Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 800226

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
01.05.2022
Размер:
1.02 Mб
Скачать

В.В. Дежин М.Л. Лапшина

ФУНКЦИИ КОМПЛЕКСНОГО ПЕРЕМЕННОГО

Учебное пособие

Воронеж 2011

ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

В.В. Дежин М.Л. Лапшина

ФУНКЦИИ КОМПЛЕКСНОГО ПЕРЕМЕННОГО

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2011

0

1

УДК 517

Дежин В.В. Функции комплексного переменного: учеб. пособие / В.В. Дежин, М.Л. Лапшина. Воронеж: ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 133 с.

Учебное пособие состоит из пяти глав, разбитых на параграфы. Оно содержит теоретический материал по разделу функции комплексного переменного, а также примеры решения задач.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 230200 «Информационные системы», специальности 230201 «Информационные системы и технологии», дисциплине «Математика».

Предназначено для студентов очной формы обучения. Учебное пособие подготовлено в электронном виде в тек-

стовом редакторе MS Word и содержится в файле ФКП.pdf.

Ил. 31. Библиогр.: 15 назв.

Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. И.Л. Батаронов

Рецензенты: кафедра информационных систем и технологий Воронежского института высоких технологий (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Ю.С. Сербулов); д-р физ.-мат. наук, проф. В.Н. Нечаев

©Дежин В.В., Лапшина М.Л., 2011

©Оформление. ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011

ВВЕДЕНИЕ

Раздел «Функции комплексного переменного» является одним из наиболее важных и сложных при изучении курса «Математика». Глубокое неформальное изучение таких основных понятий как комплексные числа, кривые и области на комплексной плоскости, основные элементарные функции комплексного переменного, дифференцирование функций комплексного переменного, интегрирование функций комплексного переменного, разложение функций комплексного переменного в ряды Лорана, применение вычетов к вычислению контурных интегралов и определенных интегралов необходимо при усвоении специальных курсов для специальности «Информационные системы».

Вглаве 1 пособия содержатся необходимые теоретические сведения по комплексным числам и действиям с ними.

Во 2-й главе пособия определяются основные элементарные функции комплексного переменного, вводится понятие аналитических функций комплексного переменного и их дифференцирования.

В3-й главе пособия излагается понятие интегрирования функций комплексного переменного, применение интегральной формулы Коши.

В4-й главе пособия изучается разложение функций комплексного переменного в ряды Лорана. Проводится классификация изолированных особых точек, определяется вычисление вычетов в изолированных особых точках.

В5-й главе рассматриваются вычеты и их приложение к вычислению интегралов.

Главы пособия разбиты на параграфы, в каждом из которых приведены примеры решения задач.

Пособие может использоваться как студентами, так и преподавателям для подготовки к практическим занятиям, контрольным работам, коллоквиуму, экзамену.

2

3

ГЛАВА 1 КОМПЛЕКСНЫЕ ЧИСЛА. КОМПЛЕКСНАЯ ПЛОСКОСТЬ

1.1. Определение комплексного числа

Комплексными числами называются пары x, y действи-

тельных чисел x и y , если для них определены понятия равенства и операции сложения и умножения следующим обра-

зом:

 

Два комплексных числа x1, y1 и x2,

y2

 

 

1.

считаются

равными тогда и только тогда, когда

 

 

 

 

x1 x2 и y1 y2.

 

(1.1)

 

2.

Суммой двух комплексных чисел x1,

y1

и x2, y2

называется комплексное число

 

 

 

 

 

x1 x2,

y1 y2

 

(1.2)

 

3.

Произведением двух комплексных чисел

x1, y1 и

x2,

y2

называется комплексное число

 

 

 

 

x1x2 y1y2,

x1y2 x2y1 .

 

(1.3)

 

Из формул (1.2) и (1.3) вытекают соотношения:

 

 

x1, 0 x2, 0 x1 x2, 0 ,

x1, 0 x2, 0 x1x2, 0 ,

которые показывают, что операции над комплексными числами вида x, 0 совпадают с операциями над действительными

числами x. Поэтому комплексные числа вида x, 0 отождест-

вляются с действительными числами: x, 0 x .

