22348

Интегрирование функций комплексной переменной

Лекция

Математика и математический анализ

кривая с выбранным направлением движения вдоль нее и на ней – функция комплексной переменной fz. Если C кусочногладкая а значит спрямляемая кривая а fz – кусочнонепрерывная и ограниченная функция то интеграл 1 всегда существует. Если функция fz аналитична в односвязной области D то для всех кривых C лежащих в этой области и имеющих общие концы интеграл имеет одно и то же значение. fz – аналитическая функция.

Русский

2013-08-04

1.52 MB

25 чел.

Лекция №5.

Интегрирование функций комплексной переменной.

Интеграл от функции комплексной переменной.

Пусть задана некоторая ориентированная кривая C (т.е. кривая с выбранным направлением движения вдоль нее) и на ней – функция комплексной переменной f(z).

По определению интегралом от  f(z) вдоль кривой C называют:

                                               

                                     (1)

 

         

                                            

где  - последовательные точки, разбивающие C на n участков; через a и b обозначены концы C, - произвольная точка лежащая на участке  кривой C, и предел берется в предположении, что .

Если C кусочно-гладкая (а значит, спрямляемая) кривая, а f(z) – кусочно-непрерывная и ограниченная функция, то интеграл (1) всегда существует.

В самом деле, положив

получим

                                    (3)

Суммы в правой части (3) являются интегральными суммами для соответствующих криволинейных интегралов. В наших условиях эти интегралы существуют, и, следовательно, существует

                                        (4)

С помощью формулы (4) вычисление интеграла от функции комплексной переменной сводится к вычислению действительных интегралов.

      Из введенных определений следует, что для комплексной функции действительной переменной справедливы соотношения

                                                                                            (5)

                                                                            (6)

Пусть  дает параметрическое представление кривой C, причем  тогда, пользуясь формулой (4), получим:

              (7)

Из формулы (4) вытекает также, что на интегралы от функций комплексной переменной  распространяются обычные свойства криволинейных интегралов:

                                       (8)      

                                                           (9)         

                                                                               (10)  

где a, b – комплексные постоянные, - кривая, состоящая из  и , - кривая, совпадающая с C, но проходящая в обратном направление.

Пусть на кривой C и l – длина C, тогда:

                                .                                (11)           

В самом деле,

где  - длина ломаной , вписанной в кривую C, и в пределе при  получаем (11).

 Теорема 1 (Коши). Если функция  f(z) аналитична в односвязной области D, то для всех кривых C, лежащих в этой области и имеющих общие концы, интеграл  имеет одно и то же значение.

Доказательство. Мы докажем эту теорему в дополнительном предполо-жении непрерывности производной 1 . В силу соотношения (4)

                                                  (4)

вопрос о независимости интеграла  от пути сводиться к вопросу о независимости от пути криволинейных интегралов:

                                                                            (12)     

Но, как известно, в односвязной области для независимости от пути криволи-нейного интеграла , где P и Q – функции, обладающие непрерывными частными производными, необходимо и достаточно2, чтобы выражение, стоящее под знаком этого интеграла, было полным дифференциалом, т.е. чтобы в каждой точке области D имело место соотношение . Для интегралов (4) эти соотношения имеют вид:

                                                                                         (13)

непрерывность же частных производных вытекает из предположения о непрерывности . Уравнения (13) совпадают с условиями Коши-Римана и удовлетворяются, т.к. f(z) – аналитическая функция. Ч.т.д.

 Теорема 2. Если функция  f(z) аналитична в односвязной области D, то интеграл

                                                       ,                                    (14)

рассматриваемый в зависимости от своего верхнего предела, также является аналитической в D функцией, причем

                                    .                                  (15)

 Доказательство. В самом деле, по  определению производной и свойствам интеграла (9) и (10) из предыдущего пункта имеем:

.

В силу непрерывности3 f(z) в точке z имеем:

где  при . Поэтому

                                                         (16)

Далее4,

Кроме того,

(путь интегрирования от z до z + h можно считать прямолинейным, поэтому его длина равна |h|). Таким образом, в (16) первый предел равен f(z), а второй – нулю, т.е. . Ч.т.д.

Функция, производная которой равна заданной функции f(z), называется первообразной этой функции.

Таким образом, интеграл от f(z), рассматриваемый как функция своего верхнего предела, является одной из первообразных функций f(z).

 Теорема 3. Любые две первообразные одной и той же функции отличаются друг от друга не более чем на постоянную.

 Доказательство. Пусть  - эти две первообразные. Положим

По формуле для производной имеем

ибо по условию .

Отсюда следует, что ,

т.е. U(x,y) и V(x,y) постоянные. Ч.т.д.

 Теорема 4 (формула Ньютона-Лейбница). Если F(z) – произвольная перво-образная аналитической функции f(z), то

                                                .                                  (17)

 Доказательство. В самом деле, по теореме 2 функция  является одной из первообразных для f(z), функция F(z) по условию также первообразная, следовательно, по теореме 3:

,

где C – некоторая постоянная. Полагая в этом равенстве , найдем, что . Ч.т.д.

