Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспекты лекций.doc
Скачиваний:
159
Добавлен:
07.02.2015
Размер:
2.87 Mб
Скачать

§ 2. Дифференцируемость функции комплексной переменной.

        Пусть w = f(z) определена, однозначна и принимает собственные значения в окрестности точки z = x + iy ∈ C. Производной функции w = f(z) в точке z называется предел . Функция, имеющая конечную производную в точкеz, называется дифференцируемой в этой точке.          В этом определении важно, что стремление Δz → 0 может проходить по любому пути. Как мы увидим дальше, вследствие этого обстоятельства существование производной f’(z) не сводится к существованию частных производных функций u(xy) и v(xy), а требует некоторых дополнительных условий. Сейчас мы дадим определение основного в теории ФКП понятия - аналитичности функции в точке и в области.          Опр. Однозначная функция называется аналитической (регулярной, голоморфной) в точке z, если она дифференцируема в некоторой окрестности этой точки.          Однозначная функция называется аналитической в области Dесли она аналитична в каждой точке этой области.          Примеры. 1. f(z) = z 2. В этом случае (z + Δz) = (z + Δz)2 = z 2 + 2 z·Δz + (Δz) 2. Таким образом , эта функция дифференцируема в любой точке, и её производная равна 2z2.f(z) = | z |2 = x2 + y2. Докажем, что эта функция не имеет производной ни в какой точке z ≠ 0. Будем стремить Δz → 0 по двум путям: по прямой, параллельной действительной оси Ох (в этом случае Δz = Δx), и по прямой, параллельной мнимой оси Оу (в этом случае Δz = i Δy). В первом случае ,во втором . Эти пределы равны, только если2х = −2iy ⇒ х = y = 0. Таким образом, функция f(z) = | z |2 = x2 + y2 может быть дифференцируема в единственной точке z = 0, во всех остальных точках пределы различны в зависимости от способа стремления Δz → 0, т.е. не существует.          Условия Коши-Римана (Даламбера-Эйлера).

Сейчас мы сформулируем и докажем важнейшую в теории ФКП теорему о необходимых и достаточных условиях дифференцируемости (а, следовательно, аналитичности) функции.          Для того, чтобы функция w = f(z) = u(xy) + i v(xy) была дифференцируема в точке z = x + iy, необходимо и достаточно, чтобы функции u(xy) = Re f(z) и v(xy) = Im f(z) были дифференцируемы в точке (х,у), и чтобы в этой точке выполнялись соотношения .         ДоказательствоНеобходимость. Здесь мы применим идею, которой воспользовались, когда доказывали, что функция f(z) = | z |2 = x2 + y2 не имеет производных в точках z ≠ 0: подойдём к точке z двумя путями - по направлениям Δz = Δх (Δy = 0) и Δz = iΔy (Δx = 0).          В первом случае: Δw = (u(x + Δxy) + iv(x + Δxy)) − (u(xy) + iv(xy)) =  = (u(x + Δxy) − u(xy)) + i(v(x + Δxy) − v(xy)) = Δxu + iΔxv.          Во втором случае: (напомню, что) Δw = (u(xy + Δy) + iv(xy + Δy)) − (u(xy) + iv(xy)) =  = (u(xy + Δy) − u(xy)) + i(v(xy + Δy) − v(xy)) = Δyu + iΔyv. Пределы должны быть равны, поэтому.         Достаточность. По предположению теоремы, функции u(xy), v(xy) дифференцируемы в точке (х,у), поэтому где α(Δx, Δy), β(Δx, Δy) - бесконечно малые более высокого порядка по сравнению с , т.е.,. Найдём..          Последнее слагаемое - бесконечно малая высшего порядка по сравнению с

Δz = Δx + iΔy

; далее, в предыдущих слагаемых, пользуясь формулами Коши-Римана, оставим только частные производные по х, т.е. заменим на,на; тогда. Отсюда следует, что существует, т.е. функция дифференцируема в точке (х,у).          Производная дифференцируемой функции может находиться по любой из формул , эти равенства следуют из условий Коши-Римана. При вычислении производных можно пользоваться всеми правилами действительного анализа:

(в точках, где g(z) ≠ 0. 