Комплексное число 0,1 1 называется мнимой еди-

ницей и обозначается буквой i, т.е. i 0, 1 . Для произведения

i2 по формуле (1.3) имеем i2 i i 0,1 0,1 1, 0 1.

Из формул (1.2) и (1.3) вытекают также равенства: 4

0, y 0, 1 y, 0 iy,

x, y x, 0 0, y x iy.

Таким образом, каждое комплексное число x, y можно

представить в виде x iy. Запись комплексного числа в виде x iy называется алгебраической формой комплексного числа Комплексные числа вида iy называются чисто мнимыми. В

частности, число 0, т.е. комплексное число 0, 0 , является

единственным числом, которое одновременно и действительное и чисто мнимой.

С помощью алгебраической формы комплексного числа формулы (1)–(3) записываются таким образом:

1.x1 iy1 x2 iy2 тогда и только тогда, когда

 

 

 

x1 x2 и

y1 y2.

(1.4)

2.

x1, y1

+ x2, y2

= x1 x2 i y1 y2 .

(1.5)

3. x1 iy1 x2

iy2 x1x2

y1y2 i x1y2 x2y1 .

(1.6)

Комплексное число x iy принято обозначать одной бук-

вой z ,

т.е. z x iy. Число x называется действительной ча-

стью,

а число

y

мнимой

частью комплексного

числа

z x iy. Для этих чисел приняты обозначения:

 

 

x Re x iy Rez ,

y Im x iy Imz .

 

(Обозначения Re и Im являются сокращениями французских слов Réel (действительный) и Imaginaire (мнимый)). Здесь, как

и всюду в дальнейшем, предполагается, что x и

y – действи-

тельные числа.

 

Комплексное число x iy называется

комплексно

сопряжённым с числом x iy и обозначается:

 

 

z

 

 

x iy .

.(1.7)

 

x iy

Равенство z z имеет место в том и только в том случае, когда z – действительное число.

5

z1 z2 x1 x2 i y1 y2 .

Пример 1.1. z 5 3i, тогда

z

5 3i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число

 

 

 

 

x2 y2 называется модулем комплексного числа

z x iy и обозначается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

x iy

 

 

x2 y2

.

(1.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно,

 

z

 

0, причем

 

z

 

 

0 тогда и только тогда,

когда

 

 

 

 

z 0. Отметим две формулы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

z

 

 

 

,

 

(1.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zz

 

 

z

 

2 ,

(1.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которые вытекают из равенств (1.7), (1.8) и равенства zz x iy x iy x2 y2 .

Пример 1.2. z 5 3i, тогда

 

z

 

 

 

5 3i

 

 

52 ( 3)2

 

 

 

 

 

34 , zz (5 3i)(5 3i) 25 15i 15i 9i2 25 9 34

z 2 34 2 34.

Операции сложения и умножения комплексных чисел обладают следующими свойствами:

1.

Коммутативность

 

 

z1 z2 z2 z1,

z1z2 z2z1.

2.

Ассоциативность

 

z1 z2 z3 z1 z2 z3 ,

z1z2 z3 z1 z2z3 .

3 Дистрибутивность

z1 z2 z3 z1z2 z1z3 .

Докажем, например, коммутативность сложения. Пусть z1 x1 iy1, z2 x2 iy2 . Тогда по формуле (1.5) имеем

z1 z2 x1 x2 i y1 y2 , z2 z1 x2 x1 i y2 y1 .

6

Но по свойству коммутативности сложения действительных

чисел

x1 x2 x2 x1 и

y1 y2 y2 y1.

Следовательно,

z1 z2

z2 z1. Аналогично проверяются остальные свойства.

