
лекции вышмат
.pdf
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 |
|z−z |=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 |
|
2π |
iρe |
iφ |
2π |
|
z (φ) = (z0 + ρeiφ ) ' = iρeiφ и по формуле (5) |
|
|
|
= |
|
dφ = i dφ = |
|||
|
z − z |
0 |
ρe |
iφ |
|||||
|
( |
) |
0 |
|
|
0 |
|||
|
ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные свойства интегралов от функций комплексного переменного
2πi
.
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,
n−1 |
|
|
|
|
|
n−1 |
|
f (ζ |
k |
) z |
k |
|
| |
|
|
|
|
|||
k =0 |
|
|
|
|
|
k =0 |
f (z)dz = ( AB)
f (ζk ) zk |=
lim λ→0
n−1
|
k =0
n−1 |
|
f (ζk ) zk |
. Отсюда имеем: |
k =0 |
|
n−1
f (ζk ) || zk | M | zk | .
k =0
Здесь
zk +1 , а
| z |
k |
|=| |
|
|
n−1
| 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, |
|||||
n−1 |
n−1 |
|
|
|
|
|
| zk | l |
f (ζk ) 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 |
|
= (φ + 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 |
|
2πi |
|
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 |
|
2πi |
sin(−1) |
= |
= |
|
dz = |
2πi |
= |
|
||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||
|
| 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,... , |
|
|
|
|
||||||
|
2πi |
(ζ − 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, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
2πi |
ζ − z |
|
|
2πi |
|
|
|
|
2πi |
|
(ζ − 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 = |
2πi |
f |
(n) |
(z) |
(2) |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|||||
(ζ − 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).
2πi |
1 |
|
|
|
−2 |
|
4πi |
|
πi |
|
|
= 2πi |
= − |
= − |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
. |
|||
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 |
|
|
|||||
|
n→ n | 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 |
) |
n−k |
|
||
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! |
|
2πi |
(ζ − 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 =
ζ− z
ζ −
|
|
f (z) |
|
|
1 |
z |
0 |
− (z |
|
|
=
−
|
1 |
|
|
||
2πi |
|||||
( |
|||||
|
|
|
|
||
z |
|
) |
= |
||
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
) ζ
f(ζ)dζ
ζ− z
− 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 |
(ζ − 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 ( ) |
(ζ − 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 |
|
(ζ − 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