практика ТФКП

Часть 2. Вопросы для повторения.

1.Понятие комплексного числа в алгебраической форме. Арифметические действия над комплексными числами. Доказать теорему об извлечении квадратных корней из комплексных чисел в алгебраической форме.

2.Геометрическое изображение комплексных чисел. Модуль и аргумент ком-

плексного числа в алгебраической форме. Доказать векторным способом неравенство |α + β| ≤ |α| + |β| для комплексных чисел α и β.

3.Комплексные числа в тригонометрической форме. Умножение, деление, воз-

ведение в степень комплексных чисел в тригонометрической форме. Формула Муавра. Проиллюстрировать применение формулы Муавра на примере получения формул косинуса и синуса тройного аргумента.

4.Обосновать формулу извлечения корня n-й степени из комплексных чисел.

Сколько значений может принимать корень n-й степени из комплексного числа? Каково расположение этих значений на комплексной плоскости? Что можно сказать о количестве комплексных корней степеннόго уравнения n-й степени? Проиллюстрировать решение степенных уравнений в комплексных числах на примере задачи 7.б).

5.Стереографическая проекция расширенной комплексной плоскости на сфе-

ру Римана. В чём состоит различие между бесконечно удалённой точкой

расширенной комплексной плоскости и бесконечностью числовой прямой

втеории действительного переменного? Можно ли выполнять арифметические действия над бесконечно удалённой точкой и вычислять в этой точке значения функций? Сколько бесконечно удалённых точек рассматривается

втеории функций комплексного переменного? Вывести формулы стереографической проекции и проиллюстрировать их применение на примере задачи 10.г).

6.Доказать основное свойство стереографической проекции. Обосновать с по-

мощью сферы Римана тождественность прямой линии и окружности расширенной комплексной плоскости.

7.Охарактеризовать понятие предельного числа для последовательности комплексных чисел. Может ли у множества комплексных чисел быть более од-

ной предельной точки? Ответ проиллюстрировать на примере задач 12.а), 12.в). Может ли точка z = ∞ быть предельной для какой-нибудь последовательности? В каком случае последовательность комплексных чисел называется сходящейся? Что такое предел последовательности комплексных чисел? Какова геометрическая интерпретация предельного числа и предела последовательности комплексных чисел?

8.Охарактеризовать понятия ограниченной и неограниченной последовательностей комплексных чисел. Лемма о вложенных отрезках. Понятие стягивающейся последовательности вложенных прямоугольников. Доказать тео-

-41 -

рему Больцано-Вейерштрасса и предшествующую ей теорему о вложенных прямоугольниках.

9.По каким правилам осуществляются арифметические действия над пределами последовательностей комплексных чисел? Доказать критерий Коши сходимости к конечному пределу последовательности комплексных чисел.

10.Определить понятия внутренней, внешней, граничной точек множества комплексных чисел, понятия открытого, замкнутого, связного множеств, понятия области, замкнутой области, понятия ограниченной и неограни-

ченной областей, понятие линии Жордана. Сформулировать принцип Жордана и охарактеризовать с его помощью понятия внутренней и внешней областей по отношению к замкнутой линии Жордана. Охарактеризовать процедуру выбора положительного направления обхода замкнутой жорда-

новой кривой. Определить понятия односвязной и многосвязной областей.

Проиллюстрировать все вышеизложенные определения на примере множества {| z - 3| < 5, | z – 4 + i| > 2, | z - i| > 1}. Определить понятия функции комплексного переменного, однозначной, многозначной функций. Проиллюстрировать эти определения на примере функций w = z , w = n z , w = Arg z. Какова взаимосвязь между функциями комплексного переменного и функ-

циями действительных переменных? Проиллюстрировать эту связь на примере функции w = z 2.

11.Определение показательной функции. Какова область определения этой функции? Запись комплексных чисел в показательной форме. Доказать

теорему сложения для показательной функции и теорему о периодичности функции-экспоненты.