Из свойств 1-3 вытекает, что операции сложения и ум-

ножения над комплексными числами x iy

обладают фор-

мально такими же свойствами, как если бы число i было действительным. В частности, нет необходимости запоминать формулы (1.5)–(1.6), их можно получить по обычным формулам алгебры. Например, (1.6) вытекает из равенства

x1 iy1 x2 iy2 x1x2 iy1y2 ix2y1 i2y1y2

иравенства i2 1. Числа нуль и единица в множестве комплексных чисел обладают теми же свойствами, что и в множестве действительных чисел. А именно, для любого комплексного числа z имеют место равенства

z 0 z , z 1 z .

В множестве комплексных чисел можно ввести операцию, обратную к операции сложения. Эта операция, как обычно, называется вычитанием. Для любых двух комплексных чисел z1 и z2 существует, и притом только одно, число z , удовлетворяющее уравнению

z z2 z1.

(1.11)

Это число называется разностью чисел z1 и z2 и обозначается z1 z2 . В частности, разность 0 z обозначается z.

Из равенств (1.4) и (1.5) вытекает, что для любых ком-

плексных чисел z1 x1 iy1 и

z2 x2 iy2 уравнение

(1.11)

имеет единственное решение

z x1 x2 i y1 y2 .

Таким

образом,

 

 

(1.12)

Операция, обратная умножению, называется делением, а частным двух комплексных чисел z1 и z2 называется такое число z , которое удовлетворяет уравнению

7

zz2 z1,

(1.13)

и обозначается z1 :z2 или z1 z2 . Докажем, что

уравнение

(1.13) имеет единственное реше6ние для любых комплексных

чисел

 

 

z1

и z2 , если

 

z2 0.

Умножая обе части уравнения

(1.13)

 

 

 

на

число

 

z

2

 

и используя формулу (1.10), получаем

z

 

z

2

 

2

 

z

z

2

,

откуда

умножением

на

число

 

1

 

z

2

 

2

 

находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

z1

z

2

. Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

 

z1

z

2

 

z1

z

2

 

 

 

 

 

z2 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

z2z2

 

z2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если z1 x1 iy1 и z2

x2

iy2 , то формулу (1.14) можно запи-

сать в виде:

 

 

 

 

 

x1 iy1 x2 iy2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

z1

 

x1 iy1

 

 

 

 

x1x2 y1y2

 

i

x2y1 x1y2

 

 

 

 

 

 

x iy

 

 

x iy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

x iy

 

2

 

x

2

 

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.3. Пусть z1 2 3i ,

z2 3 4i.Тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1 z2 (2 3) i( 3 4) 5 i,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1 z2 (2 3) i( 3 4) 1 7i ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z

2

 

2 3i 3 4i 6 8i 9i 12i2 6 i 12 18 i,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3i

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

2 3i

 

 

 

 

6 8i 9i 12i

2

 

 

 

 

 

6 17

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i.

 

 

 

 

 

z2

3 4i

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

32 42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25 25

 

 

 

 

1.2. Геометрическая интерпретация комплексного числа

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть на плоскости задана прямоугольная система коор-

динат.

 

 

 

Комплексное

 

число

z x iy

изображается

 

точкой

плоскости с координатами x,

y , и эта точка обозначается той

же буквой z (рис. 1.1). Такое соответствие между комплексными числами и точками плоскости является взаимно однозначным. При этом действительные числа изображаются точ-

8

ками оси абсцисс, а чисто мнимые числа изображаются точками оси ординат. Поэтому ось абсцисс называется действительной осью, а ось ординат – мнимой осью. Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется комплексной плоскостью. Ясно, то точки z и z симметричны относительно начала координат, а точки z и z симметричны относительно действительной оси (рис. 1.1). Комплексное число z изображается также вектором с началом в точке 0 и концом в точке z (рис. 1.1).Такое соответствие между комплексными числами и векторами комплексной плоскости также является взаимно однозначным. Поэтому вектор, изображающий комплексное число z , означается той же буквой z . Из формулы (1.8) и рис.1.1 видно, что длина вектора z равна z и име-

ют место неравенства

Rez

 

z

,

Im z

 

z

.

