книги из ГПНТБ / Попов, М. Т. Основы теории функций комплексного переменного учеб. пособие
.pdfтак. р а к д л я д ет к о й ф ун к ц и и
П р и м е р . Вычислить
J
Р е ш е н и е
Xs ‘- f |
1 |
X 4 - f |
l - dx |
|
|
С |
X* + |
I |
|
|
|
N |
|
|
' |
■ |
|
|
|
j |
^ Г Т Т й х = г Л |
2 |
Bbi ufK) . |
•; |
|||||||
Функция f(z) |
= |
г8 -Д. 1 |
имеет в верхней |
полуплоскости две |
|||||||||
|
|
|
|
z4 + 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
особые точки |
Zl = (1 |
+ |
і) |
Х г ~ |
|
и Ч = |
|
1 + 0 и удов- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
летворяет условию теоремы 2 . |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Выч f(zi) |
= |
— - |
і |
|
’ |
Выч f(z.) = |
— |
|
|||||
2 V |
2 |
’ |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 у т - |
||||
|
;:, |
г |
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
-L |
|
|
J |
* |
+ |
1 |
|
|
1 / 2 |
|
|
2 |
|
||
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т е о р е м ^ / |
3; |
Если функция е *“2 f(z) |
удовлетворяет трем |
||||||||||
условиям: 1 ) |
а > 0, f(z) -> 0 |
при: z->-oo и при Im z^O |
(z->oo, ос |
||||||||||
таваясь в верхней полуплоскости); |
|
|
|
|
|||||||||
',.2 J |
eJ<tz f(è) |
аналитйчна на действительной оси; |
|||||||||||
3) |
f(z)e,az |
аналитична в верхней полуплоскости, за ис |
|||||||||||
ключением конечного числа изолированных |
особых точек ак |
||||||||||||
(к=1, |
2, ... N), то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
J |
еіах f (x)dx =, 2 к 1 |
2 |
Выч. f (ак)е івка ■ |
||||||||
|
—оо |
|
|
|
|
|
|
к^І |
|
|
|
|
|
Т е о р е м а |
4. |
Если функция e iaz |
f(z), |
с условиями 1) и 3) |
теоремы 3, на действительной оси имеет когіечное число прос тых полюсов Xi, х2, ... , xm, то:,
і - 150
“ |
|
|
|
i |
7 |
N |
Выч. . |
.... |
|
|
|
1 |
|
m . |
|
|
~ocJ eiaxf(x)dx = |
2 |
ci- |
|
II k2= l |
|
e aökf(ak)+ |
~ |
2 |
~ |
k =2l |
Uxk) |
• |
||||
|
|
|
|
e Xk) |
||||||||||||
Пр и м е р . |
Вычислить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
oo |
sin X dx |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
x(x* + |
1) |
’ |
|
|
|
|
|
|
|
Решение. - |
Рассмотрим функцию - |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
. g(z) |
|
|
|
|
=,zl |
|
|
cos z |
i sin z |
|
|
|||||
|
|
z(z2 + |
1 ) |
• |
z(z2 -|- 1 ) |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Функция g(z) удовлетворяет-условиям теоремы 4, |
имеет по |
|
||||||||||||||
люс первого порядка в верхней полуплоскости z='i и полюс |
|
|||||||||||||||
первого пор.ядка х=0 |
на действительной |
оси, |
Тогдз |
|
||||||||||||
exi dx- |
|
== 2 я 1 |
Выч |
g(i) + |
- j - |
Выч g (0) |
|
|
||||||||
х(х2 -f- 1 ) |
|
|
|
|||||||||||||
= 2 тс i |
|
|
|
+ . |
• |
2кі |
|
|
2 е |
|
= и • |
1 ; |
|
|||
i ( i - H ) |
' |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
>хі • |
|
|
rcfe - |
1 ) j _ |
|
|
||||
|
|
|
х(х2 + 1 ) -dx |
|
|
|||||||||||
|
|
|
. |
e |
|
|
|
|
|
|
||||||
- |
j |
T |
|
f |
f |
i |
h |
y |
|
sin X |
1 ) dx . |
|
||||
|
x(x2 + |
|
||||||||||||||
|
- |
W |
|
|
|
|
|
|||||||||
Ho |
|
|
|
|
н |
COS X |
|
dx = 0 ., |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
(X’ + |
1 ) |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
так как функция |
|
|
|
COS X |
нечетная. Следовательно, |
|
||||||||||
|
Х(х*-+ 1) |
|
||||||||||||||
|
|
00 |
|
|
sin X |
|
|
іг(е—l) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
IX (xJ + ,J) |
dx = |
|
|
|
|
|
|
|
151
но ввиду четности подынтегральной функции
sin х |
, |
іс(е — і) |
X (*■ + 1) dX = --- 25—
о
§ 3. Логарифмический вычет
Пусть функция f(z) аналитична в области D, за исключе нием конечного числа изолированных особых точек ак (к = 1 , 2, N), причем все ßk—полюсы, а на границе области нет ни
нулей, ни особых |
точек. Тогда функцию <p(z)= |
называют |
логарифмической |
производной функции f(z), |
а вычеты ф(z) |
в ее особых точках ап (п—1 , 2, ... , г) —логарифмическими вычетами функции f(z).
