Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

УМК11

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

= z 1 + 2!1 1z 3!1 z12 + 4!1 z13 −K. Главная часть лорановского разложения со-

держит бесконечно много членов. Следовательно, точка z = 0 является суще-

ственно особой для функции f(z).

 

 

 

 

f(z) в существенной особой точке

 

 

Замечание.

 

Исследование функции

можно произвести лишь с использованием ряда Лорана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.46. Определить характер особой точки z = ∞ для функций:

 

 

а) f(z)

= sin

 

1

;

 

 

б) f(z) = ctg

π

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) f(z)

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= z2 ee ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) f(z) = z3 ez

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

1

а)

 

Точка z = ∞− устранимая особая точка данной

функции,

так как lim sin

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ctg π ,

 

так как lim ctg π = ∞.

 

 

б)

точка z = ∞− полюс функции f(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

z→∞

 

 

z

Порядок полюса равен порядку полюса функции ψ(ζ) = ctg πζ в точке ξ = 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ =

 

 

, функция же ψ(ζ)

имеет в точке ζ = 0 полюс 1-го порядка, так как

 

 

 

 

z

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функция

 

 

 

 

= tg πζ имеет в этой точке нуль 1-го порядка, в чем легко убе-

 

ψ ζ

)

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диться следующей проверкой:(tg πζ)

 

 

 

= 0,

 

(tg πζ)

 

 

 

=

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ=0

 

ζ=0

cos

2

πζ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= π ≠ 0. Таким образом, z = ∞ − простой полюс данной функции.

 

 

 

 

 

в) Разложим данную функцию в ряд Лорана в окрестности точки z = ∞:

 

 

 

 

2

 

z

 

 

 

 

 

2

 

(z)n

 

 

 

n zn+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(z)

= z

 

e

 

= z

 

 

 

= (

1)

 

 

 

 

. Ряд Лорана содержит бесконеч-

 

 

 

n!

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = ∞ − существенно

ное множество положительных степеней

z,

поэтому

 

особая точки функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) Разложим функцию в ряд Лорана в окрестности точки z = ∞:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 + z + 1 + 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(z) = z3 ez = z3 z = z3 + z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

2

 

6

n=4

n!zn3

 

 

 

 

 

 

133

f(z), то

Так как главная часть ряда Лорана содержит конечное число положительных степеней z и старшая степень равна 3, то особая точка z = ∞ есть полюс 3-го порядка данной функции.

2.8.ВЫЧЕТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

КВЫЧИСЛЕНИЮ КОНТУРНЫХ ИНТЕГРАЛОВ

 

2.8.1. Вычет функции и его вычисление

Пусть z0 конечная изолированная особая точка однозначной функции

w = f(z). Вычетом функции f(z) относительно точки z0

называется число,

обозначаемое символом resf(z0 ) и определяемое равенство

 

resfz0 =

1

f (z)dz ,

(2.58)

 

 

2πiL+

 

где L+ произвольный ориентированный против часовой стрелки замкнутый контур, лежащий в области аналитичности f(z) и содержащий внутри себя одну особую точку z0 .

Из определения следует, что вычет функции равен коэффициенту a1 при

(z z0 )1 в лорановском разложении f(z) в окрестности точки z0

 

resf(z0 ) = a1 .

(2.59)

Приведем формулы для вычисления вычета в полюсах функции, позволяющие избежать разложения функции в ряд Лорана - процесс в общем случае громоздкий.

Если z0 простой полюс функции

resf(z0 ) = lim f(z)(z z0 ),

 

 

 

 

(2.60)

 

 

 

 

zz0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

причем, если f(z) представима в виде отношения двух аналитических в точке

z0 функций

f(z) =

 

ϕ(z)

, где ϕ(z0 ) 0,

ψ(z0 ) = 0,

ψ′(z0 ) 0, то

 

 

ψ(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

resf(z0 )

=

ϕ(z0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

(2.61)

ψ′(z0 )

 

 

 

 

Если z0

полюс k го порядка (k 2), то

 

 

resf(z0 )

=

 

1

 

 

lim

d k1[(z z0 )k f(z)]

.

(2.62)

 

 

 

 

 

 

 

 

(k

1)!

 

d z

k1

 

 

 

 

zz0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

134

Для устранимой особой точки resf(z0 ) = 0. Для нахождения вычета от-

носительно

существенно

особой точки необходимо найти

коэффициент

a 1: res f(z0 ) = a 1 .

 

 

 

 

В некоторых случаях находит применение понятие вычета функции отно-

сительно бесконечно удаленной точки.