_

-z z=x+iy y

-x

x

 

 

_

-z

-y

z

 

Рис. 1.1

С помощью векторной интерпретации наглядно иллюстрируются сложение и вычитание комплексных чисел. Из фор-

9

мулы (1.5) вытекает, что число z1 z2 изображается вектором,

построенным по обычному правилу сложения векторов z1 и z2

(рис. 1.2). Вектор z1 z2 строится как сумм векторов z1 и z2

(рис. 1.2). Из рис. 1.2 видно, что расстояние между точками z1 и z2 равно длине вектора z1 z2 , т.е. равно z1 z2 .

y

z1+z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1-z2

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.2

 

Пример 1.4.

Множество точек z , удовлетворяющих

уравнению

 

z z0

 

 

 

 

R, есть окружность радиуса R с центром в

 

 

точке z0 , так как

 

 

z z0

 

– расстояние между точками z и z0 .

 

 

Пример 1.5.

Множество точек z ,

удовлетворяющих

уравнению

 

 

z z1

 

 

 

 

z z2

 

 

, есть множество точек, равноуда-

 

 

 

 

 

 

ленных от точек

 

 

z1

 

и z2 .

Следовательно,

это уравнение пря-

мой, перпендикулярной отрезку, соединяющему точки z1 и z2 , и проведенной через его середину.

10

Пример 1.6. Множество точек z , удовлетворяющих

1

уравнению z z1 z z2 2a , где a 2 z1 z2 , есть эллипс с фокусами в точках z1, z2 и с большей полуосью, равной a, так

как

z z1

 

z z2

– сумма расстояний от точки z до точек z1

и z2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.7. Аналогично, уравнение

 

 

 

z z1

 

 

 

z z2

 

 

 

2a ,

 

 

 

 

 

 

где a

1

 

 

z z

 

 

, является уравнением гиперболы с фокусами

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в точках z1, z2

и с действительной полуосью, равной a.

Неравенство треугольника. Для любых комплексных чи-

сел z1 и z2 имеют место неравенства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

z1 z2

 

 

 

z1

 

 

 

z2

 

.

(1.15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Длины сторон треугольника с верши-

нами в точках 0, z1, z1 z2 равны

 

z1

 

,

 

z2

 

 

 

и

 

z1 z2

 

(рис. 2.1).

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, неравенства (1.15) являются известными из элементарной геометрии неравенствами для длин сторон треугольника.

Следствие. Для любых комплексных чисел z1, z2 ,

, zn

имеет место неравенство

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

zk

 

 

zk

.

(1.16)

 

k 1

 

k 1

 

1.3. Тригонометрическая и показательная формы комплексного числа

Положение точки z x iy на комплексной плоскости однозначно определяется не только декартовыми координатами x, y , но и полярными координатами r . (рис. 1.3), где

r

z

– расстояние от точки 0 до точки z , а – угол между

11

действительной осью и вектором z , отсчитываемый от положительного направления действительной оси. При этом, если отсчет ведется против часовой стрелки, то величина угла считается положительной, а если по часовой стрелке – отрицательной. Этот угол называется аргументом комплексного числа z ( z 0 )и обозначается arg z (обозначение arg является сокращением французского слова argument). Он определяется не однозначно, а с точностью до слагаемого, кратного 2 :

Argz argz 2k

(k 0,

1, 2, ),

 

где argz есть главное значение Argz ,

определяемое условия-

ми argz , причем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

если

x 0, y 0

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg

,

если

x 0,

y 0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,

если

x 0, y 0

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg

 

,

если

x 0,

y 0

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.17)

argz

 

,

если

x 0,

 

y 0

 

 

 

 

 

 

y

 

если

x 0,

y 0

 

arctg

,

 

 

 

 

 

x

 

 

 

если

x 0, y 0

 

 

2,

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg

,

если

x 0,

y 0

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из рис. 1.3. видно, что

 

 

y rsin .