Особыми точками функции <p(z) будут нули функции f(z) и полюсы ее. Можно показать, что вычет функции f(z) в каж дой из ее особых точек равен порядку інуля этой точки для функции f(z), т. е.
Выч ф (а/) = П|.
(п / —порядок нуля а / для функции f(z). Если ßk — по люс порядка Рк для функции f(z), то Выч ф(Пк)='—Рк. Можно доказать, что разность между полным числом нулей и полным числом полюсов функции f(z) в указанной облас ти D определяется равенством
|
|
N - |
т |
dz, |
|
|
f (z) |
||
где |
N — число нулей с учетом их кратности; |
|||
|
Р — число полюсов с учетом их кратности. |
|||
|
Т е о р е м а |
Р у ш е |
(без доказательства). |
|
|
Если функции f(z) |
и ф(г) аналитичны в замкнутой облас |
||
ти |
D, а на |
границе |
области имеет |
место неравенство |
\Нг)\ > jФ(z)I, то полное число нулей в области D функции F(z) = f (z) -f-ф(z) равно полному числу нулей функции f (z).
О с н о в н а я т е о р е м а в ы с ш е й а л г е б р ы
Многочлен п-ой степени имеет на комплексной плоскости ровно п нулей (с учетом их кратности).
152
Д о к а з а т е л ь с т в о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Многочлен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
M(z) = |
ßbzn -f- atzn -' |
+ |
.., |
+ an = |
f (z) *f tp(z)f |
|||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда |
f (z) = ß0zn ; |
|
<p (z) |
= |
ß|Zn_l + |
•.. + ß, |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
<p(z) _ |
ß) |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
||
|
|
f(z) |
ß0 |
z |
|
|
|
“o |
zrt |
|
|||
При любых значениях a0, ait |
... , an (a0=^0) |
можно найти та- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
ч |
кое R, что для |
всех j z | > R |
будем |
иметь 0-^ —- |
< 1 . т. е. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (z) |
|
ІФ (z) I <j f( z) | , |
но f(z) |
имеет единственный корень z = 0 крат |
|||||||||||
ности п. По теореме Руше тогда и M(z) |
имеет п корней (ну |
||||||||||||
лей) внутри круга с радиусом, |
большим R. |
|
|
||||||||||
|
П р и м е р ы . |
1. Найти вычеты логарифмических производ |
|||||||||||
ных функций относительно нулей и полюсов: |
|
||||||||||||
|
|
a) |
f(z) |
Sin г |
|
’ |
б) |
!(z) = |
sin z . |
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
||||||||
|
Р е ш е н и е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a) |
f(z) = |
sin z |
имеет один простой полюс z = l |
и бесконеч- |
|||||||||
|
|
z — 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ное |
множество |
простых |
нулей |
|
z = nk(k = 0 ; ± 1 ; |
± 2 ; ±...). |
|||||||
Следозательио, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
„ |
Г <2> |
|
1- |
n |
|
<'<г> |
|
1- |
|
||
|
|
|
Т (ІГ - 1 • в “ ?- W |
|
’ |
|
|||||||
б) |
f(z) = sinz. Полюсов нет. Нулей z = nk |
(k=0; ±1; ...), |
|||||||||||
|
|
|
B. S |
f(z) |
= |
1 . |
|
|
|
||||
|
|
|
|
t ( 0 |
|
|
|
|
|
||||
|
2. Найти число нулей |
(корней) уравнений в указанных об |
|||||||||||
ластях: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) z* — *3z3 — 1 = 0 , |
I z I |
< 2 ; |
|
|
|
|
||||||
|
б) 7z2 + 18 z -f- 10 = 0, I z I < 1 . |
|
|
|
153
Р е ш е н и е |
|
|
|
|
|
|
|
■ .. |
|
, *■. . |
||
а) Используем теорему Руше: |
|
|
. |
|
• |
|||||||
f (z) = — 3 z- ; |
<p(z) = |
z4 — 1 ; |
|
|
|
|
||||||
I f (z) I |
граница = |
24 ; |
| cp(z) I гр. |
= |
1z4 |
^ J rp. |
|
|||||
|
|
|
< |
I |
zM |
+1 = *17; .. |
|
|
|
|||
|
|
I f(z) |
I |
гр. |
|
I ф(2) |
I rp. |
|
|
|
||
■Следовательно, z4—3z3—1=0 |
имеет три |
корня |
в |
