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

 

1 1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

1

1

 

 

f z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

2

 

2

 

 

 

1 z

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

z

 

 

5

 

4

1 z

4

 

 

5 1 z

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воспользуемся разложением (4.12),

подставляя вместо z для

первой дроби z2, а для второй z24. Получим ряд Тейлора

 

1

 

1 n

 

1

 

1 n

f z

 

z2n

 

 

z2n

 

 

1

 

 

z2n .

 

 

n 1

 

 

n 1

n 0 5

 

4

 

5n 0

 

4

 

 

 

 

 

 

 

Ближайшими к точке z 0 особыми точками являются точки z 1, поэтому радиус сходимости полученного ряда R 1.

 

Пример 9. Разложить в ряд Тейлора по степеням

z 3,

т.е. в окрестности точки z

3, функцию

 

f z

 

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 2z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Преобразуем данную функцию:

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

.

 

3 2z

3 2 z 3 3

3 2 z 3

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

3

1

z 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заменяя в разложении (4.12) z на

z 3 , получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

2

 

 

22

 

 

 

 

2

 

 

23

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

z 3

 

 

z 3

 

 

 

 

z 3

 

 

3 2z

3

 

 

 

 

33

 

 

 

 

3

 

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

22

 

 

 

 

2

 

 

23

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3

 

z 3

 

 

 

z 3

.

 

 

3

32

33

 

34

 

Этот ряд представляет собой бесконечную геометрическую прогрессию со знаменателем q 2 z 3 , поэтому он схо-

 

 

 

 

 

2

 

 

3

3

 

дится при

 

q

 

 

z 3

1 или

 

z 3

 

 

, т.е. радиус сходимо-

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сти ряда R 32.

Пример 10. Разложить

f z ln 2 z z2

в окрестно-

сти точки z 0 в ряд Тейлора.

 

 

 

 

Решение. Преобразуем данную функцию:

 

 

 

ln

 

2 z z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 1 z

2 z ln 1 z ln 2 z

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

z

 

ln 1 z ln 2 1

 

 

ln 1 z ln2 ln 1

 

.

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Первое слагаемое раскладываем в ряд по формуле (4.10), второе слагаемое является постоянной, третье слагаемое раскла-

 

z на

 

 

z

дываем в ряд по формуле (4.10), заменяя в ней

 

 

.

2

 

 

 

 

 

Получаем

ln 2 z z2 ln2 z

z2

 

z3

 

z

 

 

z2

 

 

z3

 

 

 

 

 

2 2

2

3

 

 

 

 

2

3

2

 

 

 

 

3 2

 

 

 

 

n 1

zn

 

 

zn

 

 

 

 

 

 

 

n

1

 

zn

ln2 1

 

 

 

 

 

 

 

ln2

 

1

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2n

 

n 1

 

n

n 1 n2n

 

n 1

 

 

 

 

 

 

n

Ближайшей к точке z 0 особой точкой данной функции является точка z 1, поэтому радиус сходимости полученного ряда R 1.

Пример 11. Найти несколько первых членов разложения

в ряд по степеням

z функции

 

f z tgz и найти

радиус

сходимости ряда.

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Пусть искомый ряд имеет вид

 

 

f z

c c z c z

2 c z3 ,

 

 

 

0

1

2

3

 

 

 

где коэффициенты c

находим по формуле (4.9) c

f n 0

 

 

.

 

 

n

 

 

 

n

n!

 

 

 

 

 

 

c0 f 0 0 f 0 tg0 0.

Найдем производные f n z . Имеем

80

81

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

z

 

2

z ,

 

 

 

f

z cos2 z

или f

1 f

 

 

(1*)

 

 

 

 

 

f z 2f z f z ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f z

2 f 2 z f

z f z ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f IV z

2 3f

z f

z f

z f z ,

 

 

 

(2*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fV z 2

3f 2

z 4f z f z

f z f

IV z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...............................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая в (1*) и (2*) z 0, найдем

 

 

 

 

 

 

f 0 1,

f 0 0 ,

f 0 2,

 

f IV 0 0,

fV 0 16,

 

Подставляя найденные значения производных в ряд, получим

tg z z 2 z3 16 z5 3! 5!