Примеры вычисления производных.           1. Выше мы доказали, что функция f(z) = z2имеет производную, равную 2z, в каждой точке. Проверим, что для этой функции выполняются условия Коши-Римана. Так какw = z2 = (x + iy)2 = x2 - y2 + 2 ixy, то . Тогда.          2. Для функцииw = z мы получили u(xy) = z cos yv(xy) = z sin y. Поэтому , т.е. функция дифференцируема..Геометрический смысл производной

Равенство означает, что Δw = f ′(z)·Δz + γ(Δz)·Δz, где γ(Δz) → 0 при Δz → 0. Отсюда, в частности, следует, что если функция дифференцируема в точке, то она непрерывна в этой точке. Будем писать Δw ≈ f ′(z)·Δz, пренебрегая слагаемым высшего порядка малости. Пусть в точке z существует f'(z) ≠ 0. Возьмём точки z и z + Δz; пусть w = f(z), тогда Δw ≈ | f (z)|·e i arg f ′ (z)·Δz = | f (z)|·|Δze i (arg f ′ (z) + arg Δz). Таким образом, |Δw| в |f ′(z)| больше |Δz|, arg Δw больше arg Δz на arg f ′(z)для любого arg Δz (с точностью до бесконечно малых высшего порядка). Следовательно, в окрестности любой точки z, в которой

 f ′(z) ≠ 0 отображение z → w = f (z) действует следующим образом: любой вектор растягивается в |f ′(z)| раз и поворачивается на угол arg f ′(z). 

Конформность дифференцируемого отображения.          Пусть через точку z проходят две гладкие кривые L1 и L2, касательные l1 и l2 к которым образуют с осью Ох углы, соответственно, θ1 и θ2. Образы этих кривых L'1 и L'2 при дифференцируемом отображении z → w = f (z) имеют касательные l1' и l2', образующие с действительной осью Ou углы θ1' и θ2'. Согласно предыдущему пункту,θ1' = θ1 + arg f '(z), θ2' = θ2 + arg f '(z), т.е. θ2' − θ1' = θ2 − θ1. Таким образом, дифференцируемое отображение при f '(z) ≠ 0сохраняет углы между кривыми. Сохраняется и направление отсчёта углов (т.е. если θ2 > θ1, то θ2' > θ1').  Любое преобразование плоскости в плоскость, обладающее эти свойством (т.е. свойством сохранения углов), называется конформным. Если при этом сохраняется направление отсчёта углов, то преобразование называетсяконформным преобразованием первого рода; если направление отсчёта углов меняется на противоположное, то преобразование называется конформным преобразованием второго рода. Мы доказали, что аналитическая в некоторой области G функция w = f(z) осуществляет конформное отображение первого рода во всех точках, в которых производная отлична от нуля.          Пример конформного отображения второго рода – недифференцируемая функция .

Гармоничность действительной и мнимой частей аналитической функции. Дифференцируя первое соотношение Коши-Римана по переменнойх, второе соотношение по переменнойу, получим , т.е. Δu = 0 (Δ - оператор Лапласа), т.е. u(xy) - гармоническая функция. Дифференцируя первое соотношение Коши-Римана по переменной у, второе соотношение по переменной х, получим , т.е. Δv = 0, т.е. v(xy) - тоже гармоническая функция. Пара гармонических функций, связанных соотношениями Коши-Римана, называется сопряжёнными функциями. Легко доказать, что для любой гармонической в односвязной области D функции u(xy) существует единственная (с точностью до постоянного слагаемого) сопряжённая с ней гармоническая функция v(xy), т.е. такая функция, чтоw = f(z) = u(xy) + i v(xy) - аналитическая функция; и наоборот, для любой гармонической v(xy) существует сопряжённая с ней гармоническая u(xy). Пусть, например, дана u(xy), обозначим . Эти функции удовлетворяют условию, т.е. векторное полепотенциально. Функциюv(xy) можно найти теперь из системы (как это делается при решении уравнения в полных дифференциалахP(xydx + Q(xydx = 0), и как потенциальную для поля функцию.

