ТФКП ЛЕКЦИИ

если точки z0, z1 принадлежат разным связным компонентам ∂D, то открытое множество D \ λ(I) является связным, т.е. D \ λ(I) есть снова область с простой границей. Более того, справедлив и “параметрический” аналог этого утверждения. А именно вместе с путем λ указанного вида найдется целая “лента”, заметаемая путями такого же типа. Точнее, существует гладкое вложение

Λ: I × I → C такое, что

(a)Λ(1/2, t) = λ(t) при всех t I;

(b)Λ(s, 0), Λ(s, 1) ∂D для всех s I;

(c) Λ(s, t) D при всех s I, 0 < t < 1.

При этом для каждого s > 0 множество D \Λ([−s, s] ×I) является областью с простой границей.

Приняв на веру приведенные утверждения A) и B), можно закончить доказательство теоремы следующим образом. Для произвольных точек z0 γ0, z1 γ1, . . . , zn γn, пользуясь утверждением B), найдем по индукции непересекающиеся жордановы пути λj , j = 1, . . . , n, соединяющие zj−1 с zj , каждый из которых допускает расширение до “ленты” Λj : I × I → C с указанными в утверждении B) свойствами. Тогда при любом s > 0 множество

n

Ds := D \ Λj ([−s, s] × I)

j=1

есть область с простой границей, граница которой Γs := ∂Ds связна, так что кривая Γs гомотопна нулю в G по утверждению A). Но совокупность кривых Γs, 0 s 1, задает (непрерывную) гомотопию кривой Γ1 в кривую Γ, фигурирующую в доказательстве теоремы. Поэтому Γ также гомотопна нулю в G, что завершает доказательство теоремы Коши для многосвязной области.

Заметим еще, что утверждения A), B) достаточно проверить для областей D простого вида, а именно для неконцентрических колец (т.е. для круга, из которого удален круг меньшего радиуса). Пользуясь этим частным случаем теоремы Коши, можно доказать интегральную формулу Коши для круга (см. следующий пункт), а из нее, в свою очередь, вытекает бесконечная дифференцируемость голоморфных функций (см. задачу в п. 6.7). Тогда теорема Коши для многосвязной области будет следовать из формулы Стокса, как указано в начале п. 4.3.

Замечание 5.2. Теорема Коши остается верной, если требование голоморфности f в объемлющей области G D ослабить

64 Лекция 5. Теорема Коши

Замечание 5.4. Интегральная формула Коши восстанавливает функцию, голоморфную в замыкании области, по ее значениям на границе этой области. В частности, голоморфная функция полностью определяется своими значениями на границе.

Отметим один часто используемый частный случай интегральной формулы Коши.

Теорема о среднем. Значение функции f , голоморфной в области D, в произвольной точке a D равно среднему от этой функции по любой окружности с центром в точке a, ограничивающей круг Ur(a) := {z C : |z − a| < r}, компактно принадлежащий D:

1 2π

f (a) = 2π 0 f (a + reiθ ) dθ.

Доказательство. По интегральной формуле Коши для круга Ur(a) D имеем

Задачи. (1) Пусть функция f голоморфна в круге {z C : |z| < 1 + ε} для некоторого ε > 0. Покажите, что для 0 r < 1

Указание: запишите f (z) по формуле Коши для круга {z C : |ζ| < 1} и оцените интеграл, пользуясь свойством 5◦ из п. 4.2.

(2) В условиях задачи (1) покажите, что

max |f (z)| = max |f (z)|.

|z| 1 |z|=1

Указание: запишите неравенство (1) для f (z)n , извлеките корень n-й степени и устремите n → ∞.

(3) Пусть последовательность полиномов Pn(z) сходится равномерно на окружности {|z| = 1}. Докажите, что она сходится равномерно на замкнутом единичном круге {|z| 1}.

Указание: воспользуйтесь критерием Коши равномерной сходимости и результатом задачи (2).

66 Лекция 6. Ряды Тейлора

6.2. Разложение голоморфной функции в ряд Тейлора.

Теорема-определение. Пусть функция f голоморфна в области D C и UR(a) = {z C : |z − a| < R} — круг радиуса R > 0 с центром в точке a D, содержащийся в D. Введем

Числа cn не зависят от r и называются коэффициентами Тейлора функции f в точке a. Степенной ряд

∞

cn(z − a)n

n=0

называется рядом Тейлора функции f с центром в точке a. Он сходится для всех z UR(a) и его сумма равна f (z):

∞

Доказательство. Независимость cn от выбора r вытекает из теоремы Коши о гомотопии, поскольку любые две окружности

{|ζ − a| = r1} и {|ζ − a| = r2} с 0 < r1 < r2 < R

гомотопны в D как замкнутые пути.

Чтобы доказать сходимость ряда Тейлора и равенство (6.1), фиксируем точку z UR(a) и число 0 < r < R, удовлетворяющее |z − a| < r < R. По интегральной формуле Коши (п. 5.3) имеем

Пользуясь тем, что |z − a| < r = |ζ − a| для всех ζ ∂Ur(a) (см. рис. 28), разложим подынтегральное выражение в геометрическую прогрессию:

(6.2)

номерно по ζ ∂Ur(a). Поэтому по свойству 1◦ из п. 6.1 равенство (6.2) можно почленно проинтегрировать по ∂Ur (a). Поделив обе части полученного равенства на 2πi, получаем в точности (6.1).

6.3. Неравенства Коши.

Неравенства Коши. В условиях предыдущей теоремы при 0 < r < R и n = 0, 1, 2, . . . справедливы неравенства

Доказательство. Оценим интеграл, выражающий cn, поль-

6.4. Теорема Лиувилля.

Теорема Лиувилля. Пусть f голоморфна во всей комплексной плоскости C и существует M > 0 такое, что

|f (z)| M для всех z C.

Тогда f (z) ≡ const.

Доказательство. Обозначим через cn коэффициенты Тейлора функции f в точке a = 0. По теореме 6.2 имеем

∞

f (z) = cnzn

n=0

для всех z C. Согласно неравенствам Коши

M

|cn| rn

для всех r > 0 и n = 0, 1, 2, . . . . Устремляя r → ∞, получаем, что cn = 0 при n = 1, 2, . . . . Таким образом, f (z) = c0 ≡ const.

Замечание. Теорема Лиувилля гласит, что на всей плоскости C нет ограниченных голоморфных функций, кроме констант. Поскольку всякая непрерывная функция на компакте ограничена, отсюда вытекает, что на расширенной комплексной плоскости C единственными голоморфными функциями являются константы.

Задача. Покажите, что всю плоскость C нельзя конформно отобразить на единичный круг.

6.5. Множество точек сходимости степенного ряда.

Определение. Пусть {bn} — произвольная последовательность комплексных чисел. Рассмотрим степенной ряд

∞

bn(z − a)n.

n=0

(которое может оказаться равным 0 или +∞) называется радиусом сходимости этого ряда, а круг

UR(a) = {z C : |z − a| < R}

называется кругом сходимости указанного ряда. Формула (6.3) для радиуса сходимости R называется формулой Коши–Адамара.

Приведенное определение мотивировано следующей теоремой.