Ближайшей к точке z 0 особой точкой данной функции является точка z 2, поэтому радиус сходимости полученного ряда R 2.

 

 

 

 

4.4. Ряды Лорана

 

 

 

 

 

 

Рядом Лорана называется ряд вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c n

 

 

 

c 2

 

 

c 1

 

cn z z0 n

 

 

 

 

 

 

n

 

2

z z0

n

 

 

 

 

z z

0

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

c

c

z z

0

c z z

0

2

c

n

z z

0

n

,

(4.13)

0

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где z0 – фиксированная точка комплексной плоскости, а cn

коэффициенты ряда Лорана (заданные комплексные числа). Теорема Лорана. Если функция f z однозначна и ана-

литична в кольце 0 r z z0 R , то в этом кольце она пред-

 

 

ставима сходящимся рядом Лорана: f z

cn z z0 n ,

 

n

причем это представление единственно; а коэффициенты cn

однозначным образом определяются равенствами

cn

1

 

 

f z

dz , r R, n 0, 1, 2, (4.14)

 

n 1

 

2 i

 

z z0

 

z z0

 

 

 

На практике при нахождении коэффициентов cn стара-

ются избегать применения формул (4.14), так как они приводят к громоздким выкладкам. Обычно, если это возможно, используются готовые разложения в ряд Тейлора элементарных функций.

Если функция

f z аналитична в круге

z z0

R , то

разложение f z в

ряд Лорана в этом круге представляет со-

бой разложение f z в ряд Тейлора – в этом разложении от-

сутствуют слагаемые, содержащие отрицательные степени

z z0 .

Ввыражении (4.13) ряд

1

n

 

c n

 

 

c 2

 

 

 

 

c 1

 

cn z z0

 

 

 

 

 

 

(4.15)

 

z z0

n

z z0

2

 

z z

 

n

 

 

 

 

 

 

0

 

 

называется главной частью ряда Лорана, а ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cn z z0 n c0 c1 z z0 cn z z0 n

(4.16)

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называется правильной частью ряда Лорана.

 

 

1

 

 

Пример 12. Разложить функцию f z

 

в ряд

 

z2 1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лорана в кольце 0 z 1 2.

82

83

Решение. Преобразуем данную функцию следующим образом:

 

f z

 

1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

z 1

 

 

z 1

 

 

 

 

 

1

 

1

 

1

 

1

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

1

 

.

(1*)

4 z 1 2

4 z 1

4 z 1

4 z 1 2

 

 

 

 

 

 

 

Первые два слагаемых в правой части (*) имеют нужный вид, так как представляют собой степени разности z 1. Последние два слагаемых запишем в виде

1

 

 

1

 

1 1

 

 

1

 

1

z 1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

1

 

.

 

 

z 1 2

 

 

 

z

 

 

 

 

z 1

 

 

21

1

z 1 2

 

4

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применяя формулу (4.12), а затем формулу (4.11) при 2, получим

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

z 1

 

 

z 1 2

 

z 1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(2*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

z 1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

z 1

 

 

 

 

2

2 1 z 1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1 2

 

 

 

 

2

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 1 2 2 z 1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

(3*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя (2*) и (3*) в (1*), найдем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f z

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

z2 1 2

4 z 1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 z 1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

z 1

z 1 2

z 1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

z 1

3

 

z 1

2

 

 

 

 

4

 

z

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

3

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

4

z 1 2

4

 

z 1

16

 

 

8

 

 

64

 

 

64

 

 

 

 

Пример 13. Разложить функцию

 

 

f z zcos

 

 

 

z

 

 

 

в ряд

 

 

 

 

 

 

 

z 4

Лорана в окрестности точки z0 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Преобразуем данную функцию:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zcos

 

z

 

z 4 4 cos

z 4 4

z 4 4 cos

1

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

z 4 4

cos1cos

4

 

 

 

 

sin1sin

 

 

4

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

(*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для любого комплексного

 

имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

5

 

 

 

 

 

7

 

 

 

cos 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4!