12.Определение функции-Логарифма. Какова область определения этой функции? Проиллюстрировать формулу Логарифма на примере вычисления Ln (1 – i). Чем замечательны для функции-Логарифма точки z = 0 и z = ∞? Сколько ветвей имеет эта функция? Какой формулой задаётся главная ветвь Логарифма? Доказать формулы Логарифма от произведения и Логарифма от частного. Сколько разных чисел стоят в левых и правых час-

тях доказанных равенств? Имеет ли место для Логарифма известное свойство логарифма от действительного переменного: Ln z k = k Ln z ? Ответ обосновать и проиллюстрировать на контрпримере парадокса И. Бернулли.

13.Определения степени комплексного числа с целым, рациональным, иррациональным, комплексным показателями. Сколько значений принимает степень в каждом из указанных случаев? Проиллюстрировать формулу

степени комплексного числа с комплексным показателем на примере вычисления i i. Подчиняется ли степень с комплексным показателем известным правилам умножения степеней и возведения степени в степень?

Определения общей степеннóй, общей показательной, общей логарифми-

ческой функций. Какова область определения каждой из указанных функций? Сколько значений принимают эти функции при фиксированном z?

-42 -

14.Определение функций косинус, синус, тангенс, котангенс. Какова область определения у этих функций? Доказать теорему о периодичности синуса и косинуса и теорему сложения для косинуса и синуса. Опираясь на последнюю теорему, вывести основное тригонометрическое тождество.

15.Определение гиперболических косинуса, синуса, тангенса, котангенса. Како-

ва область определения у этих функций? Вывести формулы связи между гиперболическими и тригонометрическими косинусом и синусом соответ-

ственно, а также основное гиперболическое тождество. Доказать теорему об оценках модулей синуса и косинуса. Что можно сказать об ограничен-

ности тригонометрических косинуса и синуса комплексного переменного, опираясь на доказанные неравенства?

16.Определить обратные тригонометрические и обратные гиперболические функции. Вывести следующие формулы:

17.Определить (по Коши) понятие предела функции в точке (включая бесконечно удалённую точку), а также понятие бесконечного предела функции в точке. Какова взаимосвязь между пределами функций комплексного переменного и пределами функций действительных переменных? Проиллюстрировать эту связь на примере задачи 21.а). Что можно сказать вообще о свойствах пределов функций комплексного переменного, опираясь на установленную взаимосвязь?

18.Понятия непрерывности функции в точке по множеству комплексных чисел и непрерывности функции на множестве комплексных чисел. Ка-

кова взаимосвязь между непрерывными функциями комплексного переменного и непрерывными функциями действительных переменных? Что можно сказать вообще о свойствах непрерывных функций комплексного переменного, опираясь на установленную взаимосвязь?

19.Понятие производной функции по множеству в точке. Зависит ли произ-

водная функции от множества, по которому она вычисляется? Ответ проиллюстрировать на контрпримере функции w = Re z и множеств E1 = {y = 0, x R} и E2 = C. Что можно сказать вообще о дифференцировании суммы, произведения, частного функций комплексного переменного, а также сложных и обратных функций? Доказать, что если функция дифференцируема по множеству в точке, то она непрерывна по этому же множеству в той же точке. Понятие дифференциала функции по множеству в точке.

20.Доказать теорему о необходимых и достаточных условиях дифференци-

-43 -

руемости функции комплексного переменного. Понятие аналитической

(голоморфной) функции. Исследовать на аналитичность функцию w = e z. Достаточно ли потребовать в доказанной теореме только выполнения условий Даламбера-Эйлера, без дополнительного условия дифференцируемости действительной и мнимой частей данной функции комплексного переменного? Ответ проиллюстрировать на контрпримере функции

0, z = 0.

ствительную и мнимую части данной функции комплексного переменного наряду с условиями Даламбера-Эйлера, чтобы эта функция была аналитической (теорема Меньшова)?

21.Понятие гармонической функции, сопряжённых гармонических функций. Доказать теорему о связи между аналитическими и гармоническими функциями. Как решается задача о нахождении аналитической функции по заданной её действительной части? Какому условию должна удовлетворять эта заданная функция? Проиллюстрировать метод решения этой задачи на примере задания 29.б). Как найти аналитическую функцию по заданной её мнимой части?

22.Охарактеризовать геометрический смысл аргумента и модуля производной

функции комплексного переменного. При каком условии эти утверждения имеют место? Какими свойствами обладает отображение с помощью аналитической функции при выполнении указанного условия? Понятие кон-

формного отображения.

