Интеграл по комплексной переменной. Операционное исчисление и некоторые его приложения
Интеграл по комплексной переменной.
Определение 1: Кривая Г называется гладкой ,если она имеет непрерывно изменяющуюся касательную.
Определение 2: Кривая называется кусочно-гладкой ,если она состоит из конечного числа гладких дуг.
Основные свойства : Пусть на комплексной плоскости Z задана кусочно-гладкая кривая С длиной l, используя параметрическое задание кривой С зададим h(t) и x (t), где h и x являются кусочно-гладкими кривыми от действительной переменной t. Пусть a<= t<=b, причем a и b могут быть бесконечными числами .
Пусть x и h удовлетворяют условию : [x‘(t)]2 + [h‘(t)]2 ¹ 0. Очевидно, что задание координат h =h(t) и x=x (t), равносильно заданию комплексной функции z (t)= x (t) + ih(t).
Пусть в каждой точке z (t) кривой С определена некоторая функция f (z ). Разобьем кривую С на n – частичных дуг точками деления z0 , z1 , z2 , …, z n-1 соответствующие возрастающим значениям параметра t, т.е. t0, t1, …, t i+1 > t i.
Dz i =z i – z i-1. Составим интегрируемую функцию S = åf (z*)Dz i . (1) где z*– производная точки этой дуги.
Если при стремлении max |Dz i |® 0 существует предел частных сумм не зависящий ни от способа разбиения кривой С на частичные дуги, ни от выбора точек z i , то этот предел называется интегралом от функции f (z ) по кривой С.
(2)
f (zi* ) = u (Pi*) + iv (Pi*) (3)
где Dz i = Dx (t) + iDh(t) (x (t) и h(t) - действительные числа)
Подставив (3) в (1) получим :
(4)
Очевидно, что (4) состоит из суммы двух частных сумм, криволинейных интегралов действительной переменной. Переходя в (4) к пределу при Dx и Dh ® 0 и предполагая, что данные пределы существуют, получаем :
(5)
Заметим, что для существования криволинейного интегралов, входящих в (5), а тем самым и для существования интеграла (2) достаточно кусочной непрерывности функций u и v. Это означает, что (2) существует и в случае неаналитичности функции f (z ).
Сформулируем некоторые свойства интеграла от функции комплексной переменной. Из равенства (5) следуют свойства :
О ограниченности интеграла.
7.) Пусть Cp – окружность радиуса r, с центром в точке Z0. Обход вокруг контура Cp осуществляется против часовой стрелки. Cp : z = Z0 + r×eij, 0 £ j £ 2p, dz = ir×eij dj .
Кусочно-гладкую замкнутую кривую будем называть замкнутым контуром, а интеграл по замкнутому контуру – контурным интегралом.
ТЕОРЕМА КОШИ.
В качестве положительного обхода контура выберем направление при котором внутренняя область, ограниченная данным замкнутым контуром остается слева от направления движения :
Для действительной переменной имеют место формулы Грина. Известно, что если функции P(x, y) и Q(x, y) являются непрерывными в некоторой заданной области G, ограниченны кусочно-гладкой кривой С, а их частные производные 1-го порядка непрерывны в G, то имеет место формула Грина:
( 8 )
ТЕОРЕМА : Пусть в односвязной области G задана аналитическая функция f(Z), тогда интеграл от этой функции по замкнутому контуру Г целиком лежащему в G , равен нулю.
Доказательство : из формулы (5) следует:
Т.к. f(z ) аналитическая всюду, то U(x, y), V(x, y) - непрерывны в области, ограниченной этим контуром и при этом выполняются условия Коши-Римана. Используя свойство криволинейных интегралов:
Аналогично :
По условию Коши-Римана в последних равенствах скобки равны нулю, а значит и оба криволинейных интеграла равны нулю. Отсюда :
ТЕОРЕМА 2 (Вторая формулировка теоремы Коши) : Если функция f(z) является аналитической в односвязной области G, ограниченной кусочно-гладким контуром C, и непрерывна в замкнутой области G, то интеграл от такой функции по границе С области G равен нулю.
TEOPEMA 3 (Расширение теоремы Коши на многосвязную область) :
f (z) является аналитической функцией в многосвязной области G, ограниченной извне контуром С0, а изнутри контурами С1, С2, .. ,Сn (см. рис.). Пусть f (z) непрерывна в замкнутой области G, тогда :
, где С – полная граница области G, состоящая из контуров С1, С2, .. , Сn. Причем обход кривой С осуществляется в положительном направлении.
Неопределенный интеграл.