 

 

6!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7!

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

5!

 

 

 

 

 

 

Полагая

 

4

 

 

 

 

и подставляя в (*), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f z cos1 z 4 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2! z 4

2

 

 

 

 

4! z 4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

4

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin1 z 4 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

5! z

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3! z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos1 z 4 4 cos1 sin1

 

cos1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin1

 

 

32

 

 

 

 

 

 

cos1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

128

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 4 2

 

4

 

 

 

 

 

 

z 4 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это разложение справедливо для любой точки z 4. В данном случае «кольцо» представляет собой всю комплексную плос-

85

кость с одной выколотой точкой z 4, поэтому «кольцо» оп-

ределяется следующим образом: 0

z 4

 

.

 

Пример 14. Рассмотреть различные разложения в ряд

Лорана функции

f z

 

1

 

 

 

 

 

 

по степеням z (z0 0).

2 z z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Разложим знаменатель на линейные множите-

ли и представим

f z в виде суммы двух дробей:

 

f z

1

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

(1*)

1 z 2 z

3

1 z

2 z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Видно, что функция имеет две особые точки:

z1 1 и

z2 2.

Следовательно, имеются три

 

«кольца»

 

с центром

в точке

z0 0, в каждом из которых

f z

 

аналитическая (рис. 4.1):

I. круг

 

 

 

z

 

 

 

1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. кольцо 1

 

z

 

2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III. 2

 

z

 

– внешность круга

 

z

 

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем ряды Лорана для функции в каждом из этих «колец». I. Используя формулу (4.12), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1 z z2

z3 zn ,

 

 

 

 

 

 

 

 

(2*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

 

 

1

n

z

n

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

z

 

z

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. (3*)

 

2 z

 

 

 

z

 

2

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

4 8

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условие сходимости ряда (2*)

 

z

 

1 и условие сходимости ря-

 

 

 

z

 

 

1 или

 

z

 

 

 

z

 

 

 

да (3*)

 

 

 

2 выполняются в области I (

 

 

 

1). Под-

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ставляя (2*) и(3*) в (1*), получим разложение функции f z в

области I:

1

 

 

1 n

 

1

 

1 n

f z

 

zn

 

 

zn

 

 

1

 

 

zn .

 

 

n 1

 

 

n 1

3

 

n 0

2

 

3n 0

 

2

 

n 0

 

 

 

 

 

Видим, что получился ряд Тейлора. Это является следствием того, что область I представляет собой круг.

II. В этой области 1 z 2, поэтому условие сходимости

ряда (3*) выполняется, а для ряда (2*) нарушается. Преобразуем первую дробь и разложим ее в ряд следующим образом:

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. (4*)

 

 

 

1

 

 

 

 

z

z2

 

z3

zn

1 z

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1, т.е. при

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этот ряд сходится для

 

 

 

 

 

1. Подставляя (4*) и

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f z

 

 

 

 

 

 

 

 

(3*) в (1*), получим разложение функции

 

в области II:

 

1

 

 

1

 

1 n

 

 

 

 

 

1 1

1

1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

f z 3

 

zn

 

 

2n 1 z

 

 

 

3

 

zn

6

2n z

 

.

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

n 0

 

 

 

 

 

Видим, что для кольца ряд Лорана содержит и правильную и главную части.

III. В этой области z 2, поэтому условие сходимости

ряда (4*) выполняется, а для ряда (3*) нарушается. Преобразуем вторую дробь и разложим ее в ряд следующим образом:

1

 

1

 

 

 

1

 

2

 

4

 

8

 

 

 

1

n 1

2

n 1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. (5*)

z 2

 

 

 

 

 

 

2

z

3

 

 

zn

 

 

 

2 z

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этот ряд сходится для 2 1, т.е. при z 2. Подставляя (4*) и z

(5*) в (1*), получим разложение функции f z в области III:

86

87

1

 

 

1

 

1 n 1 2n 1

 

1 n 1 2n 1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f z

 

n

 

 

n

 

 

n

.