23.Вывести формулы длины конформного образа дуги кривой и площади конформного образа области. Проиллюстрировать применение полученных

формул на примере задачи: найти площадь области, на которую с помощью функции w = z 3 отображается прямоугольник {1 ≤ x ≤ 2, - 1 ≤ y ≤ 1}, и длину дуги, на которую данная функция отображает отрезок {y = x – 1, 1 ≤ x ≤ 2}.

24. Ряды комплексных чисел, их сходимость и расходимость. Доказать необходимое условие сходимости ряда. Является ли оно достаточным? Ответ

рий Коши сходимости ряда комплексных чисел. Понятия абсолютной и условной сходимости числового ряда. Доказать теорему об абсолютной сходимости ряда. Какой характер носят условия этой теоремы: необходимый? достаточный? необходимый и достаточный? Ответ проиллюстриро-

вать на контрпримере ряда ∑∞ (−1)n .

n =1 n

25.Доказать признак сравнения и предельный признак сравнения абсолютной сходимости ряда комплексных чисел. Какие известные ряды используются обычно в качестве эталонных при применении признаков сравнения? Ответ проиллюстрировать на примере задач 34.б), 34.в).

26.Доказать признаки Даламбера и Коши абсолютной сходимости ряда комплексных чисел. Существуют ли ряды, сходящиеся ˝быстрее˝ суммы геометрической прогрессии, и для которых вышеуказанные признаки неприменимы? Ответ проиллюстрировать на примере признака Раабе.

27.Сформулировать признак Дирихле условной сходимости ряда комплекс-

ных чисел и проиллюстрировать его применение на примере задачи 34.з).

28.Целая линейная функция. Какие геометрические действия осуществляются при отображении посредством целой линейной функции? Каноническое уравнение целой линейной функции. Понятие неподвижной точки целой линейной функции.

29.Общая линейная функция. Какова область конформности у этой функции?

Понятие симметричности точек относительно окружности. Какие гео-

метрические действия осуществляются при отображении посредством общей линейной функции?

30.Доказать круговое свойство линейной функции. В каком случае образом прямой или окружности при линейном отображении заведомо будет пря-

свыкинутым кругом z − d2 ≤ d2 .

34.Сформулировать утверждение об инвариантности пары симметричных относительно окружности точек при линейном преобразовании. Опира-

ясь на него, решить в общем виде задачу отображения верхней полуплоскости на единичный круг с центром в нулевой точке. Опираясь на полученный результат, решить задачу 45.а).

35.Решить в общем виде задачу отображения единичного круга с центром в нулевой точке на себя. Опираясь на полученный результат, решить за-

-45 -

дачу 48.а). Как отобразить внутренность круга во внешность круга?

36.Сформулировать теорему об отображении кольца на кольцо. Опираясь на полученный результат, решить задачу 49.б).

37.Степеннáя функция с натуральным показателем. Какова область конформ-

ности у этой функции? Понятия разреза, однолистной и многолистной функций. Какова область однолистности у функции w = z n ? Решить задачу: отобразить круговую луночку, заключённую между двумя окружностями, пересекающимися в точках z = a и z = b под углом π / n, на полуплоскость.

38. Решить две задачи:

1. Отобразить полукруг {| z | < 1, Im z > 0} на верхнюю полуплоскость;

2. Отобразить сектор {| z | < 1, 0 < arg z < π / n} на верхнюю полуплоскость.

39.Функция-Радикал. Какова область определения у этой функции? Какова область конформности? Сколько ветвей имеет функция w = n z ? В какие области эти ветви отображают плоскость с разрезанным лучом, выходящим из нулевой точки? Одинаковы ли эти области для разных ветвей? Зависят ли эти области от расположения луча-разреза на плоскости-про-

образе? Понятия точки разветвления, алгебраической точки разветвления конечного порядка,трансцендентной точки разветвления бесконечного по-

рядка. Имеет ли функция-радикал точки разветвления? Если да, то какие? Какого они типа? Проиллюстрировать взаимоотношение ветвей функции-

радикала на модели римановой поверхности для функции w = z .

