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

лекции вышмат

.pdf
Скачиваний:
72
Добавлен:
01.06.2024
Размер:
5.41 Mб
Скачать

Запомнить формулу (2) проще всего при помощи следующей формальной выкладки:

f (z)dz =

 

(u + iv)(dx + idy ) =

udx vdy + i

vdx + udy .

 

 

( AB)

( AB)

 

( AB)

 

( AB)

 

 

 

 

Если (AB) задана параметрическими уравнениями x = x(t) ,

y = y(t) ,

t

 

α,β

, функции

 

 

x(t)

и

y

(t)

непрерывно дифференцируемы на

α,β

, при изменении

t

от

α

до

β

кривая

описывается

непрерывны

в направлении от A к B (не обязательно α β ) , функции u(x, y) на (AB) , то интегралы в правой части формулы (2) существуют и

и

v

(

x, y)

=

β u(x(t),

f (z)dz ( AB)

y(t))x (t) v(x(t),

=

 

udx vdy

 

 

( AB)

 

 

 

y(t)) y (t) dt + i

+ i

vdx + udy =

 

 

( AB)

 

β

 

 

 

 

 

v(x(t), y(t))x (t) + u(x(t), y(t)) y (t) dt

.

(3)

α

 

 

α

Пример. Вычислить

 

 

dz , где 0 – начало координат, В: z = 1 + i , а путь интегрирования:

z

y = x2

(рис. 2).

Решение.

 

zdz =

 

( OB )

 

 

 

 

 

( x iy)(dx + idy)

=

 

xdx + ydy + i

ydx + xdy

y = x

2

 

=

 

 

( OB )

( OB )

 

 

1

 

 

1

 

 

= ( x + x

2

2x)dx + i (x

2

+ x2x)dx =

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

( OB )

 

 

 

 

 

 

( OB )

 

 

x

2

 

x

4

 

 

 

x

3

 

 

1

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

+

2

 

|

+ i

 

 

|

= 1 +

i

2

 

4

 

0

 

3

0

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

Рисунок 2

Уравнения кривой

(AB)

x = x(t) ,

y = y(t) ,

t

 

α,β

 

 

 

z = x +iy = x(t) +iy(t) , т.е. z = z(t) , t α,β , при этом z (t) =

Формулу (3) можно переписать следующим образом:

можно

x (t) +iy (t)

записать в виде

.

f (z)dz = ( AB)

β u(x(t), y(t))x (t) v(x(t), y(t)) y (t) +

α

i v(x(t), y(t))x (t) + u(x(t), y(t)) y (t) dt

.

Легко видеть,

u(x(t), y(t)) +

что функция в фигурных скобках в правой части последней формулы равна

iv(x(t), y(t))

 

 

x (t) +iy (t)

 

=

f (z(t))z (t)

, и, таким образом,

 

 

 

 

 

β

 

 

f (z)dz =

 

(4)

f (z(t))z (t)dt

( AB)

α

 

 

(мы получили формулу (4) при помощи формальных преобразований; на самом деле, если

рассмотреть

комплекснозначные

 

функции

действительного

переменного

z = z(t) = x(t) +iy(t) и их производные

 

 

 

 

z (t) = x

(t) +iy (t) , то эти преобразования будут

иметь вполне строгий характер).

 

 

 

 

 

 

 

Задача. Показать что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

=

 

dz

 

= 2πi ,

(5)

 

 

 

 

 

 

 

(

)

z z0

|zz |=ρ

z z0

 

 

 

ρ

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

210

где

(

)

ρ

 

- окружность радиуса

ρ

с центром в точке

z

0

 

(как и обычно, при отсутствии

указания на направление обхода контура это направление берется положительным, т.е. для правой системы координат против часовой стрелки).

Решение. Зададим контур

( ρ ) параметрически:

x x0

= ρ cos φ

,

y y0

задании,

как

раз,

(x x0 )

2

+ ( y y0 )

2

= ρ

2

).