Теореме Коши можно придать следующую форму.

 Теорема 1а. Если функция f(z) аналитична в односвязной области D, то ее интеграл вдоль любого замкнутого контура C, лежащего в D, равен нулю:

                                            .                                                     (18)

Доказательство. В самом деле, по свойствам интегралов:

        

                 .

Следовательно, равенство нулю интегралов вдоль C равносильно равенству между собой интегралов вдоль и .

Обобщение теоремы Коши.

 Теорема 5. Если функция f(z) аналитична в односвязной области D и непрерывна в замкнутой области , то интеграл от f(z), взятый вдоль границы C этой области, равен нулю:

                              .                                                                    (19)

      Доказательство.

      Пусть сначала C есть «звездный» контур, т.е. существует точка  такая, что любой луч с началом в этой точке пересекает C в одной и только одной точке. Без ограничения общности можно предполагать, что =0 (это достигается сдвигом плоскости z), тогда кривую C можно задать уравнением , где  - однозначная функция.

                                          

                                                                   

                                                                   

                                                                 

Через  обозначим контур, определяемый уравнением , . Т.к.  лежит внутри D, то по теореме Коши:

                                                                                             (20)

Но когда точка описывает , точка  () описывает C (см. рис.), поэтому равенство (20) можно переписать в виде

и следовательно,

.

Т.к. функция f(z) равномерно непрерывна в , то для любого  можно найти  такое, что для любой пары точек z, , удовлетворяющих неравенству , будет справедливо неравенство:

                                            .                                                  (22)

Пусть l – длина контура C и . Возьмем , тогда для любой пары точек z и  будем иметь

,

т.е. будет выполняться (22), тогда из (21) получим:

.

Т.к. здесь  произвольно мало, а интеграл не зависит от , то он равен 0. Таким образом, для звездных контуров теорема доказана.

      Пусть теперь C – произвольная кусочно-гладкая кривая.

                                                               

                                                                

                                                                     

                                                                     

Если C имеет точки возврата, то выбросим из D круги малого радиуса  с центром в этих точках так, чтобы граница полученной области  уже не имела таких точек. Проведя внутри  конечное число линий , эту область можно разбить на части , ограниченные звездными линиями . По доказанному выше

                                      .                                          (23)

Пусть все линии  проходят в одном и том же направлении. Сложим все уравнения (23). Все интегралы по  взаимно сокращаются (см. рис.). Остальные части границ  составляют границу  области  и, таким образом, . Но т. к. C и  отличаются лишь на конечное число малых дуг и т. к. функция f(z) ограничена, то ее интеграл вдоль этих дуг также мал (см. (11)). Таким образом, интеграл вдоль C сколь угодно мало отличается от интеграла вдоль, который равен 0, и, следовательно, сам равен нулю. Ч.т.д.

 Теорема 6 (теорема Коши для многосвязных областей). Если функция f(z) аналитична в области D и непрерывна в , то ее интеграл вдоль границы области, проходимой так, что область D все время остается с одной стороны, равен нулю.

Доказательство. Пусть функция f(z) аналитична в многосвязной области D, ограниченной кривыми  (см. рис.), и непрерывна в .

                                                    

                                                                         

                                                 

                                                                        

                                                              

                                                                                   

Проведем разрезы , превращающие D в односвязную область  и обозначим через  границу этой области – кривую, состоящую из участков кривых  и кривых , причем последние проходятся дважды в противоположных направлениях. Функция f(z) аналитична в  и непрерывна в . Следовательно, по теореме 5 и свойствам интегралов (9) и (10)

                                .                             (24)

При этом мы должны считать, что кривые  проходятся так, чтобы область D оставалась все время с одной стороны (например, слева). Ч.т.д.

1 Позже мы убедимся, что это предположение автоматически выполняется для гомоморфных функций.

2 Достаточность.


Если , то .


Необходимость. Пусть интеграл  не зависит от пути C, соединяющего точки  и . Тогда является однозначной функцией от , которая может обозначаться . Тогда в любой внутренней точке области D , где C – любая кусочно-гладкая кривая от  до , а  - любая кусочно-гладкая кривая в D от M до , например, отрезок прямой : . Следовательно,  Аналогично . (По теореме о среднем).

3 Непрерывность f(z) является следствием ее аналитичности.


