Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
раздел 4 конспекта лекций.pdf
Скачиваний:
89
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
752 Кб
Скачать
☆

∫

 

2

 

1

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

+ а dx =

x x

 

+ а + a ln

x +

x

 

+ а

 

 

+C .

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Интегрирование алгебраических дробей

Комплексные числа. Многочлен в комплексной области. Основная теорема высшей алгебры. Разложение многочлена с вещественными коэффициентами на множители первой и второй степени. Разложение рациональной дроби на сумму простейших дробей. Способы определения коэффициентов разложения. Интегрирование рациональной дроби.

4.2.1. Многочлен в комплексной плоскости. Разложение многочлена с вещественными коэффициентами на множители первой и второй степени

Определение 4.2.1

 

 

Комплексными числами называют всевозможные упорядоченные пары чисел z = (x, y) для

которых следующим образом определены операции сложения и умножения:

(x1, y1 )+(x2 , y2 )= (x1 + x2 , y1 + y2 ),

(4.2.1)

(x1,

y1 ) (x2 , y2 )= (x1x2 − y1 y2 , x1 y2 + x2 y1 ). (4.4.2)

Вещественные числа x

и y называются вещественной и мнимой частями комплексного

числа z = (x, y) и обозначаются

 

 

x = Re z , y = Im z .

 

Определение 4.2.2

z1 = x1 +i y1 и z2 = x2 +i y2 называются равными, если равны их

Два комплексных числа

действительные и мнимые части

 

x1 = x2 , y1 = y2 .

Множество комплексных чисел обозначается C.

ЗАМЕЧАНИЕ 1

Понятия "больше" и "меньше" для комплексных чисел, вообще говоря, не имеют смысла.

ЗАМЕЧАНИЕ 2

Из (4.2.1) и (4.2.2) следует, что комплексное число z = (x, y) может быть записано в виде

(x, y)= (x, 0)+(0, 1)(y, 0)

Если теперь число (x, 0) считать вещественным, а число (0, 1) не вещественным, а мнимым и его обозначать через i , то комплексное число z = (x, y) можно представить в виде

z = x +i y .

Запись комплексного числа в виде z = x +i y называется алгебраической формой комплексного

числа. Из (4.4.2) следует, что i2 = (0, 1) (0, 1)= −1 . Поэтому число i называют мнимой единицей.

Определение 4.2.3

Комплексное число z = x −i y называется комплексно сопряжённым числу z = x +i y . Введем на плоскости прямоугольную Декартову систему координат. Будем изображать

комплексное число z = (x, y) точкой (x, y) плоскости (рис. 4.2.1). Это ознчает, что на оси Ox отмечаются вещественные части комплексных чисел, а на оси Oy – мнимые. Числу z =0 ставится в соответствие начало координат.

8

y

 

 

 

z

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

x

x

 

 

 

Рис. 4.2.1.

 

Определение 4.2.4

Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется комплексной плоскостью. Ось абсцисс называется действительной (или вещественной) осью, а ось

ординат — мнимой.

 

 

 

 

rr с началом в точке

Комплексное число z = x +i y можно также изображать вектором

(0,0) и концом в точке (x, y) (рис. 4.2.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.2.2.

 

 

 

 

 

 

Длина вектора rr ={x, y} называется модулем комплексного числа z

и обозначается r =

 

z

 

.

 

 

Величина угла между положительным направлением действительной оси и вектором r называется аргументом числа z : ϕ = arg z . Положительным направлением изменения угла ϕ

считается направление против часовой стрелки. Очевидно, что r = z = x2 + y2 , tgϕ = xy .

Для каждого числа z ≠0 его аргумент имеет бесконечное множество значений, отличающихся друг от друга на число, кратное 2π (действительно, совершив любое количество полных оборотов, мы возвращаемся в эту же точку). Аргумент числа z =0 не определён (а его модуль равен нулю). В качестве главного значения величины arg z обычно выбирают значение из промежутка (−π,π]. Всё множество значений аргумента обозначают Arg z . Таким образом, Arg z = arg z + 2πk ( k = 0,±1,±2,K).

ЗАМЕЧАНИЕ 1

Иногда удобно считать 0 ≤ arg z < 2π или − π2 ≤ arg z < 32π .

ЗАМЕЧАНИЕ 2

Модули комплексного и сопряжённого ему числа равны: z = z . Аргументы отличаются знаком:

Arg z = −Arg z .

Так как r и ϕ являются полярными координатами точки (x, y), то x = r cosϕ , y = r sinϕ , и, следовательно,

z = r(cosϕ +i sinϕ).

Эта форма записи комплексного числа называется тригонометрической. Для комплексных чисел справедлива формула Эйлера

9

eiϕ = cosϕ +isinϕ ,

(4.2.3)

с помощью которой можно перейти от тригонометрической формы записи комплексного числа к показательной (экспоненциальной)

z= reiϕ .