 

 

 

 

 

 

 

z z0 = (x x0 ) + i( y y0 ) = ρ(cos φ + i sin φ) = ρe

iφ

,

т.е.

z z0

=

ρe

iφ

,

 

 

= ρsin φ (при таком При этом

φ = 0, 2π . Тогда

 

 

 

dz

 

iρe

iφ

z (φ) = (z0 + ρe) ' = iρeи по формуле (5)

 

 

 

=

 

dφ = i dφ =

 

z z

0

ρe

iφ

 

(

)

0

 

 

0

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные свойства интегралов от функций комплексного переменного

i

.

Сначала при условии существования интегралов укажем три свойства, которые следуют из аналогичных свойств криволинейного интеграла и определения 1:

1.Для любых комплексных чисел

α1 f1 (z) + α2 f2 (z) dz = α1 f1 (z dz1)

( AB)

( AB)

и 2

+ α

2

 

f

2

(z)dz.

 

 

 

 

 

( AB)

 

 

 

2.

 

f (z)dz =

 

 

( AB)

f (z)dz + ( AC)

f (z)dz (CB)

(рис. 3).

Рисунок 3

3.

f (z)dz = ( AB)

f

 

( BA)

(z)dz

.

4. Теорема 2. Пусть | f (z) | M для z (AB) и l длина кривой (AB) . Тогда при условии существования интеграла:

 

 

f (z)dz Ml .

(6)

( AB)

 

Можно проверить, что для комплексных чисел, как и для действительных чисел,

| z

+ z

2

1

 

| | z

| + | z

2

1

 

|

,

z1 z2 z1 z2 ,

z z

2

1

=

z

z

2

 

1

 

,

z1

=

| z1

|

.

z2

| z2

|

 

 

Из определения 1,

n1

 

 

 

 

 

n1

 

f

k

) z

k

 

|

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

k =0

f (z)dz = ( AB)

f (ζk ) zk |=

lim λ0

n1

|

k =0

n1

 

f k ) zk

. Отсюда имеем:

k =0

 

n1

f (ζk ) || zk | M | zk | .

k =0

Здесь

zk +1 , а

| z

k

|=|

 

 

n1

| zk

k =0

z

|

k +1 zk

|

это расстояние на комплексной плоскости между точками

сумма таких расстояний, т.е. длина ломаной, вписанной в дугу (AB)

z

k

и

 

(рис.

211

4). Но длина всякой вписанной ломаной не превосходит

длины самой дуги, значит,

n1

n1

 

 

 

 

| zk | l

f k ) zk

Ml , откуда при λ 0

f (z)dz

Ml . ■

 

k =0

k =0

 

( AB)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4

 

 

Теорема 3

(интегральная теорема Коши). Пусть функция

w = f (z)

аналитическая в

односвязной

области

(D)

и

(L) (D) кусочно-гладкая замкнутая

кривая. Тогда

 

f (z)dz = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

 

 

 

 

 

 

 

Вспомним формулу (2): при Re w

 

f (z)dz =

udx vdy + i vdx + udy .

( L)

 

( L)

( L)

= u

и Im

Два

w = v

 

 

последних

криволинейных

интеграла

удовлетворяют условию независимости криволинейного интеграла второго рода от формы

пути интегрирования

P

=

Q

, при выполнении которого

 

Pdx + Qdy = 0

:

y

x

 

 

 

 

( L)

 

 

 

 

 

 

 

для первого из них P = u

для второго же P = v , Q

а uy = − vx и yv = ux ,

Римана. ■

, Q = −v

P

=

u

,

Q

= −

v

,

y

y

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

= u

P

=

v

,

Q

=

u

,

 

 

y

y

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так как аналитическая функция удовлетворяет условиям Коши-

Следствие

(AB) (D)

1. Если функция w = f (z) кусочно-гладкая кривая, то

аналитична в односвязной области

 

 

f (z)dz

не зависит от формы пути

( AB)

 

(D)

(AB)

и

, а

зависит лишь от положения ее начальной и конечной точек.