интеграл по какой-либо кривой, целиком лежащей в области G, содержащей Z0 и Z, в силу теории Коши этот интеграл не зависит от выбора кривой интегрирования и является однозначной функцией Ф(Z). Аналитическая функция Ф(Z) называется первообразной от функции f(Z) в области G, если в этой области имеет место равенство : Ф¢ (Z) = f( Z).
Определение: Совокупность всех первообразных называется неопределенным интегралом от комплексной функции f(Z). Так же как и в случае с функцией действительного переменного имеет место равенство :
( 9)
Это аналог формулы Ньютона-Лейбница.
Интеграл Коши. Вывод формулы Коши.
По свойствам интегралов :
(2 )
g окружность gr с радиусом r . Тогда:
(3)
Уравнение окружности gr : z = Z0 + reij (4)
Подставив (4) в (3) получим :
( 5 )
( 6 )
(7)
gr® 0, т.е. r® 0.
Тогда т.к. функция f(z) аналитична в точке Z=Z0 и всюду в области G, а следовательно и непрерывна в G, то для всех e>0 существует r>0, что для всех z из r–окрестности точки Z0 выполняется | f(z) – f(Z0) | < e.
(8)
Подставив ( 7) в ( 6) с учетом ( 8) получаем :
Подставляя в ( 5) и выражая f(Z0) имеем :
(9)
интеграл Коши.
Интеграл, стоящий в (9) в правой части выражает значение аналитической функции f(z) в некоторой точке Z0 через ее значение на произвольном контуре g , лежащем в области аналитичности функции f(z) и содержащем точку Z0 внутри.
Очевидно, что если бы функция f(z) была аналитична и в точках контура С, то в качестве границы g в формуле (9) можно было использовать контур С.
Приведенные рассуждения остаются справедливыми и в случае многосвязной области G.
Следствие : Интеграл Коши, целиком принадлежащий аналитической области G имеет смысл для любого положения Z0 на комплексной плоскости при условии, что эта точка есть внутренней точкой области Г. При этом если Z0 принадлежит области с границей Г, то значение интеграла равно (9), а если т. Z0 принадлежит внешней области, то интеграл равен нулю :
При Z0 Î Г указанный интеграл не существует.
Интегралы, зависящие от параметра.
Рассматривая интеграл Коши, видим, что подинтегральная функция зависит от 2-х комплексных переменных : переменной интегрирования z и Z0. Таким образом интеграл Коши может быть рассмотрен как интеграл, зависящий от параметра, в качестве которого выбираем точку Z0.
Пусть задана функция двух комплексных переменных j (Z, z ), причем Z= x + iy в точке, принадлежащей некоторой комплексной плоскости G. z= x+ ih Î С. (С - граница G).
Взаимное расположение области и кривой произвольно. Пусть функция j (Z, z ) удовлетворяет условиям : 1) Функция для всех значений z Î С является аналитической в области G. 2) Функция j (Z, z ) и ее производная ¶j/¶Z являются непрерывными функциями по совокупности переменных Z и z при произвольном изменении области G и переменных на кривой С. Очевидно, что при сделанных предположениях :
Интеграл существует и является функцией комплексной переменной. Справедлива формула :
(2)
Эта формула устанавливает возможность вычисления производной от исходного интеграла путем дифференцирования подинтегральной функции по параметру.
ТЕОРЕМА. Пусть f(Z) является аналитической функцией в области G и непрерывной в области G (G включая граничные точки ), тогда во внутренних точках области G существует производная любого порядка от функции f(Z) причем для ее вычисления имеет место формула :
(3)
С помощью формулы (3) можно получить производную любого порядка от аналитической функции f (Z) в любой точке Z области ее аналитичности. Для доказательства этой теоремы используется формула (2) и соответственные рассуждения, которые привели к ее выводу.
ТЕОРЕМА МОРЕРА. Пусть f(Z) непрерывна в односвязной области G и интеграл от этой функции по любому замкнутому контуру, целиком принадлежащему G равен 0. Тогда функция f (Z) является аналитической функцией в области G. Эта теорема обобщается и на случай многосвязной области G.
Разложение функции комплексного переменного в ряды.
Если функция f(x, y) определена и непрерывна вместе с частными производными (до n-го порядка ), то существует разложение этой функции в ряд Тейлора :
Итак, если задана функция f (z) комплексного переменного, причем f (z) непрерывная вместе с производными до n-го порядка, то:
(2) – разложение в ряд Тейлора.
Формула (2) записана для всех Z принадлежащих некоторому кругу | Z-Z0 |<R, где R – радиус сходимости ряда (2).
Функция f (z), которая может быть представлена в виде ряда (2) является аналитической функцией. Неаналитическая функция в ряд Тейлора не раскладывается.
(3)
(4)
(5)
Причем | Z | < R, R ® ¥ .
