22355

Бесконечно удаленная точка

Лекция

Математика и математический анализ

Пусть функция аналитична в некоторой окрестности бесконечно удаленной точки кроме самой точки . В этом случае функция очевидно ограничена и в некоторой окрестности точки . Пусть функция аналитична в полной поскости. Но тогда функция ограничена во всей плоскости: для всех имеем .

Русский

2013-08-04

682.5 KB

15 чел.

Бесконечно удаленная точка.

Пусть функция  аналитична в некоторой окрестности бесконечно удаленной точки (кроме самой точки ). Говорят, что  является устранимой особой точкой, полюсом или существенно особой точкой функции  в зависимости от того, конечен, бесконечен или вовсе не существует .

Положим  и , тогда  будет аналитиче-ской в некоторой окрестности точки  Последняя будет для  особой точкой того же типа, что и  для  ибо  . Лорановское разложение  в окрестности  можно получить простой заменой  в лорановском разложении  в окрестности . Но при такой замене правильная часть заменяется главной, и обратно. Таким образом, справедлива

Теорема 1. В случае устранимой особенности в бесконечно удалённой точке, лорановское разложение функции  в окрестности этой точки вовсе не содержит положительных степеней , в случае полюса содержит конечное их число, а в случае существенной особенности -  бесконечное.

Если  имеет в точке  устранимую особенность, то обычно говорят, что она аналитична в бесконечности, и принимают . В этом случае функция, очевидно, ограничена и в некоторой окрестности точки .

Пусть функция  аналитична в полной поскости. Из аналитичности функции в бесконечно удаленной точке следует её ограниченность в окрестности этой точки; пусть  при . С другой стороны, из аналитичности  в замкнутом круге  следует её ограниченность в этом круге; пусть в нём . Но тогда функция ограничена во всей плоскости: для всех имеем . Таким образом, теореме Лиувилля можно придать следующую форму.

Теорема 2. Если функция  аналитична в полной плоскости  , то она постоянна.

Введем теперь понятие вычета в бесконечно удаленной точке. Пусть функция  аналитична в некоторой окрестности точки  (кроме, быть может, самой этой точки); под вычетом функции в бесконечности понимают

где - достаточно большая окружность , проходимая по часовой стрелке (так что окружность точки остается слева).

Из этого определения непосредственно следует, что вычет функции в бесконечности равен коэффициенту при  в лорановском её разложении в окрестности точки , взятому с обратным знаком:

.

Теорема 3. Если функция имеет в полной плоскости конечное число особых точек, то сумма всех её вычетов, включая и вычет в бесконечности, равна нулю.

Доказательство. В самом деле, пусть а1,…аn – конечные особые точки функции  и - окружность , содержащая их все внутри. По свойству интегралов, теореме о вычетах и определению вычета в бесконечно удаленной точке имеем:

.

Ч.т.д.

Приложения теории вычетов к вычислению интегралов.

Пусть требуется вычислить интеграл от действительной функции по какому-нибудь (конечному или бесконечному) отрезку (a,b) оси х. Дополним (a, b) некоторой кривой , ограничивающей вместе с (a,b) область , и аналитически продолжим  в .

        К построенному аналитическому продолжению  применяем теорему о вычетах:

                                                     (1)

Если интеграл по  удается вычислить или выразить через искомый интеграл , то задача вычисления решена.

В случае бесконечных отрезков (a,b) обычно рассматривают семейства неограниченно расширяющихся контуров интегрирования, которые строят так, чтобы в результате предельного перехода получить интеграл по (a,b). В этом случае интеграл по  в соотношении (1) можно не вычислять, а лишь найти его предел, который часто оказывается равен нулю.

Весьма полезной при этом оказывается следующая

Лемма (Жордана). Если на некоторой последовательности дуг окружностей  ,(, а фиксировано) функция  стремится к нулю равномерно относительно , то для

                                                     .                                   (2)

Доказательство. Обозначим

. По условиям леммы при также стремится к нулю, причем Пусть a>0; на дугах АВ и CD имеем .

Следовательно , и интеграл по дугам АВ,CD стремится к нулю при .

Поскольку при  справедливо неравенство , то на дуге ВЕ 

. Поэтому и, таким образом, также стремится к нулю при . Если на дуге СЕ полярный угол отсчитывать по часовой стрелке, то для  получится такая же оценка. В случае, когда  доказательство упрощается, т.к. будет излишней оценка интеграла по дугам АВ и CD. Лемма доказана.