Впоказательной форме удобно проводить умножение комплексных чисел. Если z1 = r1eiϕ1 ,

z1 = r1eiϕ2 , то

z1 z2 = r1r2ei(ϕ1 +ϕ2 ).

Из правила умножения следует правило возведения комплексного числа в натуральную

степень: для z = reiϕ получаем

zn = rneinϕ ,

Извлечь корень целой положительной степени n из числа z —значит найти такое число

w = n z , n -я степень которого равна z. Если z = reiϕ , w = ρeiθ , то

z = wn = ρneinθ = reiϕ = = rei(ϕ+2π k ).

Следовательно, ρn = r ,

nθ =ϕ +2πk , k = 0,±1,K

 

 

 

 

Таким образом, θ = ϕ + 2πk

, то есть

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

w = n z =

n

reiϕ

i

ϕ+2πk

 

ϕ + 2πk

 

ϕ+ 2πk

 

 

 

= n re

n

= n r cos

 

+isin

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

( k = 0,1,K, n −1 ).

Получим n различных значений корня. Все они имеют один и тот же модуль, равный n z ;

аргументы значений wk и wk +1 отличаются один от другого на 2nπ . Поэтому точки,

соответствующие значениям n z , являются вершинами правильного n –угольника, вписанного в окружность радиуса n z с центром в начале координат.

Определение 4.2.5

Многочленом (полинимом) или целой рациональной функцией n – й степени называется

функция вида

(z)= a

 

 

 

 

 

 

P

n

zn + a

n −1

zn −1 +... + a z + a

0

(4.2.4)

n

 

 

1

 

где z C , n N , an , an −1,..., a1, a0 – коэффициенты (вообще говоря, комплексные), an ≠ 0 .

Определение 4.2.6

Число z0 называется корней многочлена Pn (z), если Pn (z0 ).

Теорема Гаусса (основная теорема алгебры)

Всякий многочлен ненулевой степени имеет по крайней мере один корень (вообще говоря, комплексный).

Теорема 4.2.1

Число z0 является корнем мнгочлена Pn (z) тогда и только тогда, когда он делится без остатка на на бином z − z0 , т.е.

Pn (z)= (z − z0 )Qn −1 (z)

где Qn −1 (z) – многочлен степени n −1 .

10

Определение 4.2.6

Pn (z) кратности k ≥ 1 , если Pn (z) делится без

Число z0 является корнем мнгочлена

остатка на (z − z0 )k и не делится на (z − z0 )k +1 .

 

 

 

 

Многочлен Pn (z) при этом представим в виде:

 

 

P (z)=

(z − z

0

)k Q

n −k

(z)

n

 

 

 

где Qn −k (z)≠ 0 .

 

 

 

 

 

Следствие из теоремы Гаусса

Многочлен n – й степени имеет ровно n корней, если каждый корень считать столько раз, какова

его кратность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 4.2.2

Pn

(z) имеет

 

 

z1,

z2 ,..., zm ,

m ≤ n

кратностей k1, k2 ,..., km

Пусть многочлен

корни

( k1,+k2 + ...,+km = n )

соответственно.

Тогда

его

можно разложить

на линейные множители,

т.е.справедливо тождество

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

(z)= a

n

(z − z

)k1 (z − z

2

)k2 (z − z

m

)km .

(4.2.5)

 

n

 

 

1

 

 

 

 

Многочлен n – й степени с вещественными коэффиициентами

Если коффициенты an , an −1,..., a1, a0 многочлена Pn (z) – вещественные числа, то:

• если многочлен имеет комплексный корень

z0 = x0 +i y0 кратности k , то

комплексно сопряженное ему число z0 = x0 −i y

тоже корень этого многочлена

той же кратности;

•разложение (4.2.5) можно получить в виде линейных и квадратичных множителей с вещественными коэффициентами.

Задача 4.2.1

 

 

 

 

(z)= z6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти корни

многочлена

 

 

P

+ 2 x3 +1

и

арзложить

его

на

 

множители с

вещественными коэффициентами

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку Pn (z)= z6 + 2x3 +1 = (z3 +1)2 , то корнями

 

многочлена

является

все

корни

третьей

степени

из −1 . Один

корень

 

очевиден

z1 = −1.

Остальные

 

корни

найдем

геометрически (рис. 4.2.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

z 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.3.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из

рисунка

ясно, что z

3

= cos π

 

+ i sin π

=

 

1

 

+ i

 

3

,

 

 

z

2

= z

3

=

1

 

− i

 

 

3

.

Все

корни

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

кратности 2. В результате получим разложение (4.2.5) в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

3

2

 

 

1

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pn (z)= (z +1)

z

−

 

+ i

 

 

 

z −

 

 

− i

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объединяя последние две скобки в один сомножитель, получим

11