Формулы ЭЙЛЕРА.
Применим разложение (3) положив, что Z = ix и Z= - ix;
(6)
Аналогично взяв Z = - ix получим :
(7)
Из (6) и (7) можно выразить т.н. формулы Эйлера :
(8)
В общем случае :
(9)
Известно, что :
(10)
Тогда из (9) и (10) вытекает связь между тригонометрическими и гиперболическими косинусами и синусами:
Ряд ЛОРАНА.
Пусть функция f(z) является аналитической функцией в некотором круге радиусом R, тогда ее можно разложить в ряд Тейлора (2). Получим тот же ряд другим путем.
ТЕОРЕМА 1.
Однозначная функция f(Z) аналитическая в круге радиусом |Z-Z0| < R раскладывается в сходящийся к ней степенной ряд по степеням Z-Z0.
Опишем в круге радиусом R окружность r, принадлежащую кругу с радиусом R.
Возьмем в круге радиуса r точку Z, а на границе области точку z , тогда f(z) будет аналитична внутри круга с радиусом r и на его границе. Выполняется условие для существования интеграла Коши :
(13)
(11)
Поскольку
можно представить как сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии со знаменателем
(12)
Представим равномерно сходящимся рядом в круге радиуса r, умножая (12) на 1/(2pi) и интегрируя по L при фиксированном Z, получим : слева интеграл (13) который равен f (Z), а справа будет сумма интегралов :
Обозначая (14)
Это разложение функции f (Z) в круге R в ряд Тейлора. Сравнивая (14) с рядом (2) находим, что (15)
ТЕОРЕМА 2.
Если однозначная функция f(Z) аналитична вне круга с радиусом r с центром в точке Z0 для всех Z выполняется неравенство r < |Z-Z0 |, то она представляется рядом :
(16)
где h - ориентированная против часовой стрелки окружность радиуса r (сколь угодно большое число). Если обозначить (17) , получим :
(18)
ТЕОРЕМА 3.
Если однозначная функция f(Z) аналитическая в кольце Z< |Z-Z0 |<R, где 0£ Z<R<¥ , то она раскладывается в сходящийся степенной ряд :
(19)
f1 и f2 можно представить в виде двух рядов :
(20)
(21)
Ряд (19) – ряд Лорана, при этом ряд (20) сходится в круге радиуса R, ряд (21) сходится вне круга радиуса R функции f2(Z). Общая область сходимости ряда – кольцо между r и R.
f1(Z) – правильная часть.
f2(Z) – главная часть ряда Лорана.
Ряд Тейлора – частный случай ряда Лорана при отсутствии главной его части.
Классификация изолированных особых точек. Вычеты.
Определение 1. Особой точкой функции f(Z) определенной в области (замкнутой) G, ограниченной Жордановой кривой, называется точка Z=Z0 Î G в которой аналитичность функции f1(Z) нарушается. Рабочая точка Z=Z0 функции f(Z), ограниченной в круге |Z-Z0|<R называется изолированной, если функция f(Z) в каждой точке этого круга аналитична, кроме самой точки Z=Z0. В зависимости от поведения функции f(Z) в окрестности изолированных особых точек последние классифицируются на :
1)
2)
3) не существует, то точка Z=Z0 называется существенной особой точкой.
Если С-n=0, то особая точка есть устранимая особая точка.
Пусть f(Z0)=C0 и C-n для всех n=1,2,3,..,m отличного от 0, а для всех n ® m+1 C-n=0, тогда Z=Z0 будет являться полюсом порядка m.
При m>1 такой полюс будет называться простым.
® ¥ , то в этом случае в точке Z=Z0 имеем существенную особенность.
Определение 2. Вычетом функции f(Z) в круге |Z-Z0|<R, ограничивающем изолированную особую точку Z=Z0 называется интеграл : , где L – ориентированный против часовой стрелки контур целиком расположенный в круге радиуса R, содержащем Z0. Вычет существует только для изолированных особых точек. Очевидно, что вычет функции f(z) при Z=Z0 равен первому коэффициенту ряда главной части Лорана :
Если полюс имеет кратность m ³ 1, то для определения вычетов используется формула :
(3)
при m=1 :
Основная теорема о вычетах.
Пусть f(z) аналитическая в области G кроме конечного числа полюсов Z = a1, a2, …, ak. g –произвольный, кусочно-гладкий замкнутый контур содержащий внутри себя эти точки и целиком лежащий внутри области G. В этом случае интеграл a1, a2, …, ak и т.д. умноженный на 2pi :
(5)
Пример :
Найти вычет
Особые точки : Z1=1, Z2= - 3.
Определим порядок полюсов – все полюсы первого порядка.
Используем формулу (3) :