Замечание 1. Последовательность дуг окружностей в лемме можно заменить семейством дуг

,,,

тогда, если функция  при стремится на  к нулю равномерно относительно  то для

.       (3)

Доказательство остается в силе.

Замечание 2. Заменим переменную: iz=p, тогда дуги окружностей леммы заменятся дугами , и мы получим, что для любой функции F(p), стремящейся на  к нулю при  равномерно относительно и для любого положительного t

            .                         (4)

Заменяя в (4) р на () мы получим, что в тех же условиях для                     

                                                          ,                                   (5)

где - дуга окружности (см. рис.).

Рассмотрим примеры вычисления интегралов.

Пример 1. .

Выберем вспомогательную функцию . Т.к. функция  на удовлетворяет неравенству , то она равномерно стремится к нулю при , и по лемме Жордана, при

.

Для имеем по теореме о вычетах

.

В пределе при  получаем:

.

Отделяя действительные части и используя четность функции, найдем

.

Пример 2. Для вычисления интеграла

возьмем вспомогательную функцию. Контур интегрирования обходит особую точку z=0. По теореме Коши

.

Из леммы Жордана видно, что . Для оценки рассмотрим лорановское разложение в окрестности точки z=0

,

где - регулярная в точке z=0 функция. Отсюда видно, что

.

Таким образом, теорему Коши можно переписать в виде

.

Заменяя в первом интеграле х на –х, получим, что он равен , поэтому имеем

.

В пределе при и  окончательно:

                                                        .                                        (7)

Пример 3. Вычислить интеграл

                  

Введем вспомогательную функцию  и выберем контур интегрирования таким же, как и в предыдущем примере. Внутри этого контура логарифм допускает выделение однозначной ветви. Пусть означает ту ветвь, которая определяется неравенством . Функция  имеет в точке z=i полюс второго порядка с вычетом

.

По теореме о вычетах                               .

При , начиная с некоторого достаточно большого R, , следовательно, .

Аналогично при , начиная с некоторого достаточно малого r, , следовательно

.

В первом интеграле после замены z=-x получим:

,

и, таким образом, в пределе при  имеем:

+.

Сравнение действительных и мнимых частей дает:

                                  ,         .

Пример 4. Для интеграла

выберем вспомогательную функцию  и контур, указанный на рисунке. Внутри контура однозначен, если считать, что .

На верхнем и нижнем берегах разреза, входящих в этот контур, принимает соответственно значения  и , поэтому интегралы от взаимно уничтожаются, что дает возможность вычислить искомый интеграл. Внутри контура лежат два полюса первого порядка  функции  с вычетами соответственно равными:

,,

где . Применяя теорему о вычетах, получим:

.

В соответствии со сказанным выше имеем:

.

Так же как и в предыдущем примере, докажем, что , и тогда в пределе, при будем иметь:

.

Отсюда, сравнивая мнимые части, получим:

.

Пример5. Вычислить главное значение особого интеграла

     .

Выберем вспомогательную функцию  и контур, изобра-женный на рисунке. Внутри контура функция  регулярна. На нижнем берегу разреза вдоль положительной полуоси . Таким образом, по теореме Коши:

                                          (8).

Очевидно, что  при  и  при . Вдоль ,  имеем соответственно  и , где меняется от 0 до   и от  до  соответственно. Следовательно,

.

Переходя в (8) к пределу при  получим, таким образом, ,

откуда искомый интеграл равен

.

Пример 6. Вычислить интеграл

.

Рассмотрим функцию . Проведем разрез*) .

Положим . При обходе против часовой стрелки замкнутого пути (см. рис., пунктир)  и  получают приращение ,

следовательно, argf(z)=(1+22)/3 получает также приращение . Таким образом, во внешности разреза  функция  распадается на 3 регулярные ветви, отличающиеся друг от друга выбором исходного элемента функции, т.е. значением в некоторой точке .

Будем рассматривать ту ветвь функции, , которая на верхнем берегу разреза (-1,1) принимает положительные значения, и возьмем контур,

___________________

*) На самом деле проведены два разреза:  и , однако, на оси х правее точки х=1 функция  непрерывна: над разрезом , под разрезом .

изображенный на рисмунке. На берегу I имеем , т.е. , на берегу II (после обхода точки z=1 по часовой стрелке)  ( т.е. ), т.е. , интегралы же по окружностям  и , очевидно, стремятся к нулю**) при . Следовательно, по теореме Коши для многосвязных областей

.