 

z

 

3z

3

 

n 1 z

 

n 1

 

 

n 1

 

 

 

Видим, что для бесконечного кольца ряд Лорана содержит только главную часть.

Этот пример показывает, что для одной и той же функции f z ряд Лорана, вообще говоря, имеет разный вид для раз-

ных областей.

 

y

 

III

y

 

III

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

II

 

 

 

II

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3

x

 

 

 

 

 

-2

z0

I

-2

0

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1

 

Рис. 4.2

 

 

Пример 15. Рассмотреть различные разложения в ряд

Лорана функции f z

2z

по степеням z z (z

0

3 2i).

 

 

0

 

 

z2 4

 

 

Решение. Разложим знаменатель на линейные множители и представим f z в виде суммы двух дробей:

f z

2z

 

 

2z

 

1

 

1

.

(1*)

z2 4

z 2i z 2i

z 2i

 

 

 

 

 

z 2i

 

Видно, что

функция

имеет две

особые

точки:

z1 2i и

z2 2i. Следовательно, имеются три «кольца» с центром в

88

точке z0 3 2i, в каждом из которых функция

f z анали-

тична (рис. 4.2):

 

I. круг

z z0

 

 

 

z 3 2i

3 (радиус первой окружности);

II. кольцо 3

 

z 3 2i

 

5 (радиус второй окружности);

 

 

III. 5

 

z 3

2i

 

– внешность круга

 

z z0

 

5.

 

 

 

 

Найдем ряды Лорана для функции в каждом из этих «колец», используя формулу (4.12).

 

 

I. Преобразуем дроби в (1*) и разложим их в ряд:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i 3 4i

 

 

 

1

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

z 3 2i 2

 

z 3 2i 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, (2*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

3 4i

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2i

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 3

1

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

z 3 2i

 

z 3 2i 2

 

 

 

z 3 2i 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

(3*)

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

 

 

 

z 3 4i

 

 

 

3

1 и

 

 

 

z 3 2i

 

 

3

1 в круге

Так как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

3, то ряды (2*) и (3*) сходятся в области I. Подста-

 

 

вив (2*) и(3*) в (1*), получим разложение функции

 

 

f z

в об-

ласти I:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

f z

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

n 0

 

 

z

3 2i

 

 

3 4i

3 4i n

 

 

 

3

3n

 

 

89

 

n

 

3 4i n 1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. В кольце 3

 

 

z 3 2i

 

 

5 для знаменателей геометри-

 

 

 

ческих прогрессий

 

получаем

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

z 3 4i

 

 

 

5

1 и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

5

 

z 3 2i 5 1, поэтому ряд (2*) сходится в этой области, а 3 3

ряд (3*) расходится. Преобразуем вторую дробь и разложим ее в ряд следующим образом:

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

z 2i

 

 

z 3 2i 3

z 3 2i 1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, (4*)

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

z 3 2i

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

1,

 

 

 

Так как

 

 

 

 

 

то ряд (4*) сходится в области II.

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив

(2*)

 

 

и(4*) в

 

(1*),

получим

 

 

 

разложение

функции

f z в области II:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

3 4i

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n

 

 

f z

 

 

 

 

 

z 3 2i n

 

1

3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0 z 3 2i n 1

 

III. В этой области 5 z 3 2i , поэтому условие

сходимости ряда (4*) выполняется, а для ряда (2*) нарушается. Преобразуем первую дробь и разложим ее в ряд следующим образом:

1

 

1

 

1

1

 

 

z 3 2i 3 4i

 

 

 

3 4i

z 2i

 

z 3 2i 1

 

 

 

 

z 3 2i

90

 

1

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

3 4i

2

 

3 4i

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, (5*)

 

 

 