Следствие 2. Пусть функция

w = f (z)

аналитична в односвязной области

(D)

и (z)

 

 

 

 

 

z (D) . Тогда для любых

какая-либо ее первообразная в этой области, т.е. (z) = f (z) ,

z z

2

(D)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

zk

 

 

 

z2

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (z)dz = (z)|z1

= (z2 ) (z1 ) .

 

 

(7)

 

 

 

z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть (z) = φ(x, y) +iψ(x, y)

. Тогда по формулам нахождения производной

 

φ

ψ

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

ψ

(z) =

x + i

x . Так как (z) = f (z) = u +iv ,

то отсюда u =

 

x

,

v =

x , тогда при

 

 

 

 

 

z2

( x2 , y2 )

 

( x2 , y2 )

 

 

= xk

+ iyk ,

k =1,2

из формулы (2)

 

f (z)dz =

 

udx vdy + i

 

vdx + udy =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

( x1 , y1 )

 

( x1 , y1 )

 

 

212

 

( x

, y

 

)

φ

 

ψ

 

 

 

 

( x

, y

)

ψ

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

x

dx

x

dy + i

 

 

 

x

dx +

x

dy , что, согласно условиям Коши-Римана для

 

( x

, y

 

)

 

 

 

 

 

( x

, y

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x

, y

)

φ

 

φ

 

 

 

( x

, y

)

ψ

 

 

 

 

ψ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

аналитической функции

(z)

, равно

 

 

 

x

dx +

y

dy + i

 

 

 

 

 

 

x

dx +

y

dy =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x

, y

)

 

 

 

 

 

( x

, y

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x

 

, y

 

)

 

 

 

( x

, y

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

dφ(x, y) + i

 

 

dψ(x, y)

 

, а это, как было показано в теме «Криволинейные

 

( x

, y

 

)

 

 

 

( x

, y

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x

, y

 

)

 

 

 

 

 

( x

, y

)

 

 

 

( x

, y

2

)

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

интегралы», равно

φ(x, y)|

2

 

2

 

+ iψ(x, y)|

 

2

2

 

= + iψ)|

2

 

 

=

(z)|

 

. ■

 

( x

, y

 

)

( x

, y )

( x

, y

 

)

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Пример. Найти

1+ πi

 

 

e

z

dz

 

.

 

 

0

1+ πi

 

 

 

1+ πi

 

Решение. ez dz =

ez |0

= e1+ πi 1 = e(cos π + i sin π) 1 = −e 1 .

0

 

 

Теорема 4 (интегральная теорема Коши для неодносвязных областей). Пусть область

(D)

ограничена конечным числом кусочно-гладких кривых и

функция

w = f (z)

аналитическая в некоторой области (D1 ) , включающей (D) и всю ее границу (на рис. 5

сплошной линией изображена граница (D) , а пунктиром –

 

 

граница (D1 ) ). Тогда, если (L) внешняя граница (D) , а (Lk ) , k =1,

2, ..., n ее

 

внутренние границы, то

 

f (z)dz =

( L)

 

n

k =1

Рисунок 5

 

f (z)dz , где все

 

( L

)

k

 

интегралы берутся в одном

направлении.

Взяв произвольные точки самонепересекающиеся кривые

E (EA)

и

,

F (BC) ,

на

(DF

контуре ) (на рис.

(L)

6

, проведем

A, B,C, D, K,

гладкие

L, M , N

произвольные точки внутренних границ). К двум получившимся односвязным областям применим теорему 3:

Рисунок 6

213

f (z)dz = 0 ( EGFDNCBLAE)

и

f (z)dz ( EAKBCMDFHE)

=

0

. Сложим эти два равенства. При этом интегралы по

введенным перегородкам сокращаются, так как эти перегородки проходятся дважды, один раз в одном, другой раз в противоположном направлении. Получим:

f (z)dz + ( EGF )

f (z)dz + ( DNC )

f (z)dz +

f (z)dz +

( BLA)

( AKB)

f (z)dz + (CMD)

(FHE )

f (z)dz

=

0

, т.е.