 

 

x rcos ,

 

(1.18)

Следовательно, любое комплексное число z 0 можно представить в виде

z r(cos isin ) .

(1.19)

Запись комплексного числа в виде (1.19) называется тригонометрической формой комплексного числа. Из формул (1.18) вытекает, что если z x iy, Arg z, то

12

cos

 

x

 

, sin

 

y

 

.

(1.20)

 

 

 

 

 

 

x2 y2

x2 y2

 

 

 

 

 

 

 

 

y

z=x+iy=r(cos isin )=rei

 

 

r

 

 

 

x

 

Рис. 1.3

Пример 1.8. Найдем аргумент комплексного числа

z 1 i. Так как точка

z 1 i лежит в третьей четверти и

arctg

y

arctg

1

 

 

arctg1

 

,

то по формуле (1.17) получаем

 

 

 

 

 

 

 

x

1

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

argz

 

 

 

3

, а

 

Argz argz 2k

3

2k ,

где

 

 

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

k 0, 1, 2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.9. Записать в тригонометрической форме ком-

плексное число z 1 i

 

 

 

. Имеем r

 

z

 

 

( 1)2 (

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

3)2 2,

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

argz

 

 

2

 

arctg

arctg

 

3

Следовательно,

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1 i 3 2 cos

 

 

 

 

isin

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Любое комплексное число z 0 можно записать в пока-

зательной форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z rei , где r

 

z

 

, Arg z.

(1.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция ei для любого действительного числа определя-

ется формулой Эйлера

 

ei

cos isin .

 

(1.22)

В частности, e2 i

1,

e i 1, e i/2 i,

e i/2 i ,

 

ei

 

1.

 

 

Из (1.22) получается равенство

 

 

 

 

 

 

e i cos isin .

 

(1.23)

Сложением и вычитанием равенств (1.22) и (1.23) получаются

формулы Эйлера:

cos

ei e i

,

 

sin

ei e i

.

(1.24)

 

 

 

Функция ei

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2i

 

 

 

 

обладает обычными свойствами показательной

функции:

 

 

 

 

 

 

 

 

ei 1

 

 

 

 

 

 

i i

 

 

i(

)

 

 

i(

)

 

 

 

e

1e

2 e

1 2

 

,

 

 

e

1 2

 

,

 

(1.25)

 

 

 

 

 

 

ei n

 

 

 

 

 

 

ei 2

 

 

 

 

 

 

ein ,

 

n 0, 1, 2,

 

 

(1.26)

Из равенств (1.26) и (1.23) вытекает формула Муавра:

 

cos isin n cosn isinn ,

n 0, 1, 2,

(1.27)

С помощью равенств (1.25) легко получаются формулы умножения и деления комплексных чисел, записанных в показательной форме:

z z

2

rei 1r ei 2

rr ei( 1 2) ,

(1.28)

1

 

1

2

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

z

 

rei 1

 

r

 

i(

 

)

 

 

 

 

1

 

1

 

1

e

1

2

 

.

(1.29)

 

 

z2

r ei 2

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Из формулы (1.28) следует, что модуль произведения двух комплексных чисел равен произведению модулей этих чисел: z1z2 z1z2 , а сумма аргументов сомножителей является ар-

гументом произведения: argz1 arg z2 arg(z1z2). Аналогично из формулы (1.29) вытекает, что модуль частного двух ком14

плексных чисел равен частному модулей этих чисел:

z1

 

 

 

 

z1

 

 

z2

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( z2 0), а разность аргументов делимого и делителя является

аргументом частного: argz1 argz2 arg z1 . z2

Пример 1.10. 1 i3 3 1 i 2 2e i 3 3 2ei 4 2

8 2 e i ei 2 16e i 2 16i .

 

 

Пример 1.11. Вычислить

 

z

z

20

, где

z 1 i

 

 

 

,

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 1 i .