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

z 3 2i

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4i

 

 

 

 

5

 

 

 

5

1, то ряд (5*) сходится в об-

Так как

 

 

 

 

 

 

z 3 2i

z 3 2i

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

ласти III.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив (5*) и(4*) в (1*), получим разложение функ-

ции f z

в области III:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 n

3 4i n

 

 

 

1 n 3n

 

f z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 2i n 1

 

z 3 2i n 1

 

n 0

 

 

n 0

 

 

 

 

3 4i n 1

3n 1

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

z 3 2i n

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Нули функции

 

 

 

 

Пусть функция f z

является аналитической в точке z0 .

Точка z0 называется нулем функции f z

порядка (или крат-

ности) n, если выполняются условия:

 

 

 

 

 

f z0 0,

f z0 0,

 

, f n 1 z0 0,

f n

z0 0.

Если n 1, то точка z0 называется простым нулем.

 

Точка z0

тогда и только тогда является нулем n-го по-

рядка функции

f z , аналитической в точке

z0 ,

когда в не-

которой окрестности этой точки имеет место равенство

 

 

f z

z z

0

n z ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где функция z аналитична в точке z0

и z0 0.

Пример 16. Найти нули функции f z 1 cosz и опре-

делить их порядок.

91

Решение.

Приравнивая f z нулю,

получим cosz 1,

откуда zn 2n 1

(n 0, 1, 2, ) –

нули данной функ-

ции. Далее находим

 

 

 

 

f 2n 1 sin 2n 1 0,

 

 

 

 

 

f 2n 1 cos 2n 1 1 0.

 

 

 

 

 

Следовательно,

точки

zn 2n 1

(n 0, 1, 2, ) явля-

ются нулями второго порядка данной функции.

Пример 17. Найти нули функции f z 1 ez и опреде-

лить их порядок.

Решение. Приравнивая f z нулю, найдем нули данной функции zn 2n i (n 0, 1, 2, ). Далее находим

f 2n i e2n i 1 0.

Следовательно, точки zn 2n i (n 0, 1, 2, ) – простые нули данной функции.

Пример 18. Найти порядок нуля z0 0 для функции

f z z8 . z sin z

Решение. Используя разложение функции sin z в ряд Тейлора в окрестности точки z0 , получим

f z

 

z8

 

 

 

 

 

 

z8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z8

 

 

z sin z

 

 

 

 

3

 

 

 

 

5

 

 

 

 

3

 

 

5

 

 

 

 

 

z

 

 

 

z

 

 

 

z

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

5!

 

 

3!

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

5

 

 

z5

 

 

 

 

 

1

 

z

5 z .

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

1

 

 

z2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

5!

3!

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

92

z

– функция, аналитическая

в точке

z0 0, причем

0 6 0. Следовательно, точка

z0 0 является нулем пя-

того порядка данной функции.

 

 

Пример 19. Найти нули функции f z z2 1 3 sh z и

определить их порядки.

 

z2 1 3 sh z 0,

Решение.

Полагая f z 0,

получим

откуда

z2 1 0

или sh z 0. Решая эти уравнения, находим

нули функции

f z :

 

 

 

z i,

z i,

z k i

(k 0, 1, 2, ).

Пусть z i, тогда функцию f z

можно представить в виде

f z z i 3 z , где

функция

z z i 3 sh z является

аналитической

в

точке z i,

причем i 8ishi

8sin1 0. Это означает, что точка z i есть нуль третьего порядка. Аналогично доказывается, что и точка z i является нулем третьего порядка. Исследуем нули z k i (k 0, 1, 2, ). Находим производную

f z 6z z2 1 2 sh z z2 1 3 ch z ,

f k i k i 2 1 3 cosk 0 .

Следовательно, z k i (k 0, 1, 2, ) – простые нули.