                             

4                               

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22383. Обратная связь (ОС) в усилителях 154 KB
  Влияние ОС на стабильность Ку Однако уменьшая Ку ООС увеличивает его стабильность. стабильность коэффициент усиления в усилителе с ООС в 1 раз выше чем в усилителе без ООС. Пример Пусть усилитель имеет Ку=100 и охвачен ООС причем коэффициент передачи цепи ОС . Стабилизация коэффициента усиления при введении ООС объясняется тем что увеличение усиления за счет любых причин вызывает возрастание напряжения ОС что вызывает уменьшение входного напряжения т.
22384. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ. ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ. ТИПИЗАЦИЯ СБОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 17.73 KB
  Так например элементы перекрытий и покрытий должны быть прочными и достаточно жесткими чтобы их прогиб не нарушал эксплуатационного режима здания: стены и колонны поддерживающие покрытия должны быть прочными и устойчивыми. Все здания в целом должны обладать пространственной жесткостью т. Здания бывают каркасными и бескаркасными. В бескаркасных зданиях пространственная жесткость создаётся благодаря совместной работе продольных и поперечных стен соединенных покрытиями в единую пространственную систему.
22385. СТАДИИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 360.47 KB
  2: стадия I до появления трещин в бетоне растянутой зоны когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно; стадия II после появления трещин в бетоне растянутой зоны когда растягивающие усилия в местах где образовались трещины воспринимаются apматypoй и участком бетона над трещиной а на участках между трещинами арматурой и бетоном совместно; стадия III стадия разрушения характеризующаяся относительно коротким периодом работы элемента когда...
22386. МЕТОД РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ. СУЩНОСТЬ МЕТОДА. ДВЕ ГРУППЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ НАГРУЗОК. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА 17.19 KB
  Конструкция может потерять необходимые эксплуатационные качества по одной из двух причин: 1 в результате исчерпания несущей способности разрушения материала в наиболее нагруженных сечениях потери устойчивости некоторых элементов или всей конструкции в целом; 2 вследствие чрезмерных деформаций прогибов колебаний осадок а также изза образования трещин или чрезмерного их раскрытия. Строительные конструкции рассчитывают по методу предельных состояний который дает возможность гарантировать сохранение...
22387. ИЗГИБАЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ ПО НОРМАЛЬНЫМ И НАКЛОННЫМ СЕЧЕНИЯМ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И ТАВРОВОГО ПРОФИЛЯ. РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНЫХ СТЕРЖНЕЙ 866.99 KB
  РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ ПО НОРМАЛЬНЫМ И НАКЛОННЫМ СЕЧЕНИЯМ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И ТАВРОВОГО ПРОФИЛЯ. Поперечные стержни сеток распределительная арматура принимают меньших диаметров общим сечением не менее 10 сечения рабочей арматуры поставленной в месте наибольшего изгибающего момента; располагают их с шагом 250 300 мм но не реже чем через 350 мм. Железобетонные балки могут иметь прямоугольные тавровые двутавровые трапецеидальные поперечные сечения рисунок 7.2 – Формы поперечного сечения балок и схемы их армирования а прямоугольная;б...
22388. Сжатые и растянутые элементы. Конструктивные особенности. Расчет прочности центрально И Внецентренно растянутых элементов. Расчет внецентренно сжатых элементов таврового и двутаврового сечений 1.23 MB
  Расчет прочности центрально И Внецентренно растянутых элементов. Расчет внецентренно сжатых элементов таврового и двутаврового сечений. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСТЯНУТЫХ И СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Сжатые элементы. Конструктивные особенности сжатых элементов К центральносжатым элементам условно относят: промежуточные колонны в зданиях и сооружениях; верхние пояса ферм загруженных по узлам; восходящие раскосы и стойки ферменной решетки.
22389. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН ЦЕНТРАЛЬНО РАСТЯНУТЫХ, ИЗГИБАЕМЫХ, ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ И РАСТЯНУТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 101.52 KB
  ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН ЦЕНТРАЛЬНО РАСТЯНУТЫХ ИЗГИБАЕМЫХ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ И РАСТЯНУТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. Общие положения Трещиностойкость элементов как условлено ранее это сопротивление образованию трещин в стадии I или сопротивление раскрытию трещин в стадии II.
22390. РАСЧЕТ ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН, НОРМАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ К ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ ЭЛЕМЕНТА. СОПРОТИВЛЕНИЕ РАСКРЫТИЮ ТРЕЩИН. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ТРЕЩИНАМИ 235.22 KB
  РАСЧЕТ ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН НОРМАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ К ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ ЭЛЕМЕНТА. СОПРОТИВЛЕНИЕ РАСКРЫТИЮ ТРЕЩИН. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ТРЕЩИНАМИ. Расчет по образованию трещин нормальных к продольной оси элемента Этот расчет заключается в проверке условия что трещины в сечениях нормальных к продольной оси элемента не образуются если момент внешних сил М не превосходит момента внутренних усилий в сечении перед образованием трещин Мcrcт.
22391. КРИВИЗНА ОСИ ПРИ ИЗГИБЕ, ЖЕСТКОСТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА 161.5 KB
  КРИВИЗНА ОСИ ПРИ ИЗГИБЕ ЖЕСТКОСТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА Расчет перемещений железобетонных элементов прогибов и углов поворота связан с определением кривизны оси при изгибе или с определением жесткости элементов. Считается что элементы или участки элементов не имеют трещин в растянутой зоне если при действии постоянных длительных и кратковременных нагрузок с коэффициентом надежности по нагрузке γf= 1 трещины не образуются. Кривизна оси при изгибе и жесткость железобетонных элементов на участках...