40.Функция Жуковского. Какова область определения у этой функции? Какова область конформности? Каковы основные области однолистности? Доказать

теорему о свойствах отображения посредством функции Жуковского.

В какую область функция Жуковского отображает верхний полукруг единичного радиуса, в какую – нижний полукруг, в какую – верхнюю полуплоскость?

41.Доказать теорему о свойствах отображения посредством показательной функции. Каковы основные области однолистности у функции-экспоненты? Как можно по-другому выбрать области однолистности?

42.Логарифмическая функция. Какова область определения у этой функции?

Какова область конформности? Сколько ветвей имеет функция w = Ln z ? В какие области эти ветви отображают плоскость с разрезанным лучом, выходящим из нулевой точки? Одинаковы ли эти области для разных ветвей? Зависят ли эти области от расположения луча-разреза на плос- кости-прообразе? В какие области ветви Логарифма отображают плоскость с разрезанной спрямляемой кривой, соединяющей точки z = 0 и z = ∞? Имеет ли логарифмическая функция точки разветвления? Если да, то какие? Какого они типа?

43. Доказать теорему о свойствах отображения посредством функции коси-

нус. Как исследовать отображение посредством функции w = sin z, опира-

- 46 -

ясь на проведённое исследование отображения посредством косинуса?

44.Охарактеризовать процедуру построения интегральной суммы для функции комплексного переменного на кривой. Понятие интеграла от функ-

ции комплексного переменного по кривой. Каким условиям должны удов-

летворять функция и кривая для существования этого интеграла? Проиллюстрировать сформулированное определение на примере вычисления ин-

45.Доказать формулу сведéния интеграла от функции комплексного переменного по кривой к двум криволинейным интегралам от функций двух действительных переменных. Проиллюстрировать применение этой формулы на примере задачи 66.в).

46.Доказать теорему о сведéнии интеграла от функции комплексного переменного по кривой к определённому интегралу. Проиллюстрировать дока-

47.Сформулировать интегральную теорему Коши в современной трактовке. Как эту теорему формулировал и доказывал сам Коши? Нельзя ли ослабить требования современной теоремы и ограничиться условиями Коши?

48.Проиллюстрировать применение интегральной теоремы Коши на примере

вычисления интегралов Френеля ∞∫cos x2dx и ∞∫sin x2dx .

00

49.Доказать теорему о независимости интеграла от пути интегрирования.

Как, используя результат доказанной теоремы, можно записывать интеграл ∫ f (z)dz (кривая L соединяет точки z0 и z1)? Доказать теорему Барроу

L

для функций комплексного переменного. Понятие первообразной для функ-

ции комплексного переменного. Доказать теорему об общем виде перво-

образной. Формула Ньютона-Лейбница.

50. Справедлива ли интегральная теорема Коши для произвольного замкнутого контура в многосвязной области? Ответ проиллюстрировать на контр-

Понятие составного контура многосвязной области. Как выбирается положительное направление на составном контуре? Справедлива ли интегральная теорема Коши для составного контура?

51.Доказать теорему об интегральной формуле Коши. Понятие интеграла типа Коши. Какие значения принимает интеграл типа Коши, в зависимо-

-47 -

сти от расположения определяющей точки z0 относительно контура интегрирования?

52.Степенные ряды в области комплексного переменного. Понятие верхнего предела последовательности действительных чисел. Доказать теорему Ко- ши-Адамара. В областях какого вида сходятся степенные ряды? Понятия

круга сходимости и радиуса сходимости степеннόго ряда. Что можно ска-

зать о сходимости степеннόго ряда на границе его круга сходимости? Проиллюстрировать приёмы исследования сходимости степеннόго ряда

∑∞ zn

на примере ряда n=1 nα (α R).

53. Доказать первую теорему Абеля. Сформулировать вторую теорему Абеля.

Проиллюстрировать применение этой теоремы на примере заданий 77.а), 77.б). Справедливо ли обратное утверждение второй теоремы Абеля? От-

54.Доказать теорему об аналитичности суммы степеннόго ряда и, как следствие, теорему о бесконечной дифференцируемости степеннόго ряда. Что можно сказать, на основании доказанной теоремы, о почленном дифференцировании и почленном интегрировании степенных рядов?