Имеем

 

z1

 

 

 

 

 

 

 

2,

 

 

1

3,

 

 

z2

 

 

 

 

,

 

 

 

 

1 3

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4.

Тогда z

 

z

 

 

 

20

 

2e

 

3

 

20

210

 

e 13i 12

 

20

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

65i 3

10

22i

 

 

i 3

 

10

 

 

i 3

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 e

 

2 e

 

e

 

 

 

 

 

2

e

 

 

 

 

 

2

cos

 

isin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29 1 i

3

.

Корень n-й степени (n – натуральное число) из комплексного числа z 0 имеет n различных значений, которые находятся по формуле

n

 

 

 

 

 

 

 

2k

2k

 

 

 

i( 2k )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

z n

z

 

 

cos

 

 

isin

 

 

 

n

ze

 

, (1.30)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

arg z ,

k 0,1, 2, ,

n 1.

Точки,

 

соответствующие

этим

 

значениям,

являются

 

вершинами

 

правильного n-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

угольника, вписанного в окружность радиуса n

 

z

 

 

 

с центром в

 

 

начале координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.12.

Найдем все значения

 

 

. Приводим

 

 

1 i

комплексное число 1 i к тригонометрическому виду:

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 i

2

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

isin

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

4

 

31 i

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

2 cos

 

 

 

 

 

 

isin

 

 

 

.

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая k 0,1, 2, находим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 i

 

 

 

 

 

 

isin

 

 

 

 

 

k 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

1 i

 

 

 

 

 

 

isin

 

 

 

 

 

k 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 2,

 

 

 

1 i

 

 

 

2

 

cos

 

 

 

 

 

 

isin

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

Как уже отмечалось (1.9), модули комплексно сопряженных чисел равны. Установим связь между их аргументами.

Пусть z rei , тогда из равенств (1.22) и (1.23) видно, что z re i . Следовательно, если argz , то argz .

Отметим, что операция сопряжения перестановочна с арифметическими операциями над комплексными числами:

 

 

 

 

 

z

 

z

 

,

 

 

 

 

z

 

z

 

,

 

z1

 

 

z1

(z

 

0),

z z

 

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

1

 

 

2

 

1

2

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

z2

 

 

 

 

 

 

z

n

 

 

 

 

 

zn

 

(n 0, 1, 2, ),

z 0

при n 0 .

1.4. Кривые и области на комплексной плоскости

Пусть функция

z (t) определена на отрезке t

и принимает комплексные значения. Эту комплекснозначную

функцию можно

представить

в

виде (t) (t) i (t), где

(t) Re (t) и

(t) Im (t)

действительные функции.

Многие свойства действительных функций естественным образом переносятся на комплекснозначные функции.

Предел функции (t) (t) i (t) определяется так

 

 

 

lim (t) lim (t) i lim (t) .

 

 

 

(1.31)

 

 

 

t t0

 

 

 

t t0

 

 

t t0

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, предел

 

lim (t)

существует,

если существуют

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t t0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пределы lim (t) и lim (t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t t0

 

 

t t0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пределы комплекснозначных функций обладают сле-

дующими свойствами: если существуют пределы lim

 

(t) a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t t0

1

 

1

и lim 2(t) a2 , то существуют пределы

 

 

 

 

 

 

 

t t0

 

 

 

 

 

(t)

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

(t) a a

 

 

 

lim

 

(t)

 

a

a ,

 

(t)

 

,

 

t t0

 

1

 

 

2

 

 

 

 

1

2

t t0

1

 

2

1 2

 

 

а если a

0,

то

lim

1(t)

 

a1

. Аналогичны определения и

 

 

2

 

 

 

t t0

2

(t)

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

свойства пределов

 

lim (t) и

lim (t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t t0 0

 

 

t t0 0

 

 

 

 

 

 

 

Функция

(t) (t) i (t)

называется

непрерывной

в

точке (или на отрезке), если в этой точке (на отрезке) непрерывны функции (t) и (t) . Ясно, что сумма, разность и произведение непрерывных комплекснозначных функций являются непрерывными функциями, а частное двух непрерывных комплекснозначных функций является непрерывной функцией в тех точках, в которых знаменатель не равен нулю. Отметим также, что комплекснозначная функция (t), непрерывная на

отрезке , ,

ограничена на этом отрезке:

(t)

M для не-

которого M 0

и всех t ,

 

.

