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

83295. Информационные технологии как фактор повышения мыслительной деятельности учащихся на уроках познание мира 2.58 MB
  Изучить психолого–методическую и научно–методическую литературу о роли информационных технологий в учебном процессе. Раскрыть роль и значение информационных технологий в повышении результативности в обучении школьников. Экспериментальная проверка роли информационных технологий как фактора повышения качества знаний школьников на уроках познание мира.
83296. Факторы и последствия изменения климата 56.59 KB
  Изучением изменений климата занимается наука палеоклиматология. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле внешние воздействия такие как колебания интенсивности солнечного излучения и с недавних пор деятельность человека.
83298. Организация контроля за деятельностью подразделений предприятия ИП «Г.Г.Соколова» 49.58 KB
  Управленческий контроль это одна из функций управления без которой не могут быть реализованы в полной мере все другие функции управления: планирование организация руководство и мотивация. Контроль призван обеспечивать правильную оценку реальной ситуации и тем самым создавать предпосылки...
83299. Технология создания программы в жанре телеинтервью (на примере программы «Познер») 55.06 KB
  Актуальность теоретического исследования технология создания программы в жанре телеинтервью заключается в том, что в настоящее время жанр интервью является самым распространенным и популярным в журналистике. Всё более возрастающий интерес к нему требует от интервьюеров создания качественного материала...
83300. Электроснабжение комбината цветной металлургии 744.25 KB
  В системе цехового распределения электроэнергии широко используют комплектные распределительные устройства, подстанции и силовые токопроводы. Это создает гибкую и надежную систему распределения, в результате чего экономиться большее количество проводов и кабелей.
83301. Исследование силы мышц и гибкости позвоночника у детей дошкольного возраста на хореографических занятиях 68.22 KB
  В процессе роста и развития разные группы мышц развиваются неравномерно у детей дошкольного возраста. Масса нижних конечностей по отношению к массе тела увеличивается интенсивнее, чем масса верхних конечностей. Характеристикой функционального созревания мышц служит мышечная выносливость.
83302. Организация сестринской помощи за пациентами с описторхозом 85.54 KB
  В приемном отделении на больного медицинская сестра заводит историю болезни и его осматривает врач. Процедурная медицинская сестра выполняет парентеральное введение лекарственных средств: внутривенное струйное и капельное подкожное внутримышечное введение.
83303. Антимонопольне регулювання як складова конкурентної політики держави 394.49 KB
  Роль конкуренції та конкурентної політики держави в сучасній економічній системі. Теоретичні засади вивчення природи конкуренції заклали класики економічної теорії. Під час дослідження даної теми були поставлені такі завдання: визначити суть значення конкуренції та конкурентної поітики...