
Шпоры к экзамену / Лекции 2 / Курс лекций 1
.docТФКП. 4 семестр. Логинов А.С. 2006 г. loginov_1999@mail.ru
Курс лекций по ТФКП 2002-2006 гг.
Логинов А.С.
Глава 1. Основные понятия
§1 Операции над комплексными числами
Напоминание: Комплексные числа, алгебраическая форма, операции над комплексными числами, Im z, Re z, сопряжённые числа и следующие их свойства
,
Аргумент
и модуль комплексного числа z=x+iy,
,=arg
z, arg z[0,2).
zn=rnei-
тригонометрическая форма записи.
Расстояние между комплексными числами (z1,z2)=|z1-z2|.
Формула Муавра zn=rnein
Извлечение корней wn=z,
,
k-целое
§2 Комплексная плоскость
Рис. 1. Стереографическая проекция
Можно показать, что прямые и окружности из C переходят в окружности на S, а углы между пересекающимися кривыми сохраняются.
Множество
комплексных чисел удобно интерпретировать
как плоскость, которую называют
комплексной плоскостью
и обозначают C.
Комплексная плоскость С
с добавленной к ней несобственной
«бесконечно удаленной»
точкой
называется расширенной
комплексной плоскостью
и обозначается
.
Понятие
окрестности. Окрестность
точки z0:U(z0)=
{|z-z0|<}.
Окрестность бесконечно
удалённой точки -
U()={|z|>R}
. Проколотая окрестность
=
{0<|z-z0|<}.
Сходимость,
предел последовательности
.
Необходимое и достаточное условие сходимости для конечного случая
Критерий Коши сходимости последовательности к конечному пределу
n
m:zn
- zm
Комплексные
ряды
zn =
xn + i
yn .
Абсолютная сходимость. Сумма, разность,
перестановка и перемножение абсолютно
сходящихся рядов.
§3 Некоторые понятия, относящиеся к множествам. Кривые.
Диаметр
множества M
: dM
=.
Расстояние
между множествами M1,M2
:
.
Предельная точка множества – точка в любой проколотой окрестности которой есть хотя бы одна точка множества.
Замкнутое множество – множество, содержащее все свои предельные точки. Внутренняя точка множества – точка, принадлежащая множеству вместе с некоторой своей окрестностью , открытое множество – множества, каждая точка которого внутренняя.
Граничная точка множества – любая окрестность точки содержит как точки из множества, так и точки из его дополнения. Граница множества E (множество всех граничных точек) обозначается E, она всегда замкнута.
Кривая z=z(t):{ x=x(t), y=y(t), t[,] }, ориентация кривой, непрерывная кривая – x(t),y(t) обе непрерывны.
Непрерывная кривая называется простой или кривой Жордана, если различным значениям t1,t2 ( кроме может быть и ) соответствуют различные точки z(t1), z(t2) на комплексной плоскости.
Кривая замкнута (не путать с замкнутостью в смысле теории множеств ), если z()=z().
Связное множество. Любые две точки этого множества можно связать простой кривой, лежащей в этом множестве.
Областью, если не оговорено что-либо другое, будем называть связное открытое множество.
Область DC называется n- связной, если D состоит из n связных попарно непересекающихся компонент.
Кривая называется гладкой, если x(t),y(t) и их производные непрерывны и z(t)=x(t)+iy(t)0. Если кривая замкнута, то дополнительно требуется z()=z() ( точнее z(+0)=z(-0) ).
Кусочно гладкая кривая. Непрерывная кривая, состоящая из конечного числа гладких кусков.
§4 Функции комплексного переменного
Определение. w = f(z), z D. Каждому z в соответствие одно или несколько значений, отображение.
Примеры:
w = z2, z C, однозначная функция.
w
=
является
многозначной функцией
w = ln z = ln r + i , = arg z (0,2], D = C\{0}, однозначная функция.
w = Arg z = arg z + 2k, (k-любой целое) многозначная функция.
w = Ln z = ln r + i ( + 2k), = arg z (0,2], k-целое, D = C\0, многозначная функция.
w = zb = eb Ln z может быть для некоторых b многозначной ( для натуральных b определение согласуется с операцией возведения в степень путём перемножения ).
Если
функция f(z)
однозначная, то можно обычным образом
определить обратную функцию
.
Для этого обозначим через D
область определения функции f(z),
а область
ее значений через
. Обратная функция f
-1 будет
определена на
и каждому значению w
из
будет сопоставлять все
те значения z из
D для которых f(z)=w.
Обратная функция не
обязана быть однозначной.
Если f и f -1 однозначные, то отображение z w = f(z) называется однолистным (отображение взаимно однозначное ).
Пример: функция w=z2 отображает однолистно область D={|z|<1,0<arg z < } верхний полукруг на круг с разрезом по положительной вещественной оси
При
исследовании многозначных функций
выделяют однозначные ветви. Например,
рассмотрим функцию
,
в качестве области определения D
возьмём всю комплексную плоскость с
вырезом по положительной части
действительной оси, x[0,).
В этой области рассмотрим функции
(здесь главное значение аргумента
комплексного числа считается выбираемым
в диапазоне 0
arg z
2).
Эти функции представляют собой однозначные
ветви исходной функции в области D.
Первая отображает область D
на верхнюю полуплоскость, вторая функция
отображает область D
на нижнюю полуплоскость. Однозначные
ветви можно выделять по разному.