 

 

Производная функции (t) (t) i (t)

определяется так

 

 

 

 

(1.32)

 

(t) (t) i (t).

16

17

Следовательно, производная (t) существует, если существуют производные (t) и (t). Это определение эквивалентно определению производной с помощью формулы

 

 

 

 

 

 

 

 

(t t) (t)

.

 

(1.33)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t) lim

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

t 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если существуют производные 1(t)

и 2(t), то существуют

производные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

1 2

1

 

2

1 2

1 2

1 2 , а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

2

2

 

 

 

 

если 2(t) 0

, то

 

 

 

 

 

 

 

1

.

 

 

 

2

 

 

 

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако не все свойства дифференцируемых действительных функций переносятся на комплекснозначные функции. В частности, для комплекснозначных функций теоремы Ролля и Лагранжа, вообще говоря, неверны.

Пример 1.13.

Функция (t) eit дифференцируема на

 

 

it

,

 

 

 

1

при всех t 0, 2 . Та-

 

 

 

отрезке 0, 2 , (t) ie

 

 

(t)

 

 

не обращается в нуль ни в одной точке от-

ким образом, (t)

резка 0, 2 , хотя (0) (2 ) 1.

 

Комплекснозначную

функцию

(t) (t) i (t) можно

рассматривать как вектор-функцию (t), (t) . Рассмотрен-

ные выше определения предела, непрерывности и производной для функции (t) являются обычными определениями соответствующих понятий для вектор-функции, сформулированные в терминах комплексных чисел. Комплекснозначная функция z (t), t , отображает отрезок , на не-

которое множество точек комплексной плоскости, которое можно рассматривать как график этой функции. В частности, если функция z (t) непрерывна, то ее графиком является некоторая кривая на комплексной плоскости.

18

Пусть на конечном отрезке t задана непрерывная комплекснозначная функция z (t). Тогда говорят, что зада-

на непрерывная кривая

 

 

z (t),

t ,

(1.34)

а уравнение (1.34) называется параметрическим уравнением этой кривой. При этом, если z1 (t1) и z2 (t2), гдеt1 t2 , то говорят, что точка z2 кривой (1.34) следует за точкой z1. Таким образом, кривая (1.34) является упорядоченным множеством точек комплексной плоскости. Другими словами, кривая (1.34) всегда считается ориентированной в направлении возрастания параметра t. Направление движения точки z вдоль кривой (1.34), соответствующее возрастанию параметра t, называется положительным. Пусть кривая задана уравнением (1.34). Тогда на комплексной плоскости точки z (t), t , образуют некоторое множество M( ). Это множество отличается от самой кривой, во-первых тем, что кривая является упорядоченным множеством точек.

Пример 1.14. Кривая

z eit , 0 t является полуок-

ружностью

 

z

 

1, Im z 0,

ориентированной против часовой

 

 

стрелки (рис. 1.4).

Второе отличие кривой от множества M( ) состоит в том, что различным точкам кривой может отвечать одна и та

же точка плоскости:

если (t1) (t2) при t1 t2 , то точки

z1 (t1) и z2 (t2)

являются различными на кривой , но

как точки плоскости они совпадают. Такие точки называются

точками самопересечения кривой (1.34). Исключением являет-

ся совпадение начала и конца кривой: если ( ) ( ) , то эта точка не считается самопересечением кривой (1.34). Кривая, не имеющая точек самопересечения, называется простой кривой. Кривая, у которой начало и конец совпадают, называется замк-

нутой кривой.

Кривая в примере 1.14 является простой незамкнутой. 19