 

Пусть

f(z)

аналитична в некоторой окрестности точки

z = ∞, кроме

может быть,

самой бесконечно удаленной точки. Вычетом функции f(z) отно-

сительно бесконечно удаленной точки z = ∞ называют величину

 

resf() =

 

1

f(z)dz,

(2.63)

2

 

 

 

 

πi L

 

где Lпроизвольный ориентированный по часовой стрелке замкнутый контур, принадлежащий области R z < ∞ аналитичности функции.

Из определения следует, что вычет относительно z = ∞ енту при z1 в лорановском разложении f(z) в окрестности

противоположным знаком:

resf() = −a1 .

равен коэффици- z = ∞, взятому с

(2.64)

Между утверждениями (2.64) и (2.59), несмотря на их внешнее сходство, имеется существенное различие. Дело в том, что в разложении Лорана в окрестно-

сти точки z = ∞ член a1 z1 принадлежит правильной (а не главной) части ряда, и res f() может быть отличным от нуля и тогда, когда f(z) аналитична

вбесконечности.

2.8.2.Теоремы о вычетах и их применение к вычислению контурных интегралов

Теорема 2.4. (Основная теорема Коши о вычетах). Если функция f(z)

аналитична в области D, за исключением изолированных особых точек

z1 , z2 ,K, zn , то для любого замкнутого контура L D, охватывающего эти точки,

 

n

 

f (z)dz = 2πi resf (zk ).

(2.65)

L+

k=1

 

Основная теорема о вычетах имеет важное значение для приложений. Она позволяет вычислять интегралы по замкнутому контуру от функции комплексного переменного, не прибегая к первообразным или криволинейным интегралам. С помощью вычетов вычисляются определенные и несобственные интегралы от функций действительного переменного. При вычислении некоторых интегралов удобно пользоваться теоремой о сумме вычетов.

135

Теорема 2.5. Если функция f(z) аналитична в расширенной плоскости

(т.е. включающей точку z = ∞), за исключением конечного числа изолированных особых точек z1 , z2 ,K, zn , то

n

resf(zk )+ resf() = 0 (2.66)

k =1

n

или resf() = − resf(zk ) (2.67)

k =1

Примеры решения задач

ПРИМЕР 2.47. Найти вычеты функции относительно их особых точек

 

z2

 

1

 

 

а) f(z) =

 

;

б) f(z) =

 

 

;

 

sin z

(z 2)3

в) f(z) =

tg z

;

г) f(z) = z ez .

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 π z

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

Решение.

Особые точки данных функций и их характер определены в

примере 2.46. Итак, а) z = 2 полюс 3-го порядка, поэтому по формуле (2.62)

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

d2

 

3

z2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

находим resf (2)=

 

 

 

lim

 

(z 2)

 

 

 

=

 

 

 

lim2

=1.

 

 

 

 

 

 

(3

1)!

dz2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z 2)3

 

 

2z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

zn = n π (n = 0,±1,± 2,K)простые полюсы, поэтому, воспользо-

вавшись формулой (2.61), получаем resf (nπ)=

 

1

 

 

 

 

=

 

1

 

= (−1)n .

 

 

 

 

 

 

 

(sin z)

 

 

z=nπ

cosnπ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = 0 устранимая особая точка,

 

 

 

resf(0) = 0. Точка

 

 

в)

следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

z

4

tg z

 

z =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

простой полюс, согласно (2.60) имеем resf

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

=

4

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

zπ

z

2

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

tg 4

=

 

4

. Точки zn = (n +1)π

 

(n = 0, ±1, ± 2,K)простые полюсы, то-

 

 

 

 

 

π

 

 

π

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

136

гда по (2.61)

получим

resf (2n +1)

π

=

ϕ(zn )

 

=

 

 

 

 

sinzn

 

 

 

 

=

ψ′(zn )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

π

 

 

z=zn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

4

z cosz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

sin zn

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

2

π2

π

(2 n +1)

π

 

 

n

 

 

 

 

 

 

2 z cosz z

 

 

z sin z

 

 

 

 

(2n +1)

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

z=zn

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

2

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

,

n = 0,±1,

± 2,K.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n +1)(4 n +1)π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) z = 0 существенно особая точка. Для определения вычета относительно существенной точки надо получить разложение функции в окрестности

этой

точки.