55.Понятие ряда Тейлора функции комплексного переменного. Доказать теорему о ряде Тейлора. Сколько существует степенных рядов для заданной функции в фиксированном круге? Проиллюстрировать приём разложения функции в ряд Тейлора путём непосредственного вычисления коэффициентов ряда на примере задачи 80.б).

56.Понятие равномерной сходимости функциональных рядов с комплексными членами. Доказать признак Вейерштрасса равномерной сходимости рядов.

Доказать теорему о равномерной сходимости степеннόго ряда. Что собой представляет область равномерной сходимости степеннόго ряда? Сущест-

вуют ли степенные ряды, сходящиеся неравномерно в своём круге сходи-

∞

мости? Ответ проиллюстрировать на примере ряда ∑zn .

n =0

57. Доказать теорему о разложении аналитической функции в степеннόй

ряд. Что можно сказать о порядке дифференцируемости аналитической функции? На основании доказанной теоремы доказать интегральную фор-

мулу Коши для старших производных аналитической функции. Каким формальным способом можно было бы установить полученную формулу?

58. Вывести формулы разложения в ряды Маклорена функций: exp z, sin z, cos z, sh z, ch z. Разложить в ряд Маклорена ветвь многозначной функции (1 + z) α, соответствующую условию 1α = 1. Каковы области сходимости у построенных рядов?

рена функции cos z .

61.Охарактеризовать процедуру деления степенных рядов методом неопреде-

лённых коэффициентов и проиллюстрировать её на примере разложения

z

в ряд Маклорена функции ez −1 . Понятие чисел Бернулли. Чему равны бернуллиевы числа с нечётными номерами?

62.Понятие ряда Лорана. Что представляет собой в общем случае область сходимости ряда Лорана? Во что эта область может вырождаться? При каком условии область сходимости ряда Лорана отлична от пустого множества? Каков характер сходимости ряда Лорана внутри его области сходимости? Проиллюстрировать на примере задачи 90 методы исследования рядов Лорана на сходимость.

63.Сформулировать теорему Лорана. Вывести формулу для вычисления коэффициентов ряда Лорана заданной функции. Сколько существует рядов Лорана, имеющих общее кольцо сходимости, для заданной функции? Проиллюстрировать метод разложения функции в ряд Лорана на примере задачи 91.в).

64.Понятия правильной точки и изолированной особой точки однозначных функций. Доказать критерий правильности функции в точке. Какое из этой теоремы следует условие для изолированной особой точки? Какие возможности поведения функции в окрестности изолированной особой точки благоприятствуют полученному условию? Осуществляются ли они в действительности? Проиллюстрировать реализацию этих возможностей

65.Понятия нуля функции, порядка кратности нуля. Доказать критерий полюса. Доказать теорему о ряде Лорана в окрестности полюса. Проиллюс-

трировать доказанные факты на примере функции задачи 95.а).

66.Доказать теорему о ряде Лорана в окрестности существенно особой точки. Понятие главной части лорановского разложения. Проиллюстриро-

вать изложенные факты на примере функции задачи 95.и).

67.Доказать теорему Сохоцкого-Казорати-Вейерштрасса. Проиллюстриро-

ровать теорему Пикара. Каковы пикаровские исключительные значения

у рассмотренных функций?

68.Проиллюстрировать приёмы исследования на особенность бесконечно удалённой точки на примере задач 95.а), 95.б), 95.в), 95.и). Понятие целой функции. Какой тип может иметь бесконечно удалённая точка у целой функции? Как в зависимости от этого выглядит сама целая функция?

69.Понятие вычета функции относительно изолированной особой точки. До-

казать теорему о вычетах. Проиллюстрировать полученный результат на примере вычисления интеграла задачи 98.в).

70.Вывести формулы вычисления вычета относительно полюса (простого и кратного). Проиллюстрировать применение полученных формул на примере вычисления интеграла задачи 98.г).

71.Доказать лемму о вычислении с помощью вычетов несобственных интег-

ралов от рациональных функций и проиллюстрировать её применение на примере задачи 100.в).

72.Доказать лемму Жордана о вычислении с помощью вычетов несобствен-

ных интегралов и проиллюстрировать её применение на примере задачи

101.а).