Вычеты
.docxБелорусский национальный технический универстет
Реферат по теме: “Вычеты”
Выполнил: Преподователь:
БНТУ 2013
ВЫЧЕТ
аналитической функции f(z) одного комплексного переменного в конечной изолированной особой точке аоднозначного характера - коэффициент при в разложении Лорана функции f(z) (см. Лорана ряд).в окрестности точки а, или равный ему интеграл
где - окружность достаточно малого радиуса с центром в точке а. В. обозначается (либо Выч. ).
Теория вычетов опирается на Коши интегральную теорему. Основной в теории В. является следующая теорема о вычетах. Пусть /(z) - однозначная аналитич. функция всюду в односвяз-ной области G, кроме изолированных особых точек; тогда интеграл от f(z) по любой простой замкнутой спрямляемой кривой g, лежащей в области G и не проходящей через особые точки функции f(z), вычисляется но формуле
где - особые точки функции , попавшие внутрь .
Вычет функции в бесконечно удаленной точке для функции , однозначной и аналитической в окрестности этой точки, определяется формулой
где - окружность достаточно большого радиуса, ориентированная по часовой стрелке, а - коэффициент при в разложении Лорана функции в окрестности этой точки.
Из теоремы о В. вытекает теорема о полной сумме вычетов: если f(z)- однозначная аналитич. функция в расширенной комплексной плоскости, кроме конечного числа особых точек, то сумма всех В. функции , включая В. в бесконечно удаленной точке, равна нулю.
Таким образом, вычисление интегралов от аналитич. функций по замкнутым кривым (контурных интегралов) сводится к вычислению В., к-рые находятся особенно просто в случае конечных полюсов. Пусть - полюс порядка тфункции , тогда
При m=1 (простой полюс) эта формула принимает вид
если регулярны в окрестности точки а, причем для точка аесть простой нуль, то
.
Применение теоремы о В. к логарифмич. производной приводит к важной теореме о логарифмическом вычете: если функция мероморфна в односвязной области G, а простая замкнутая кривая лежит в Gи не проходит через нули и полюсы функции , то
где N - число нулей, Р - число полюсов функции внутри с учетом их кратностей. Выражение в левой части этой формулы наз. логарифмическим вычетом функции относительно кривой (см. также Аргумента принцип).
В. применяются к вычислению нек-рых определенных интегралов от действительных функций, таких, напр., как
где -рациональная функция от непрерывная при - непрерывная функция при где - мнимая часть z, и аналитическая при кроме конечного числа особых точек. При этом подстановкой сводится к контурному интегралу
т. е. к вычислению В.;
если
если f (z) удовлетворяет условиям Жордана леммы.
В. находят многочисленные и важные применения в вопросах аналитич. родолжения, разложения мероморфных функций на простейшие дроби, суммирования степенных рядов, асимптотич. оценок и во многих др. вопросах анализа и его приложений (см. |1] - [4]).
Теория В. одного переменного разработана в основном О. Коши (A. Cauchy) в 1825 - 29. Ряд результатов, относящихся к обобщениям теории В. и ее приложениям, был получен Ш. Эрмитом (Ch. Hermite, теорема о сумме В. двоякопериодической функции), П. Лораном (P. Laurent), Ю. В. Сохоцким, Э. Линделёфом и др.
На римановой поверхности рассматриваются В. не аналитич. функций, а аналитических дифференциалов (см. [5]). Вычет аналитического дифференциала в окрестности его изолированной особой точки определяется как коэффициент при в разложении Лорана функции где - униформизирующий параметр в окрестности этой точки. При этом интеграл от dZ но любой замкнутой кривой на римановой поверхности выражается через В. дифференциала dZ и через его циклические периоды (интегралы от dZ по каноническим разрезам]. На рпмановы поверхности распространяется теорема о полной сумме В.: сумма всех В. мероморфного дифференциала на компактной римановой поверхности равна нулю.
Теория вычетов аналитических функций многих комплексных переменных базируется на интегральных теоремах Стокса и Коши - Пуанкаре, позволяющих заменять интеграл от замкнутой формы по одному циклу интегралом от этой формы по другому циклу, гомологичному первому. Начало теории В. функции многих переменных положил А. Пуанкаре [6], к-рый в 1887 впервые обобщил интегральную теорему Коши и понятие В. на функции двух комплексных переменных, показав, в частности, что интеграл от рациональной функции двух комплексных переменных по двумерному циклу, не проходящему через особенности подинтегральной функции, сводится к периодам абелевых интегралов, и применил двойные В. для обоснования двумерного аналога Лагранжа ряда.
