t≤b)로 나타낼 때
∫Cf(z)dz=∫abf(z(t))z′(t)dt.
를 경로적분(contour integral)이라 합니다. 시작점과 끝점이 같은 곡선을 닫힌 경로라 하고 ∮C로 씁니다. 따로 말하지 않으면 원은 반시계 방향으로 돕니다.
다변수 미적분 9장의 선적분과 같은 생각입니다. 곡선을 잘게 나누어 f(zk)Δzk를 더한 것의 극한입니다.
증명.z=z0+reit, dz=ireitdt이므로 적분은 ∫02πrneint⋅ireitdt=irn+1∫02πei(n+1)tdt. n=−1이면 i⋅2π, 아니면 ei(n+1)t가 한 바퀴 돌아 적분이 0입니다. □
반지름 r과 상관없이 ∮z−z0dz=2πi입니다. 2장에서 원점을 한 바퀴 돌면 로그가 2πi만큼 바뀐다고 했는데, z1의 원시함수가 logz이기 때문에 같은 사실입니다.
4.3 원시함수와 경로 독립
정리 4.4.F′=f인 정칙함수 F가 곡선을 포함하는 영역에서 있으면
∫Cf(z)dz=F(z끝)−F(z시작).
미적분의 기본정리와 같습니다. 값은 끝점에만 달려 있고, 경로와 상관없으며, 닫힌 경로에서는 0입니다.
예제 4.2는 F=z3/3이므로 3(1+i)3로 바로 나옵니다. 반면 z1는 원점을 감싸는 영역 전체에서 쓸 원시함수(연속인 로그)가 없으므로 ∮zdz=0이 가능합니다.
4.4 적분의 크기 어림
정리 4.5 (ML 부등식). 곡선 C의 길이가 L이고 그 위에서 ∣f(z)∣≤M이면
∫Cf(z)dz≤ML.
삼각부등식(1장)을 적분으로 쓴 것입니다. 7장에서 큰 반원 위의 적분이 0으로 감을 보일 때 씁니다.
예제 4.6. 반지름 R인 반원 위에서 ∣z2+11∣≤R2−11이고 길이는 πR이므로 적분은 R2−1πR→0(R→∞).
4.5 코시 정리
정리 4.7 (코시 정리).f가 단순 닫힌 경로 C와 그 안쪽 전체에서 정칙이면
∮Cf(z)dz=0.
증명 개요.f=u+iv, dz=dx+idy로 쓰면 ∮fdz=∮(udx−vdy)+i∮(vdx+udy). 그린 정리(다변수 미적분 10장)로 각각을 안쪽의 넓이 적분으로 바꾸면 피적분함수가 −(vx+uy)와 ux−vy가 되는데, 코시–리만 방정식에 따라 둘 다 0입니다. □
“단순 닫힌 경로”는 자기 자신과 교차하지 않는 닫힌 곡선입니다. 안쪽 전체라는 조건이 중요합니다. z1는 단위원 위에서는 정칙이지만 안쪽의 원점에서 정칙이 아니므로 정리가 적용되지 않습니다.
4.6 경로의 변형
따름정리 4.8. 정칙이 아닌 점들을 지나지 않고 경로 C1을 C2로 연속적으로 변형할 수 있으면 ∮C1fdz=∮C2fdz입니다.
C1과 C2 사이의 고리 모양 영역에서 f가 정칙이므로, 두 경로를 이어 만든 닫힌 경로에 코시 정리를 쓰면 됩니다. 그래서 복잡한 경로는 특이점 주위의 작은 원으로 줄여 계산할 수 있습니다.
예제 4.9.C가 ∣z∣=5이면 ∮Cz−2dz=2πi입니다. 원을 z=2 주위의 작은 원으로 줄이면 정리 4.3이 됩니다. C가 ∣z∣=1이면 z=2가 바깥에 있어 코시 정리로 0입니다.
4.7 이 장의 요약
∫Cfdz=∫f(z(t))z′(t)dt.
∮(z−z0)ndz=2πi(n=−1), 그 밖에는 0.
원시함수가 있으면 경로와 무관. ML 부등식으로 크기를 어림.
코시 정리: 안쪽 전체에서 정칙이면 ∮fdz=0. 경로는 특이점을 넘지 않는 한 변형 가능.
쓰이는 곳. 유체역학의 순환과 양력(쿠타–주코프스키 정리), 전자기학의 적분 계산, 물리학의 그린 함수와 전파 함수 계산, 신호처리의 역 Z 변환과 역 라플라스 변환(브롬위치 적분은 복소 경로적분), 통계역학의 안장점 근사가 이 장의 적분을 씁니다.
문제
4.1 [계산] · 확인 문제
∣z∣=3을 반시계 방향으로 도는 원 C에 대해 ∮Cz−1dz을 2πi로 나눈 값은?
정답
1
풀이
z=1이 원 안에 있으므로 적분은 2πi이고, 나누면 1입니다.
4.2 [계산] · 확인 문제
같은 원에서 ∮C(z3+5z)dz는?
정답
0
풀이
다항식은 전해석함수이므로 코시 정리로 0입니다.
4.3 [계산] · 확인 문제
∫Cezdz를 0에서 iπ까지의 아무 경로로 계산해 a+bi로 씁니다.
값
답
a
[?]
b
[?]
정답
-2
0
풀이
원시함수 ez로 eiπ−e0=−1−1=−2입니다.
4.4 [계산] · 확인 문제
∣z∣=2인 원에서 ∮z2dz은?
정답
0
풀이
정리 4.3에서 n=−2=−1이므로 0입니다. (−1/z가 원점 밖에서 원시함수입니다.)
4.5 [증명]
∫Czˉdz가 0에서 1+i까지 가는 경로에 따라 달라짐을, 선분 z=(1+i)t와 꺾은 경로(0→1→1+i)로 계산해 보입니다.