4.6. Изолированные особые точки

Если функция f z аналитична в области D, за исклю-

чением некоторых точек, то эти точки называют особыми. Пусть однозначная функция f z аналитична в некото-

рой проколотой окрестности точки z0 (т.е. в некотором

93

кольце 0 z z0 R), но не аналитична в точке z0 . В этом случае точка z0 называется изолированной особой точкой

функции f z .

Проведем классификацию изолированных особых точек. 1) Изолированная особая точка z0 функции f z назы-

вается устранимой особой точкой, если существует конечный

предел lim f z .

z z0

Изолированная особая точка является устранимой тогда и только тогда, когда главная часть ряда Лорана функции f z в окрестности этой точки тождественно равна нулю.

Пусть функция f z представима в виде

f z

z

и

 

 

z

 

изолированная особая точка z0 – нуль порядка k для функции

z

и нуль порядка m для функции z . Тогда, если k m ,

то z0

является устранимой особой точкой.

Пример 20. Определить характер особой точки для

функции f z 1 e z . z

Решение. Особая точка функции f z есть z0 0.

Первый способ. Найдем предел, пользуясь следствием из второго замечательного предела

lim

f z lim

1 e z

lim

e z 1

1.

z

 

z z0

z 0

 

z 0

z

Следовательно, точка z0 0

есть устранимая особая точка.

Второй способ. Используя разложение в ряд Тейлора для

функции e z в окрестности точки

z0 0, получим лоранов-

ское разложение функции f z в окрестности нуля

94

f z 1z 1 e z

 

1

 

z2

 

z3

 

z4

 

z

z

2

 

z

3

.

 

 

1 1 z

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

3!

4!

 

z

 

3!

4!

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это разложение не содержит главной части, поэтому точка z0 0 является устранимой особой точкой.

Третий способ. Запишем функцию в виде

1 e z

 

 

z

f z

 

 

 

 

.

z

 

 

 

z

Точка z0 0 является нулем для функций z и z , так как 0 1 e0 0 и 0 0. Найдем производные

z e z ,

0 1 0,

z 1.

 

 

Следовательно, точка

z0 0

является нулем первого порядка

для функций z и z . Таким образом точка z0

0

явля-

ется устранимой особой точкой для функции f z .

 

 

Заметим, что функция

f z , доопределенная

в

точке

z 0 единицей, т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 e z

 

 

 

 

 

 

 

, если

z 0

 

 

 

 

 

 

 

f z

z

 

 

 

 

 

 

если

z 0

 

 

 

1,

 

 

 

является аналитической и в точке z 0.

 

 

2) Изолированная особая точка

z0 называется полюсом

функции f z , если lim f z .

 

 

 

z z0

 

 

 

 

 

Изолированная особая точка является полюсом функции f z тогда и только тогда, когда главная часть ряда Лорана

95

функции f z в окрестности этой точки содержит конечное

(и отличное от нуля) число ненулевых членов

 

c n

 

 

c 1

 

 

f z

 

 

ck z z0 k

(c n 0).

z z

n

z z0

 

 

k 0

 

 

0

 

 

 

 

 

При этом наибольшая степень слагаемых в главной части ряда Лорана (n) будет являться порядком полюса.

Точка

z0 является полюсом

n-го порядка функции

f z

тогда и только тогда, когда функция f z

представи-

ма в виде частного

f z

z

 

, где функция z анали-

z z n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

тична в точке z0

и z0 0.

 

 

f z , то z0

Если точка z0

– полюс порядка n функции

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

– нуль кратности n функции

 

.

 

 

 

 

 

f z

 

 

 

 

 

Точка

z0

полюс

порядка

n

функции

f z , если

lim z z n

f z C 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

Пусть функция f z

представима в виде f z

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

изолированная особая точка z0 – нуль порядка k

для функции

z

и нуль порядка m для функции z . Тогда, если k m ,

то z0

является полюсом порядка n m k .

 

 

 

Пример 21. Определить характер особой точки для

функции f z

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Особая точка функции f z есть

z0 0. Най-

дем предел lim

1

 

1

, следовательно,

особая точка

 

 

z 0 sin z z

0

 

 

z0 0 является полюсом. Используя разложение в ряд Тейлора

 

 

z

3

 

 

 

z5

 

 

1

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

sin z z

 

 

 

 

 

z

3

 

 

 

 

,

получим,

что

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

5!