области |
||||||||
I z I < 2 , так как -^3z3= 0 |
имеет один трехкратйый |
корень; |
||||||||||
б) f(z) = |
— 18 z, |
I -f (z)Pp. = |
18, |
: |
|
|
■.: |
|
||||
<p(z) = |
7zs + |
l0, |
I <p(z) ,| rp 5^.7 I |
z2 I |
+ 10 |
= 17, |
||||||
|
|
I |
f (z) I > |
I |
ф (z) |
I . |
|
|
|
|
||
f(z)= —18z |
имеет |
один |
корень; |
Следовательно, |
уравнение |
|||||||
7z2—18z+10 = 0 имеет один корень. |
|
|
■ ... |
-. ■■ |
: . . |
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
КОНФОРМНЫЕ ОТОБРАЖЕНИЯ
§1. Принципы конформного отображения
Вглаве 7 § 5 было показано, что отображение, осуществ ляемое однозначной и аналитической функцией f(z), обладает
свойствами сохранения углов и постоянства растяжений во всех точках, где f'(z)=?^Ö. Это означает, что угол между дву мя гладкими кривыми, пересекающимися в точке-го, равен по величине и по направлению углу между их образами на плоскости w в точке Wo=f(zp), и «бесконечно» малые линии, выходящие из z0, преобразуются в подобные. ^
Отображения, обладающие этими свойствами, называют конформнымиотображениями первого рода.
Итак, если w = f(z) однозначная и аналитическая функция,
то она |
производит конформное |
отображение всех точек |
|
плоскости z, где Ѵ(г)Ф0 |
и |
|
|
|
k = |
I f'(z) |Ѵ |
Aw |
|
|
|
Az |
где к- |
коэффициент растяжения, |
а arg f' (z)=ß — угол по |
|
|
ворота. |
|
|
154
На рис. 37 показан геометрический смысл к и argf'(z). Верно и такое предложение: если отображение w—f (z) кон формно в области D плоскости z, то f(z) аналитична во всех точках области D и Г (z) =^0 в этой области.
Пр и м е р . Найти угол поворота и коэффициент растяже
ния при отображении с |
помощью аналитической функции |
w = z2+3z в точках: |
|
а) z = 1 и б) і = — ~ ~ + 1 • |
|
Р е ш е н и е |
- |
w' = 2z + 3.
а) argw'(l) — arg5 = 0, k = I w'(l) I • ^ 5;.
б) argw' |
-----g - + |
= arg (2 + |
21) = |
~ ; |
|
к = I |
w' ^ |
i —[- 1j — (2 + |
21) = |
2 y r'2’. |
|
Пусть отображение w = f(z). конформное. Тогда отображе |
|||||
ние Wi = f(z) |
можно |
представить в |
виде последовательности |
двух отображений:
1 . w = f(z) — конформное отображение первого рода.
2 . wi = w — отображение, которое переводит любую точ ку w в симметричную ей точку wi относительно действитель ной оси, если плоскости w и W] совместить.
155
При этом любые два луча, угол между которыми а, перейдут в два луча, но угол между ними изменит знак — изменится ориентация (рис. 38).
W и W, соВмещены
Отображение, при котором сохраняются абсолютные вели чины углов между кривыми и их образами, но направление углов меняется на противоположное, и которое обладает свойством постоянства растяжений, называют конформным отображением второго рода.
В дальнейшем, говоря о конформном отображении, будем иметь в виду конформное отображение первого рода.
Определение. Отображение w—f(z) называют однолистным в области D плоскости z, если функция f(z) однозначна в этой области и любым двум различным точкам из D соответ ствуют различные точки (образы) плоскости w.
Без доказательства рассмотрим принципы отображения. П р и н ц и п с о х р а н е н и я о б л а с т и
Если функция w = f(z) однолистна и непрерывна в облас ти D, то множество G, на которое эта функция отображает об ласть D, тоже будет областью и обратная функция z = G(w) непрерывна в области G.
156
Т е о р е м а с у щ е с т в о в а н и я
Если D и G односвязные области, границы которых имеют более чем одну точку, то существует однолистное и конформ ное отображение w = f(z) области D в область G.
