- •Змістовний модуль №1. Комплексні числа та їх геометричне представлення
- •Комплексні числа. Форми запису комплексного числа. Дії над комплексними числами
- •1.2. Послідовності і ряди комплексних чисел. Степеневий ряд
- •Змістовний модуль №2. Похідна функції комплексної змінної
- •2.1 Функції із с в с. Границя, неперервність
- •2.2. Похідна функції комплексної змінної. Умови диференційованості
- •2.3. Геометричний зміст модуля і аргументи похідної комплексної функції
- •2.4. Означення аналітичної функції. Поняття Конформного відображення
- •Змістовний модуль №3. Елементарні аналітичні функції
- •Лінійна функція
- •Дробово-лінійна функція
- •Степенева функція. Поверхня Рімана
- •Функція Жуковского
- •Показникова функція комплексної змінної
- •Тригонометричні функції
- •Логарифмічна функція. Точка розгалуження
- •Радикал. Загальна степенева функція
- •Обернені тригонометричні функції
- •Змістовний модуль №4. Інтеграл функції комплексної змінної
- •Інтеграл від функції комплексної зміної по кусочно-гладкому контуру
- •Теорема Коші
- •Невизначений інтеграл. Формула Ньютона-Лейбница
- •Змістовний модуль № 5. Інтегральна формула Коші та її наслідки
- •5.1. Формула Коші. Принцип максимума модуля
- •5.2. Цілі функції. Теорема Ліувіля. Основна теорема алгебри
- •5.3. Розкладання функції в ряд Тейлора. Оцінка коефіцієнтів степеневого ряду
- •5.4. Нулі аналітичної функції. Ізольованість нулів. Теорема єдиності
- •5.5. Аналітичне продовження. Елементарні функції як аналітичні продовження
- •Змістовний модуль № 6. Ізольовані особливі точки аналітичних функцій
- •6.1. Розкладання аналітичної функції в ряд Лорана
- •6.2. Класифікація ізольованих особливих точок. Нескінченно віддалена особлива точка. Критерій особливої точки, яка усувається
- •6.3. Критерій полюса
- •6.4. Теорема Сохоцького-Вейєрштрасса
- •6.5. Раціональні і міроморфні функції
- •Змістовний модуль № 7. Лишки та їх застосування
- •7.1. Означення ЛишкА. Обчислення лишків
- •7.2. Основна теорема теорії лишків
- •7.3. Застосування теореми лишків до обчислення визначених інтегралів
- •Контрольні роботи Контрольна робота №1 (денна форма навчання)
- •Контрольна робота №2 (денна форма навчання)
- •Контрольна робота (заочна форма навчання)
- •Зразки розв'язування задач
- •Література
Зразки розв'язування задач
Задача № 1. Знайти всі значення , їх модуль та аргумент.
Розв'язання. Означення комплексного степеня: (*), де а 0 і b – довільні комплексні числа.
Звертаємо увагу на те, що у правій частині (*) визначено незалежно від вищенаведеного означення степеня (інакше був би «круг в означенні»). А саме: є значення показникової функції при , яка означена як сума степеневого ряду в який входять лише цілі невід'ємні степені z (дія множення). У даному випадку .
Маємо за означенням (*) і далі за означенням комплексного логарифма:
(**)
Застосувавши до першого множника в (**) формулу Ейлера, матимемо:
.
Порівнюючи (**) з загальною показниковою формою комплексного числа , одержимо:
Задача № 2. Перевірити умови Даламбера – Ейлера для функції і визначити, в яких точках до є диференційовна функція.
Розв'язання. Хай . Тоді рівняння Даламбера – Ейлера мають вигляд:
.
Відокремимо дійсну і уявну частини функції до:
.
Отже,
.
Рівності
(*)
очевидно виконуються в точці . Зовсім легко переконатись, що ця точка є єдиною, в якій задовольняються рівняння Даламбера – Ейлера.