ОСОБЫЕ ТОЧКИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Точка аСz называется изолированной особой точкой однозначного характера функции f (z), если f (z) аналитическая и однозначная (регулярная) в кольце {z:0<|z–a|< }, а в самой точке а не определена.
Бесконечно удаленная точка называется изолированной особой точкой однозначного характера функции f (z), если f (z) регулярна в некоторой окрестности {R<|z|<} точки z= и функция
имеет в точке =0 изолированную особую точку однозначного характера.
В зависимости от поведения функции f (z) вблизи точки а различают следующие три типа особых точек.
Изолированная особая точка а функции f (z) называется
а) устранимой особой точкой, если существует конечный предел
б) полюсом, если
в) существенно особой точкой, если
не существует.
Заметим, что типы особых точек z= функции f (z) и =0 функции совпадают, ибо
Пусть функция f (z) регулярна в точке а (и, следовательно, в некоторой окрестности этой точки). Число т, т1, называется кратностью(или порядком) нуля функции f (z) в точке а, если выполнены условия
f (a)=f (a)=…=f (m-1)(a)=0,
f (m)(a) 0.
При т=1 точка а называется простым нулем функции f (z), при m>1-кратным.
Порядком (или кратностью) полюса функции g(z) в точке а называется кратность нуля в точке а регулярной функции
Если а – простой нуль f (z), то точка а называется простым полюсом функции g(z).
Замечание.
Вообще, если
, где P(z) и Q(z) – полиномы, не имеющие общих корней, то корни полинома Q(z) (и только они) являются полюсами функцииf (z).
Порядок полюса f (z) совпадает с кратностью соответствующих корней полинома Q(z).
Точка z= называется нулем кратности m1 для функции f (z), регулярной в этой точке, если функция
имеет нуль кратности т в точке =0.
Если z=а – изолированная особая точка однозначного характера для функции f (z), то f (z) регулярна в некотором кольце {z: 0<|z-a|<r} и ее можно разложить в ряд Лорана, сходящийся в этом кольце,
.
Тип изолированной особой точки однозначного характера определяется видом лорановского разложения функции в проколотой окрестности этой точки.
1. Для того чтобы точка а была устранимой особой точкой функции f (z), необходимо и достаточно, чтобы лорановское разложение этой функции в окрестности точки а не содержало главной части.
2. Для того чтобы точка а была полюсом функции f (z), необходимо и достаточно, чтобы главная часть лорановского разложения функцииf (z) в окрестности этой точки содержала лишь конечное число членов (причем полюсом порядка т 1, если главная часть имеет вид
, где ст0.
3. Точка а тогда и только тогда является существенно особой, когда главная часть лорановского разложения функции f (z) в окрестности этой точки содержит бесконечно много отличных от нуля членов.
Разложение функции f (z) в окрестности бесконечно удаленной точки в ряд Лорана имеет вид
Здесь роль главной части играют члены с положительными степенями z, а члены с отрицательными степенями образуют правильную часть.
Опираясь на приведенные критерии типа особой точки и определение вычета в точке z=, рекомендуем читателю сформулировать соответствующие утверждения для точки z=.
Основная теорема теории вычетов
Если аналитична в некоторой замкнутой односвязной области , за вычетом конечного числа особых точек , из которых ни одна не принадлежит граничному контуру , то справедлива следующая формула:
, где — вычет в точке .
Для использования теоремы в вычислении вещественных интегралов нужно продолжить интегрируемую функцию на комплексную плоскость и найти ее вычеты, что обычно довольно просто сделать. После этого нужно замкнуть контур интегрирования, добавив к вещественному отрезку полуокружность, лежащую в верхней или нижней комплексной полуплоскости. После этого интеграл по этому контуру можно вычислить, используя основную теорему о вычетах. Зачастую интеграл по полуокружности можно устремить к 0, выбрав ее правильным образом, после чего контурный интеграл станет равен вещественному.
Пример
Интеграл
Контур интегрирования.
возникает в теории вероятностей при расчете характеристической функции распределения Коши и не поддается вычислению обычными методами. Вычислим его через интеграл по контуру , указанному на рисунке (). Интеграл равен
Так как — целая функция (нет сингулярностей на комплексной плоскости), то функция имеет сингулярности лишь в точках, где . Т.к. , это возможно лишь при или . В пределах контура лежит лишь одна из этих точек.
|
Вычет в равен
Тогда, по основной теореме о вычетах:
Контур можно разбить на прямую часть и кривую дугу, так что
Поэтому
Можно показать, что при :
Поэтому, если , то
Аналогичным образом, для дуги, обхватывающей точку вместо , можно показать, что при :
В итоге получаем:
(При интеграл вычислим обычными методами анализа и равен )