 

f (z)dz +

( L)

 

 

f (z)dz =

( L)

 

 

f (z)dz +

( L )

1

 

 

f (z)dz +

( L )

 

1

 

 

f (z)dz

( L

)

 

2

 

 

 

f (z)dz

( L

)

 

2

 

 

=

0

, или,

(здесь

учитывая, что

 

f (z)dz =

 

f (z)dz ,

k =1,2 ,

 

 

( L

)

 

( L

)

 

 

 

k

 

 

 

k

 

 

(Lk )

это

контур

(Lk ) ,

 

проходимый в

противоположном направлении).

Аналогично для большего количества «дырок» и для противоположного направления обхода границ области (D) . ■

Теорема 5 (интегральная формула Коши). Пусть функция w = f (z) аналитическая в

односвязной области (D) , (L) (D) кусочно-гладкая замкнутая кривая и

z0 точка

внутри этой кривой. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (z

) =

1

 

f (z)

dz

 

 

(8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

i

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(направление обхода контура берется положительным).

 

 

 

 

Мы будем доказывать, что

 

f (z)

dz = 2πif (z0 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 7 «внешним» пунктиром изображена

граница области

(D) . Пусть

( ρ )

окружность радиуса ρ с центром в точке

z0 , целиком содержащаяся внутри (L) (для этого

ρ должно быть достаточно малым). В области,

ограниченной «внешним»

и

любым

«внутренним» (по отношению к ( ρ ) ),

содержащим

z0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пунктирами, функция

 

f (z)

является аналитической (как отношение двух аналитических

z z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (z)

dz =

 

 

f (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функций при знаменателе, отличном от 0), и по теореме 4,

 

z z

 

 

 

z z

 

dz . Надо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

0

 

)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

доказать, что последнее выражение равно 2πif (z0 ) . Учитывая формулу (5),

нам надо

проверить, что

 

 

f (z)

dz =

 

 

dz

 

f (z0 ) , или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

z z

0

)

z z

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

214

 

 

f (z) f (z

0

)

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

)

z z

0

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

=

0

.

(9)

Для проверки (9) докажем, что интеграл в левой части этой формулы можно (за счет выбора ρ ) сделать сколь угодно малым. Пусть ε сколь угодно малое число. Так как w = f (z)

непрерывна в точке

z

0

 

, то в некоторой окрестности этой точки

| f (z) f (z

) | ε

0

 

и, значит,

для достаточно

| f (z) f (z

) | ε

0

 

малых для z

ρ(

(таких, что окружность ρ ) . Тогда

(

)

ρ

 

попадает в эту окрестность)

z (

)

ρ

 

длине ( ρ

f

)

(z) f (

z z

0

 

имеем:

z

0

)

 

 

 

 

(

ρ

)

 

 

=

| f (z) f (z

0

) |

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| z z

0

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (z) f (z

)

dz

 

 

ε

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z

0

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

l

f

=

(z) f (z

) |

 

0

 

 

ρ

 

ε

2πρ = 2πε

ρ

 

 

 

ε

. Согласно формуле (6), при

l

ρ

 

 

 

, а это число, действительно, сколь

угодно мало. ■

Пример. Вычислить

 

 

 

| z | =

Решение.

 

 

 

 

sin z

 

 

 

2

dz =

 

| z | =

2

z

 

+ 4z + 3

| z | = 2

 

 

 

sin z

 

z

2

dz

 

+ 4z + 3

2

 

 

 

sin z dz

( z + 3)( z + 1)

(направление обхода контура положительно;

 

Рисунок 8

 

 

 

 

 

 

 

 

sin z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z + 3

 

sin z

 

i

sin(1)

=

=

 

dz =

i

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| z | =

2

( z + 1)

 

z + 3

z = −1

 

2

 

см. рис. 8).