Определение предела и непрерывность
По Коши:
:0
0
z,0z
– z0
: f(z)
- A
:
R
0z,
0z
– z0
:| f(z)| > R
:
0
r
z,z>r
: f(z)
- A
:
R
r
z,z>r
: | f(z)| > R
Аналогично даются определение по Гейне: {zn}, znz0, zn z0 :lim f(zn) = A.
Замечание: Существование конечного lim f(z) при zz0 эквивалентно существованию двух пределов lim Re f, lim Im f.
Непрерывность
=f(z0)
Замечание: Если f(z0), то непрерывность в этой точке эквивалентна непрерывности действительной и мнимой части в этой точке.
Пример: Функция f(z) = 1/z при z0 и равная при z=0 является непрерывной в точке z=0.
§5 Функциональные последовательности и ряды
fn(z), fn(z), fn(z)-однозначные функции.
Ряд называется равномерно сходящимся на D, если его частичные суммы Sn(z) равномерно сходятся на D к S(z)
Критерий
Коши -0
n
m
(натурального или ноль) zD:
||
Достаточный признак Вейерштрасса
fk(z)k,zD и k сходится, то ряд fk(z) сходится на D равномерно.
Полезная теорема. Сумма равномерно сходящегося ряда из непрерывных функций, есть функция непрерывная.
§6 Степенные ряды
-
Основные свойства степенных рядов.
Напоминание:
Признаки Даламбера и Коши для положительных рядов ( вещественных )
ak, 0 ak
Даламбер: Если ak,
ak >
0 и,
q < 1, то сходится, q
> 1, то расходится.
Определение верхнего предела
Коши: Если ak,
ak
0 и,
q < 1, то сходится, q
> 1, то расходится.
Комплексные степенные ряды:
cn (z-z0)n или
cn zn (1)
Теорема 1 (Абель ) Если ряд (1) сходится в точке z0 0, то он сходится абсолютно в круге |z| < |z0|.
Доказательство:
Ряд
сходится, следовательно (необходимое
условие сходимости ряда)
.
Поэтому для общего члена ряда можно
выписать оценку
.
Таким образом, исходный ряд мажорируется
сходящимся рядом
.
Следствие 1. Для любого степенного ряда (1) существует число R (0R) такое, что при |z|<R ряд сходится, при |z|>R ряд расходится. Это число называется радиусом сходимости степенного ряда. Круг |z| < R называется кругом сходимости.
Следствие 2.
Радиус сходимости комплексного степенного
ряда (1) совпадает с радиусом сходимости
вещественного степенного ряда
Для этого утверждения необходимо сначала показать, что ряд (1) и ряд
(2)
имеют одинаковые круги
сходимости. Действительно пусть их
круги сходимости имеют радиусы R1,
R2.
Во всех точках |z|<R1
ряд (1) сходится абсолютно и, следовательно,
(2) тоже сходится абсолютно, т.к. ряды из
модулей для (1) и (2) одинаковы. По этой же
причине справедливо обратное утверждение,
во всех точках |z|<R2
будет сходится абсолютно не только ряд
(2), но и ряд (1). После этого можно рассмотреть
ряды
и
и
показать, что они имеют один и тот же
радиус сходимости.
В частности, комплексный ряд с вещественными коэффициентами имеет тот же радиус сходимости. Что и вещественный ряд с этими коэффициентами.
Теорема 2 (Абель ) Если ряд (1) имеет радиус сходимости R, то он сходится равномерно в любом круге радиуса r < R.
Доказательство: По первой теореме Абеля ряд |ckrk| сходится, кроме того ckzkck rk (z/r)k < ck rk | для всех z: |z| < r. По признаку Вейерштрасса ряд сходится равномерно на этом множестве.
Теорема (Коши, Адамар)
Радиус сходимости ряда (1) определяется
по формуле R=
(
).
Примеры:
1)
,
имеем cn = 0, если n
k2, cn
= 2k, если n
= k2.
Поэтому
,
так остальные коэффициенты при n0,cn=0.
Далее
.
2) По определению полагаем
,
по признаку Даламбера R
= ,
либо согласно следствию 2 из первой
теоремы Абеля .
3) По определению полагаем
,
рассматривая соответствующий вещественный
ряд и используя следствие 2 из первой
теоремы Абеля, получим R
= .
Очевидно sin (-z)
= - sin z.
4) По определению полагаем
,
рассматривая соответствующий вещественный
ряд и используя следствие 2 из первой
теоремы Абеля, получим R
= .
Очевидно cos (-z)
= cos z.
5) По определению полагаем
,
рассматривая соответствующий вещественный
ряд и используя следствие 2 из первой
теоремы Абеля, получим R
= .
6) По определению полагаем
,
рассматривая соответствующий вещественный
ряд и используя следствие 2 из первой
теоремы Абеля, получим R
= .
2.Свойства экспоненциальной и основных тригонометрических функций.
a)
,
действительно
.
Следствие:
c) cos z
=
,
sin z =
Пример: |sin (iy)
| = ||=|sh
y|
при y.
d) eu+v=eu ev
e) ez+2i = eze2i=ez, таким образом период = 2i, откуда следует, что sin и cos имеют период 2.
f) Из c) и d) следует, что sin2z + cos2z = 1 (непосредственная проверка)
g) sin iz = i sh z, cos iz = ch z, ch2z – sh2z = 1. Доказывается, используя формулы Эйлера.
ТФКП. 4 семестр. Логинов А.С. 2006 г. loginov_1999@mail.ru