Можно доказать, что таких отображений бесконечное мно жество, а чтобы найти определенное отображение Hz), нужно задать дополнительные,.условия, которые называют норми ровкой. Такой нормировкой может быть
f(z0) = w0, arg f' (z0) = сро • П р и н ц и п с о о т в е т с т в и я г р а н и ц
Если в области D, ограниченной контуром I, задана одно
листная и аналитическая функция w = f(z), непрерывная в D, и она отображает контур I на контур L и при этом сохраняет ся направление обхода контуров, то функция f(z) осуществля ет отображение области D на внутреннюю область, ограничен
ную контуром L. |
|
|
|
|
|
|
Пр и м е р . В |
какую |
область отображается область тре |
||||
угольника |
zi=l, |
z2= l + i , |
z3= i с |
помощью |
функции |
|
w = az-f-b, |
если zi = l—>-wi = l, |
|
|
|||
|
|
Z2 — 1 -f- І -*■ Wj — 2 ■; i• |
|
|||
З а м е ч а н и е . |
Если |
в результате |
отображения |
w = f(z) |
||
точка z = z0 имеет образ |
wo=f(zo), то это соответствие запи |
|||||
сывают: Zo->Wo или z—Zq->-\V —Wo- |
|
|
||||
Р е ш е н и е |
|
|
|
|
|
|
Отображение w = az-fb |
однолистное |
и аналитическое при |
(і=¥=0, vj'—a -фО, а значит, конформное. По условиям норми ровки a -fb = 1 ,
° ( 1 + 0 + b = 2 + і .
Отсюда |
|
|
оі = |
1 |
+ і, |
« = |
1 |
— 1, |
b = |
і . |
|
Значит, |
|
|
w = (1 |
— і) z + i , |
|
z3 = i - > w 3 = |
(l |
(рис. 39). |
157
Так как отображение конформное, то обходу контура Z]Z2Z3 против часовой стрелки будет соответствовать обход по кон туру \ѵі'ѵ2\ѵз, и область, в которую отобразится треугольник Z1Z2Z3, останется внутри контура WiW2w3.' Во что же отобра зится отрезок z1Z2? Здесь
... |
Z = 1 -fyi ( 0 < у < 1 ) , |
тогда |
• |
w = (1 — 0 ( 1 + уі) + 1 = 1 + у + у і; w = и + ѵі = I -j- у -f- у і;
| u==y+l'
l V — у
u = v-f-l — это уравнение прямой WiW2. Итак.
ZjZ2 - > w tw 2 .
Аналогично доказывается, что отрезки z2z3 и z3zt отображают ся в отрезки w2W3 и w3w’i.
§ 2. Задача конфордіного отображения
Основная задача теории конформных отображений состоит
в следующем. |
. |
Дана область D плоскости z |
и область G плоскости \ѵ. |
Найти функцию w = f(z), однолистно и конформно отобража ющую область D на область G.
При решении таких задач часто бывает удобным найти
.158
отображение каждой из этих областей D и G на некоторую «стандартную» область плоскости ѵ/ь например, на верхнюю' полуплоскость или единичный круг | wi | <l .
В самом деле, если функция Wi = <p(z) отображает область D на эту «стандартную» область, а Wi = ^(w) отображает об ласть G на ту же область, то из wi=i|)(w) находится обрат ное отображение w = g(wi), и тогда отображение w = g[cp(z)]
будет искомым.
При решении задач на конформное отображение в неко торых случаях приходится выяснять, является ли конформ
ным отображение некоторой точки z0 на |
окрестность точки |
|||
W—оо или окрестности |
точки z = oo на |
|
окрестность |
точки |
\Ѵ = оо. . |
|
|
точки w=oo назы |
|
Отображение точки z0 на окрестность |
||||
вают конформным, если Zo конформно |
отображается на ок-_ |
|||
. . |
1 |
Zo=oo, то ѵ= |
1 |
|
рестность точки t = 0, где t = ---- , а если |
— и: |
|||
|
w |
|
|
z |
w
Например, дано отображение w = a z - J - b (а Ф 0 ) . Выясним,, конформно ли отображение окрестности точки Zo = °o на ок рестность точки Wo = 0. Полагаем
тогда |
|
|
> |
_ J L + b; t = _ |
V |
t |
у |
а + b у |
Эта функция окрестность точки у = 0 конформно отображает на окрестность точку t = 0, так как
t' I і=о I |
= ---- Ф 0 . |
‘ |
а |
О п р е д е л е н и е.'Углом |
между двумя непараллельными |
прямыми в точке z = oc называют угол между этими прямыми в конечной точке их пересечения, взятый с противоположным знаком. Если прямые параллельны, то угол между ними в точке z = oo принимается, равным нулю.
Это определение также используется для выяснения кон формности отображения в точке ‘Z = co.
159