= −π sin 1 i

.

Интегральная формула Коши является основой для всей излагаемой ниже теории.

215

ЛЕКЦИЯ 6

Теорема 1 (о производных высших порядков аналитической функции). Пусть функция w = f (z) аналитическая в односвязной области (D) . Тогда эта функция имеет в области

(D) производные всех порядков (которые, тем самым, тоже будут аналитическими функциями в (D) ) и

(L) (D)

f

(n)

(z) =

n!

 

f (ζ)

dζ ,

n = 0,1,2,... ,

 

 

 

 

i

z)

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кусочно-гладкая замкнутая кривая, содержащая внутри себя точку

z

.

(1)

Эта теорема показывает существенные отличия между аналитическими функциями комплексного переменного и дифференцируемыми функциями действительного переменного, для которых из существования производной вовсе не следует существование следующих производных.

Приведем нестрогое обоснование формулы (1). Используя интегральную формулу Коши, имеем:

 

 

 

 

 

 

 

(n)

 

 

 

 

 

 

(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

f (ζ)

 

1

 

 

 

1

 

 

1

 

 

n!

 

 

 

(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(z) =

 

 

 

dζ

=

 

 

f (ζ)

 

 

 

 

dz =

 

 

f (ζ)

 

 

dz,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

ζ z

 

 

i

 

 

 

 

i

 

z)

n+1

 

 

 

 

( L)

 

 

( L)

 

 

ζ z

 

 

( L)

 

 

 

что и приводит к формуле (1). Проведенные преобразования, конечно, не являются доказательством формулы (1) в силу недоказанной возможности дифференцирования интеграла по параметру z .

Строгое доказательство формулы (1), которое мы оставим за рамками данного курса, можно провести методом математической индукции.

Из формулы (1) следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (ζ)

dζ =

i

f

(n)

(z)

(2)

 

 

 

 

 

 

 

z)

n+1

 

n!

 

 

.

 

 

 

 

 

( L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Вычислить

Решение.

 

 

 

dz

 

 

=

 

( z

2

1)

2

 

| z 1| =1

 

 

 

| z 1| =1

 

 

 

 

dz

 

 

 

( z

2

1)

2

| z 1| =1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(z + 1)2

 

n =1

 

 

 

 

dz =

( z 1)2

 

 

 

(рис. 1).

i

1

 

 

 

2

 

i

 

πi

 

= i

= −

= −

 

 

 

 

 

 

 

.

1!

 

2

 

( z +1)

3

8

 

2

( z + 1)

 

 

z =1

z =1

 

Рисунок 1

Краткие сведения о рядах с комплексными членами

На такие ряды переносятся многие определения и теоремы, известные для числовых и функциональных рядов с действительными членами. А именно:

216

рассмотрим ряд

 

 

 

zn

= xn

+ iyn

n=1

n=1

 

(3)

Этот ряд называется

частичная сумма

Sn

=

ряда (3).

 

 

сходящимся,

z

+ z

2

+... + z

n

1

 

 

если

; при

существует конечный этом комплексное число

lim Sn = S , где

n - ая

n

 

 

S

называется суммой

Ряд

S =

Ряд

 

 

 

 

 

(3) сходится тогда и только тогда,

когда сходятся ряды

xn

и

yn

 

 

n=1

 

n=1

 

 

 

 

 

R +iT , где R сумма ряда xn , а T сумма ряда yn .

 

 

 

n=1

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

(3) называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд из модулей zn .

 

 

 

 

n=1

, при этом

Последний

ряд является рядом из действительных чисел, к которому применимы все признаки сходимости рядов с неотрицательными членами.