Справді, перше рівняння системи (*) : при рівносильне рівнянню , друге рівняння (*) при рівносильне рівнянню . А система х2=Зу2, Зх2=у2 не має жодного розв'язку, крім х=0, у=0.
Беручи до уваги, що функції u і v є всюди диференційовними, приходимо до висновку, що функція до є диференційовна в точці (достатність умов Даламбера – Ейлера для диференційовності функції) і лише в цій точці (необхідність цих же умов).
Задача № 3. Знайти аналітичну функцію аргумента , уявна частина якої (1)
Розв'язання. Оскільки є функція аналітична, для неї справджуються рівняння Даламбера – Ейлера, тобто:
Залишається з цих рівнянь визначити и. Скористаємось першим рівнянням Даламбера – Ейлера. Беручи до уваги (1), маємо:
;
Звідси
(тут замість сталої С при знаходженні первісної функції и пишемо , оскільки у при знаходженні похідної і обчисленні інтеграла вважається за сталу, отже, взагалі кажучи, входить в С).
Далі, інтегруючи, одержуємо:
(2)
Використаємо тепер друге рівняння Даламбера – Ейлера для знаходження .
Для цього спочатку знайдемо з (2) і з (1).
;
Але , тобто: ;
Звідки , ;
(С – дійсна довільна стала).
Отже, (3)
Виразимо тепер праву частину (3) через z. Оскільки, дістаємо:
.
Задача № 4. Визначити область збіжності функціонального ряду
Розв'язання. Застосуємо ознаку збіжності рядів Даламбера, яка, як відомо, має силу і в комплексній області звичайно для ряду модулів.
Маємо:
Отже, за ознакою Даламбера ряд буде збіжним (і до того абсолютно) при всіх z таких, що ;
Тобто .
Якщо , то ,
Звідки , і даний ряд буде розбіжним, оскільки не виконується навіть необхідна умова збіжності.
Залишається дослідити збіжність ряду при . При цій умові маємо . Ряд , як легко встановлюється за інтегральною ознакою збіжності, є збіжний. Справді, невласний інтеграл існує:
.
1
2х
+
Задача № 5. Розкласти в ряд Тейлора за степенями функцію і визначити радіус збіжності.
Розв'язання. Функція є аналітична в усій комплексній площині, за винятком точки , отже, її можна розкласти в ряд Тейлора в крузі з центром і радіусом, рівним віддалі від точки до найближчої особливої точки: , звідси радіус круга збіжності з центром в точці є рівний 2. Безпосередній розклад в ряд Тейлора по формулі:
веде до складних обчислень. Використаємо інший спосіб:
. (*)
Представимо як суму спадної геометричної прогресії:
Отже, при .
Що ж до другого доданка (*) , то він являє собою похідну по z від .
Аналогічно попередньому розкладемо в ряд Тейлора за степенями і про диференціюємо цей степеневий ряд почленно ( адже степеневі ряди почленно диференціювати в крузі збіжності):
При .
Нарешті:
В крузі .
З теореми єдиності розкладу функції в ряд Тейлора випливає, що одержаний степеневий ряд і є рядом Тейлора функції;
в крузі .
З адача № 6. Обчислити інтеграл , де С – границя півкільця, обмеженого верхніми півколами |z|=1, |z|=2 і відрізками осі абсцис від точки —2 до точки – 1, та від точки 1 до точки 2.
Інтегрування проводиться в додатному напрямі (див. рис. 3).
Розв’язання. Перетворимо підінтегральний вираз, помноживши чисельник і знаменник на z:
.
.
На колі я маємо: , аналогічно на другому колі
Отже,
Оскільки підінтегральна функція є аналітична в будь-якій області, останній інтеграл можна обчислити за формулою Ньютона – Лейбніца:
Аналогічно,
Далі на відрізку АВ , оскільки тут z є дійсним від'ємним числом, а на відрізку KL . В обох випадках , тому
і
Остаточно:
Задача № 7. Обчислити за допомогою інтегральної формули Коші інтеграл
Розв'язання. Підінтегральна функція є аналітична в крузі , крім точки , бо всі інші нулі знаменника: –1, і, – і знаходяться поза цим кругом.