 

 

3!

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функция

1

 

 

sin z z

имеет в точке z0

0

нуль третьего

f z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

порядка. Отсюда следует, что функция

f z

 

1

 

имеет в

 

 

 

точке z0 0

полюс третьего порядка.

 

 

sin z z

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 22.

Определить характер особой точки для

функции

f z

 

sin z

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z3 z2 z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

Разложим

 

знаменатель

на

 

множители:

z3 z2 z 1 z 1 2 z 1 .

Отсюда получаем,

что функция

f z имеет две особые точки z1 1 и z2 1.

Для исследования характера точки z1 1 представим функцию в виде

 

 

 

 

 

 

 

sin z

 

 

sin z

 

1 z

 

 

 

 

f z

 

 

 

 

z 1

 

 

,

 

 

z 1 2 z 1

z 1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1 2

 

где 1 z аналитична

в окрестности точки z1 1, причем

 

1

sin 1

 

sin1

 

0 . Следовательно, точка z

1 явля-

 

 

1

 

1 1

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ется полюсом второго порядка данной функции. Аналогично, для исследования точки z2 1, запишем

96

97

sin z

 

 

 

f z

sin z

 

z 1 2

 

2 z

,

 

z 1 2 z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

z 1

где 2 z аналитична в окрестности

точки

z2 1, причем

2

1

sin1

0. Следовательно,

точка

 

z2 1

является про-

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стым полюсом данной функции.

Пример 23. Определить характер особой точки для

функции f z

sin2 z

.

 

 

2ez 1 z2 1

Решение. Замечаем, что z0 1 является особой точкой функции f z , так как при этом значении знаменатель функ-

ции обращается в нуль. Представим данную функцию в виде

 

sin

2 z

 

z

 

 

 

 

 

 

 

. Найдем порядок нуля для функций z

 

2ez 1

 

 

 

z2 1

z

 

и z . Имеем:

 

 

 

 

 

 

 

1 sin2 0;

 

z 2 sin zcos z sin(2 z) ,

1 sin 2 0;

z 2 2 cos 2 z , 1 2 2 cos 2 2 2 0;

1 2e0 1 1 0;

z 2ez 1 2z , 1 2e0 2 0;

z 2ez 1 2, 1 2e0 2 0 ;

z

2ez 1, 1 2e0

2 0.

Таким образом, z0 1

является нулем второго порядка (k 2)

для функции z и нулем третьего

порядка (m 3) для

функции z . Следовательно, для данной функции точка

z0 1 есть полюс первого порядка, так как n m k 3 2 1.

Пример 24. Определить характер особой точки для функ-

1 cosz

ции f z . z7

Решение. Очевидно, что z0 0 является особой точкой функции f z . Раскладывая функцию cosz в ряд Тейлора по

степеням z , получим лорановское разложение функции

f z

в окрестности нуля:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

z4

 

 

 

z

6

 

z8

z10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 cosz

 

2!

 

 

4!

 

 

6!

 

8!

 

10!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

z4

z6

z8

z10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

z

 

z3

 

 

2!

4!

6!

8!

10!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z7

 

 

 

 

 

2!z5

 

 

4!z3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6!z 8!

10!

 

Это разложение содержит конечное число членов с отрицательными степенями z . Следовательно, точка z0 0 является

полюсом пятого порядка, так как наибольший показатель степени у z , содержащихся в знаменателях членов главной части ряда Лорана, равен пяти.

3) Изолированная особая точка

z0 называется сущест-

венно особой точкой функции f z ,

если lim f z не суще-

z z0

ствует.

Изолированная особая точка является существенно особой точкой функции f z тогда и только тогда, когда глав-

ная часть ряда Лорана функции f z в окрестности этой точки содержит бесконечное число ненулевых членов.

98

99