 

 

 

Как

было

показано

в

примере

 

2.46(г),

1

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

1

 

ze

 

 

= z 1 +

 

 

+K. Согласно (2.59), resf(0) = a1 =

 

=

.

z

 

 

 

2! z

 

3!z2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

ций:

ПРИМЕР 2.48. Вычислить вычеты относительно точки z = ∞ для функ-

 

 

 

 

1

 

 

 

б) f(z) = z2 ez ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) f(z) = sin

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

г) f(z) = sin z

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) f(z) = z

3 ez

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z2 +1)

Решение. Вычет функции относительно бесконечной удаленной точки можно определять по формуле (2.64), для чего необходимо получить лорановское разложение в окрестности данной точки.

а) Так как z = ∞ − устранимая особая точка (limz0 f(z) = 0), то лоранов-

ское разложение не содержит положительных степеней (главную часть), но содержит правильную часть, поэтому найдем ряд Лорана для данной функции в

окрестности z = ∞: sin 1z = 1z 3!1 z13 + 5!1 z15 −K, откуда видно, что a1 = 1, следовательно, resf() = −1.

Из примера следует, что вычет функции относительно бесконечно удаленной устранимой особой точки может сказаться отличным от нуля.

137

б) Как показано в примере 2.48(б), ряд Лорана в окрестности z = ∞ для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n

z

n+2

 

 

 

 

z

3

 

 

z

4

 

 

 

 

 

данной функции имеет вид:

 

z2

ez =

 

= z2

 

+

 

−K. Так

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1

n=0

 

 

 

 

2!

 

3!

 

 

 

 

 

как в разложении слагаемое

 

отсутствует, то resf() = −a1

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

Как показано

в

примере

2.48(в),

z3 e

 

 

= z3

+ z2 +

+

 

 

 

z

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

6

+

+

+K. Откуда следует, что resf() = −a1 = −

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5!z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4!z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

Разложить функцию в ряд Лорана с тем, чтобы вычислить вычет по

формуле (2.64), трудно. Для вычисления вычета относительно бесконечно удаленной точки удобнее воспользоваться формулой (2.67), поскольку сравнитель-

но просто найти вычеты функции относительно ее конечных изолированных

особых точек z1

= −i

 

 

и z2 = i . Итак, по формуле (2.67) имеем resf() =

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −f(zk ). Указанные точки являются полюсами 2-го порядка. Тогда в силу

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

2

 

 

 

 

sin z

 

 

 

 

 

 

 

(2.62) находим resf(i) = lim

 

 

(z i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(z i)2 (z + i)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zi

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos z z +

1

2 2

z + i

sin z

 

 

 

2 i cosi

 

 

2 sin i

 

 

 

1

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

)

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

= −

 

(cosi + i sin i) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z + i)

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2 i)

3

 

 

 

4

 

zi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

1

(cosi + i sin i) = −

1

ei2 = −

 

1

e1

. Аналогично

находим res f(i) =

4

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

1

 

 

 

 

. Таким образом,

 

resf() = −resf(i)resf(i) =

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 e

 

 

 

ПРИМЕР 2.49. Используя теоремы о вычетах, вычислить контурные ин-

тегралы:

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

 

 

dz;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

z

4

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 z

3

(z +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

ez dz

 

 

 

 

в)

 

 

(z2 +1)(z 3),

где

x = 2, y = −2, y = 2

 

 

 

г)

(2z 1)cos

z

 

 

dz;

z

1

 

z

 

=2

 

 

 

 

L квадрат ограниченный прямыми x = −2,

д)

 

2 z7

+1

dz .

 

6

(

 

2

)

 

z

 

=2 z

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

138

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

а)

 

Подынтегральная

функцияf (z)=

 

 

z

 

 

 

имеет

четыре

 

 

z4 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

простых полюса,

 

 

из которых три:

 

z1 = 1,

 

 

z2 = i,

z3 = −i

лежат

в

 

круге

 

z 1

 

<

 

3

 

 

(рис.

 

2.25).

По

 

 

основной

теореме

о

вычетах

(2.65)

имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

I =

 

z dz

 

= 2 πi[resf(1)+ resf(i)+ resf(i)].