Если ряд из модулей сходится, то сам ряд (3) тоже сходится, т.е. из абсолютной сходимости ряда следует его сходимость в обычном смысле.

Областью сходимости функционального ряда

un (z) n=1

(4)

называется множество комплексных чисел

z

, для которых этот ряд сходится.

Пусть дан степенной ряд с комплексными коэффициентами

 

 

an z

n

 

n=0

 

(5)

Тогда справедлива следующая теорема (Абеля): если ряд (5) сходится при некотором

z

0

 

,

то он абсолютно сходится при всех Отсюда следует, что существует

z :

| z | | z0

| .

действительное число

R

0,

:

ряд (5) абсолютно

сходится при | z | R

и расходится при | z | R . Т.е. областью сходимости ряда (5) является

круг радиуса R с центром в начале координат. Число

R

называется радиусом сходимости

степенного ряда.

 

 

Справедливы формулы для нахождения радиуса сходимости, аналогичные формулам для

степенных рядов с действительными членами:

R = lim

1

 

 

или

R = lim

| a

n

|

, если эти

 

 

 

 

 

 

 

 

| a

 

 

 

nn | a

n

|

 

n

+1

|

 

 

 

 

 

 

n

 

пределы (конечные или бесконечные) существуют.

Ряд (5) можно почленно дифференцировать или интегрировать от 0 до z сколь угодно раз с сохранением радиуса сходимости.

Ряд

 

 

an (z z0 )n

(6)

n=0

который также называется степенным рядом, сводится к ряду (5) путем замены z z0 = ζ . Ряд (6) абсолютно сходится при | z z0 | R , где радиус сходимости R находится так же, как для ряда (5), его можно почленно дифференцировать или интегрировать от z0 до z сколько угодно раз с сохранением радиуса сходимости.

217

Ряд Тейлора В этом параграфе будет изучаться возможность представления аналитической функции в

виде суммы степенного ряда. Пусть в некоторой окрестности точки

z0

аналитическая в этой

окрестности функция представлена в виде

f (z)

=

an (z

n=0

z

 

)

n

0

 

 

 

 

. Так как степенной ряд

можно почленно дифференцировать сколько угодно раз с сходимости, то продифференцируем обе части этого равенства

учитывая при этом, что производная постоянной равна 0:

сохранением

k

раз,

k =

радиуса

0, 1, 2, ...,

f

(k ) (z)

=

an n(n 1) ... (n k n=k

+1)(z z

)

nk

 

0

 

 

.

При z = z0 все члены этого ряда, для которых первый член ряда, для которого n = k :

n k

, будут равны нулю и останется только

f

( k )

(z0 ) = ak k (k 1)

... 1

= ak k! , т.е. ak =

 

Итак, если функцию

можно представить

в виде суммы

f

(k )

 

)

 

(z

0

.

 

 

 

 

 

k !

 

 

 

степенного ряда, то такое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(n)

(z

 

)

 

 

представление единственно и обязательно имеет вид

f (z) =

 

0

(z

z

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 2. Пусть функция

w = f (z)

аналитична в области (D) , z0 (D)

расстояние от точки

z

0 до границы

(D)

(т.е. наименьшее расстояние от

z0

границы). Тогда для

z

: | z z0

| ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (z) = an (z z0 )

n

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n=0

f (ζ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(n)

(z0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

an

=

 

=

 

 

 

 

 

 

dζ

,

n = 0,1,2,...

 

 

 

 

 

n!

 

i

z0 )

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 )

n

.

 

 

 

 

и

(

 

 

 

ρ

0, +

 

до точек этой

(7)

(8)

В последнем равенстве была использована формула для производных высших порядков

аналитической функции (1);

(L) (D) произвольная кусочно-гладкая замкнутая кривая,

содержащая внутри точку z0 .

 

Определение 1. Ряд (7) с коэффициентами (8) называется рядом Тейлора для функции

f (z).