Пример восстановления аналитической функции по ее действительной (мнимой части).          В качестве примера рассмотрим задачу, аналогичную задаче 5 из домашнего задания. Может ли функция v(xy) = e -y(xcos x - ysin x) быть мнимой частью некоторой аналитической функции w = f(z)? В случае положительного ответа найти функцию w = f(z).          Решение. Докажем, что v(xy) - гармоническая функция.  vx′ = e - y(cos x − x sin x − y cos x); vxx″ = e - y(−sin x − sin x − x cos x + y sin x) =

e - y(−2 sin x − x cos x + y sin x); vy′ = −e - y(x cos x − y sin x + sin x); 

vyy″ = e - y(x cos x − y sin x + sin x + sin x) =

= e - y(−2 sin x − x cos x + y sin x); , т.е.v(xy) - гармоническая функция и, следовательно, может являться мнимой частью аналитической функции.  Найдём эту функцию. Для действительной части u(xy) справедливы соотношения

    − e y y cos x + e y cos x = − e yx sin x + y cos x) + φ(y),

для нахождения φ(y) используем второе уравнение системы: φ (y) = 0 ⇒ φ(y) =  C = const.          Формально мы можем выписать w = f(z) = u(xy) + i v(xy) = 

= e –y [- (xsin x + ycos x) + i(xcos x - ysin x)] + C, но толку в этой записи нет, так как не видна зависимость f от z. Поэтому сделаем по-другому. Выпишем производную f (z): . На действительной оси (приу=0, т.е при z = x) функция w = f(z) превращается в функцию действительной переменной f(x), её производная - в (x). Положим в (zу = 0, z : (z)|y = 0, z = x = −ey[(x cos x − y sin x + sin x) + i(cos x − x sin x − y cos x)]|y = 0, z = x = − z cos z − sin z + i(cos z − z sin z); проинтегрировав это выражение, получим f(z).          Техника нахождения неопределённых интегралов в теории функций комплексной переменной в основном та же, что и в математическом анализе; таблица основных интегралов в обоих случаях одинакова, поскольку одинакова таблица производных. Поэтому = −z sin z + iz cos z + C = iz (cos z + i sin z) + C = iz e iz C, где С – произвольная вещественная постоянная интегрирования. Постоянная интегрирования будет действительной, если по условию задачи задана функция v(xy), и с точностью до произвольной постоянной находится действительная часть u(xy) функции f(z); если же задана функция u(xy), то с точностью до произвольной постоянной интегрирования находится мнимая часть v(xy), т.е постоянная будет чисто мнимым числом Ci (C - произвольное вещественное число).          Проверим полученный результат. Если f(z) = iz e iz C, то f(z) = (ix − yeix − y + C = = ey(ix − y)(cos x + i sin x) + C = i ey x cos x − ey x sin x − ey y cos x − i ey y sin x + C = ;; условия Коши-Римана выполнены, следовательно, функцияf(z) = iz e iz C - аналитическая на всей комплексной плоскости функция.          Во всех этих рассуждениях мы проигнорировали вопрос о том, имеют ли функции u и v производные порядка выше первого? (Существование первых производных следует, как мы видели, из дифференцируемости f(z)). Дальше мы докажем, что, в отличие от действительного случая, ФКП обладает удивительным свойством - если она аналитична в некоторой области (т.е. в каждой точке этой области имеет первую производную), то она бесконечно дифференцируема в этой области (т.е. в каждой точке этой области она имеет производную любого порядка). Как следствие, функции u и v тоже бесконечно дифференцируемы.

 

130