Вычеты

вычисляем

по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

z1

 

=

3 z

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

resf (z0 )= res

 

ϕ(z0 )

 

 

=

 

 

 

ϕ(z0 )

 

=

 

 

z0

 

 

=

 

1

 

,

значит,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

формуле

(2.61)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ′(z0 )

 

 

 

ψ′(z0 )

 

4z30

4z02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

res f (1)

 

 

=

1

,

res f (i) = res f (i) = −

1

. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = 2 πi

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

Подынтегральная функции f(z) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

имеет две особых точки,

 

 

 

 

 

 

z3 (z +1)

 

 

из которых

 

 

z1

 

= −1простой полюс,

z2 = 0 полюс 3-го порядка; причем

z2 = 0 находится в круге

 

z

 

<

 

1

. Поэтому I =

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

= 2 πi resf(0). По

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

z

3

(z +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

resf(0)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

d

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

формуле (2.62)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

z

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d z

 

 

 

z

(z +

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

(z +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2! z0

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

 

 

 

2! z0

 

 

 

 

 

=

1

lim

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

= 1. Таким образом

 

I = 2 πi .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z +1)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

Подынтегральная функция

f (z)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ez

 

 

 

 

 

 

 

 

 

имеет три особых

 

 

 

 

 

 

 

 

(

z2 +

1

(z 3)

 

 

 

точки: z1 = −i,

 

 

 

 

 

z3 = 3. Но

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 = i,

 

z3 = 3

 

 

 

лежит

 

 

 

вне

квадрата

(рис.

 

2.26).

Вычеты функции относительно ее простых полюсов

z1 и

z2

определяем по

формуле (2.61), положив ϕ(z) = ez , ψ(z)

 

 

 

(

z

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

2 +

1

(z 3). Тогда в силу (2.65)

получаем

(

 

 

 

ez dz

 

= 2 πi[resf (i)+ resf (i)]=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1

(z 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

139

 

 

 

 

 

 

 

ei

 

 

 

 

 

 

 

 

ei

 

 

 

 

 

 

 

 

ei

 

 

 

 

 

ei

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2πi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= π

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i(i 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i(i 3)

 

 

 

i + 3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ei

(

i 3

 

 

ei

(

i + 3

 

 

 

 

 

 

 

π

 

e

i

+

e

i

 

 

 

e

i

e

i

 

 

 

 

 

= π

 

 

)

+

 

 

 

)

 

 

= −

 

 

 

2 i

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

=

π

 

(2 i ch i 6 sh i)

= π(3sh i i ch i).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

=

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 = i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 = i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1 =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z3 = 3

 

z4 = −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z3 = −i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1 = −i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.26

 

 

 

 

 

г)

Функция f(z) = (2z 1)cos

 

z

 

аналитична в круге

 

 

z

 

 

< 2 всюду,

 

 

 

 

z 1

кроме точки

z = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения типа особенности и вычета необходимо

разложить функцию в ряд Лорана в кольце 0 <

 

z 1

 

< 1.

 

Предварительно

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

найдем

cos

 

 

= cos

1

+

 

 

 

= cos1cos

 

 

 

sin1sin

 

 

 

 

 

 

=

 

z 1

z

 

z 1

z

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= cos1

 

 

 

2 +K

sin1

 

 

 

1

3!(z 1)

 

+K . Легко видеть, что

 

 

2(1 z)

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разложение

функции

(

2z 1)cos

 

 

z

 

 

=

[

2(z 1)+1 cos

 

z

 

 

 

 

содержит

 

z 1

 

 

z

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

]

 

 

 

бесконечно

много

членов с

отрицательными степенями;

 

значит z = 1

существенно особая точка. Так как вычет равен коэффициенту при (z 1)1 , то

получаем

z

 

resf(1) = a1 = −(cos1 + sin1).

Следовательно,

 

(2z 1)cos

dz = = −2πi(cos1 + sin1).

 

z 1

 

 

z

 

=2

 

 

 

 

 

 

140

д) Подынтегральная функция имеет 3 особых точки: z = 0полюс 6-го порядка, z = ±i простые полюсы, и все они принадлежат кругу z < 2 .

Можно применить основную теорему о вычетах, но удобнее вычислять, пользуясь вычетом относительно бесконечно удаленной точки:

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =

 

 

2 z

+1

 

dz = −2 πi resf().

 

 

 

0

2

 

 

 

 

z

 

=2

z

(

z

+

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разложение подынтегральной функции в ряд Лорана в окрестности точки

z = ∞ можно получить,

деля числитель на знаменатель по правилу деления

многочленов

 

2 z

7

+1

=

2

2

+

2

2

+K. Здесь

a1 = 2 , значит:

 

z3

+ z6

 

z

z3

z5

z7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

resf() = −2 , следовательно,

I = 4 πi .

 

 

 

141

УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

РАЗДЕЛ: «ТЕОРИЯ ФУНКЦИЙ КОМПЛЕКСНОГО ПЕРЕМЕННОГО»

3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]