В отличие от разложения в ряд Тейлора функций действительного переменного, для функций комплексного переменного можно сразу указать область, в которой справедливо

разложение: оно верно в круге | z z0

| ρ , где ρ расстояние от z0

до границы области

аналитичности, т.е. до ближайшей к

z0 точки, в которой функция

w = f (z) не имеет

производной (ниже такие точки будут названы особыми точками функции) (рис. 2).

Рисунок 2

218

Пусть

z произвольная точка круга

| z z

0

 

|

ρ

. Докажем, что в этой точке справедлива

формула (7) с коэффициентами (8). Для этого проведем окружность ( ) с центром в точке z0 радиуса r : | ζ z0 |= r , где r ρ и точка z находится внутри этой окружности: | z z0 | r

(на рис. 2 эта окружность проведена пунктирной линией). Согласно интегральной формуле Коши,

В этой формуле

1 =

ζz

ζ

 

 

f (z)

 

 

1

z

0

(z

 

 

=

 

1

 

 

i

(

 

 

 

 

z

 

)

=

0

 

 

 

 

 

 

) ζ

f(ζ)dζ

ζz

z0 1

.

1

z z0

ζ z0

(9)

. В последней дроби

z z

0

=

z z

0

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ z

0

 

r

 

 

r

 

 

 

 

 

 

=

1

,

поэтому по формуле суммы бесконечно убывающей

геометрической прогрессии с первым членом

 

b1 =1

и знаменателем q =

z z0

, | q | 1

 

ζ z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

z z

 

 

n

 

 

 

 

f (ζ)

 

 

 

f (ζ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

n

 

 

 

получаем:

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

, значит,

 

 

 

 

 

 

n+1 (z z0 )

.

 

 

 

z z

 

ζ z

 

 

ζ z

z

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

n=0

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ z

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим этот ряд в формулу (9) и проинтегрируем (почленно) вдоль окружности

( ) (это,

на самом деле, возможно). Получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

f ( )

 

 

 

 

 

 

n

 

1

 

 

 

f ( )

 

 

 

n

 

 

 

 

 

f (z) =

 

 

 

 

 

 

 

(z

z0 )

d =

 

 

 

(z z0 )

d =

 

2 i

( z

)

n+1

 

2 i

( z

)

n+1

 

 

 

 

 

( Г )

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0 ( Г )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

f (ζ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

dζ (z z0 )n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2πi ( )

z0 )

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В последней

формуле интеграл

 

по окружности ( )

 

можно заменить на интеграл по

произвольному кусочно-гладкому замкнутому контуру

(L) (D) , содержащему внутри

точку

z0

, так как оба этих интеграла равны

 

 

 

 

1

 

f (ζ)

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

f (z) =

 

dζ (z z0 )n =

 

 

 

2πi

n+1

 

2 i

 

n=0

 

z

)

 

 

 

 

 

 

( )

0

 

n=0

 

 

( L)

(7) с коэффициентами (8). ■

2πi

f (n) (z

 

 

) :

 

0

n!

 

 

 

 

 

 

f ( )

 

 

 

 

 

 

 

 

d (z z0 )n , что и приводит к ряду

 

 

n+1

( z0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

Точно так же, как для функций действительного переменного, из формул (7) и (8) получаем разложения в ряд Тейлора при z0 = 0 основных элементарных функций:

 

 

z

2

 

 

 

 

 

z

3

 

 

 

 

z

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ez = 1+ z +

 

 

 

+

 

 

 

 

+... =

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

3

 

 

 

 

 

z

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2n+1

 

 

sin z = z

 

 

 

+

 

 

... = (1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

5!

 

 

(2n +1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

z

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2n

 

 

 

cos z = 1

 

 

 

+

 

 

... = (1)n

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

4!

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

z

3

 

 

 

 

 

 

 

 

z

n

 

ln(1+ z) = z

 

 

 

+

 

... = (1)n+1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

n=1

 

 

 

 

 

 

n

 

;

219