Справді, визначимо віддаль між центром круга а та точкою і, тобто . Маємо (адже а – дійсне число). Крім цього, , тобто , чим і встановлено, що точка і знаходиться поза колом . Далі ; , отже, точки – і та – 1 теж знаходяться поза даним колом.
Представимо тепер розглядуваний інтеграл у вигляді
Оскільки функція аналітична всередині С і на самому колі С, то можна до інтеграла (*) застосувати інтегральну формулу Коші:
де за приймемо , а за .
Тоді .
Задача № 8. Розкласти в ряд Лорана в околі точки функцію .
Розв'язання. Функція не є аналітичною в точці , отже, вона не розкладається в околі цієї точки в ряд Тейлора. Але цю функцію можна розкласти в околі точки в ряд Лорана, тобто в «двосторонній степеневий» ряд. за степенями , оскільки область, в якій вона є аналітична (вся комплексна площина з вилученою точкою ), можна розглядати як кругове кільце з центром в точці , де внутрішній радіус , зовнішній –
Щоб розкласти функцію в ряд Лорана за степенями , спочатку перетворимо її тотожно:
, де .
Використаємо відомий ряд для :
Є'
Цей розклад справедливий в усій комплексній площині, з якої вилучена точка .
Задача № 9. Розкласти в ряд Лорана функцію в околі нескінченно віддаленої точки.
Розв'язання. Покладемо ; тоді функцію розкладемо в ряд Тейлора в околі точки . Для цього розкладемо на елементарні дроби: .
Кожний із доданків у виразі в дужках представимо як суму спадної геометричної прогресії, а саме:
1
— 2/2
1
причому обидва розклади мають місце при (інакше прогресії не будуть спадними). Таким чином:
причому цей розклад справедливий у зовнішності круга (адже і ).
Задача № 10. Обчислити за допомогою теореми про лишки інтеграл , де С- коло , n – ціле число.
Розв'язання. Контур інтегрування С є коло з центром в точці та радіусом r. Якщо , то функція є аналітична в області, обмеженій контуром С, і на самому контурі, оскільки точка знаходиться поза контуром. Отже, за теоремою Коші – Гурса .
Якщо , то точка , яка є єдиною особливою точкою підінтегральної функції, знаходиться в області, обмеженій контуром С. Тоді за основною теоремою про лишки
Обчислимо лишок підінтегральної функції в точці . Для цього розкладемо її в ряд Лорана в околі цієї точки. Маємо:
тепер, якщо , то лишок функції, який за означенням рівний коефіцієнту при в лорановому розкладі, буде . Якщо ж , то в наведеному розкладі в ряд Лорана не буде члена з (наприклад, при n = – 2 розклад матиме вигляд .). Отже, в цьому випадку.
А тому тоді .
Остаточно маємо:
(Нагадуємо, що 0! за означенням рівний 1).
Задача № 11. Довести, що функція відображає конформно верхній півкруг на перший квадрант.
Розв'язання. Функція є дробово-лінійна, отже, вона перетворює коло на коло або на пряму в силу кругової властивості дробово-лінійних перетворень. Оскільки точка z=1, яка лежить на колі , перетворюється на площині в нескінченно віддалену точку, образом кола буде пряма (коло нескінченно великого радіуса). Аналогічно і образом дійсної осі у=0 теж буде пряма.
Точки кола відповідно перетворяться в точки відповідно перетворюється в точки
Отже, образом кола на площині буде уявна вісь.
Аналогічно точки дійсної осі площини відобразяться відповідно у точки , і образ дійсної осі площини Г являтиме дійсну вісь площини .Позначивши , одержимо:
прирівнюючи дійсні і уявні частини в обох частинах рівності, одержимо:
Оскільки для всіх точок всередині круга , то и>0, до того на верхньому півкрузі у>0, тому .
Таким чином, верхній півкруг площини відображається на перший квадрант площини .