Для вычисления воспользуемся разложением ветви 1/ в окрестности бесконечно удаленной точки. Вынесем из-под знака корня , тогда получим , где  и - ветви этих функций,  положи-тельные на отрезке (1, ) действительной оси.

на отрезке  действительной оси. Разлагая последние по формуле бинома:

,

находим вычет выбранной ветви 1/ в бесконечно удаленной точке: (коэффициент при 1/z  с обратным знаком). Но интеграл равен этому вычету, помноженному на , т.е. имеем , откуда окончательно

.

Пример 7. Рассмотрим интеграл      .

__________________

**) Рассмотрим, например интеграл по . На  имеем  , т.е.  

Положим , тогда , таким образом,

. Внутри окружности   подинтегральная функция имеет один полюс II порядка  с вычетом

.

По теореме о вычетах имеем

.

Пример 8. Аналогично вычислим интеграл

.

После подстановки  имеем:

.

Один из полюсов подынтегральной функции  лежит внутри единичной окружности, а другой - вне её, ибо по свойству корней квадратного уравнения , при этом в силу условия  , эти корни действительны и различны. Таким образом, по теореме о вычетах

                           (9)

где - полюс, лежащий внутри окружности. Т.к. правая часть (9) действительна, то она дает искомый интеграл

.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29624. Процедура проведения социометрического опроса 27 KB
  Теперь исходя из практики исследований оптимальным принято считать численный состав малой группы в 1020 человек. При социометрическом опросе каждому опрашиваемому вручается социометрическая анкета социометрическая карточка и список членов социометрируемой группы. Для удобства работы и простоты последующей обработки фамилии членов группы шифруются или кодируются номером в списке группы. Проранжируйте пожалуйста членов Вашей группы по степени симпатии к ним сначала назовите самого близкого для Вас товарища потом менее близкого и т.
29625. Обработка данных социометрического опроса: социометрическая матрица 31.5 KB
  Персональные социометрические индексы это отражение индивидуальных социальнопсихологических свойств личности проявляющихся в отношении к членам группы. Социометрический статус персональный социометрический индекс отражающий отношение членов группы к каждому её представителю выбор отвержение опускание. Персональный социометрический статус вычисляется по формуле: Ci = где Ci социометрический статус R и R положительные и отрицательные выборы полученные i членом группы. N число членов группы Индекс эмоциональной...
29626. Обработка данных социометрического опроса: социограммы 26.5 KB
  Графическое изображение связей внутри коллектива устанавливаемых на основании выбора называется социограммой. Его выделение важно при изучении функциональных связей рабочего коллектива или эмоциональнопсихологических связей симпатий внутри коллектива. Связь между двумя элементами Диада структура очень часто наблюдаемая в небольших коллективах например в форме совместной деятельности а также как дружеские и доверительные связи между двумя людьми. В круговых социограммах все члены коллектива располагаются по окружности внутри...
29627. Метод тестов в социологическом исследовании. Назначение, опыт использования 23.5 KB
  Родоночальник Кендал Тесты :1 гомогенные отдельные св ва личности система заданий в которых чел должен выбрать конкретный вариант поведения 2 гетерогенные оценивают совокупность личностных свв в соответствии с теорией. Изменения в тесты не рекомендуется делать. Проективная методика и тесты это совть методик основ. На результатов интерпретации Могут делиться на ряд групп: А Ассоциативные тесты анализ ситуации Методика незаконченных предложений Методика симантический дифференциал Б интерпретационные тесты тест ТАД истолкование...
29628. Обработка данных социологического исследования: метод группировки 24.5 KB
  Простая группировка это классификация или упорядочение данных по одному признаку. Перекрестная группировка это связывание данных предвари тельно упорядоченных по двум признакам свойствам показате лям с целью: а обнаружить какието взаимозависимости; б осуществить взаимоконтроль показателей сформировать новый составной показатель определить направление связей влияния одного явления на другое. Анализ эмпирических данных согласно теоретической типологии предпо лагает вопервых определение частот распределения по каждому типу;...
29629. Подготовка отчета по результатам исследования. Требования к отчету 33.5 KB
  Административнофинансовое: по отчету определяются объем сроки содержание уровень качество выполненных работ затраты эффективность используемых средств Типы отчетов: По типу исследования По отношению к объему выполненных работ По автору По функциональному назначению Отчет о результатах фундаментального исследования Отчет о результатах прикладного исследования Итоговый Этапный промежуточный Отчет по направлению разделу Отчет по выполненному виду работ Монографический коллективный Итоговый полный Краткий резюме По целевому...
29630. Выборочный метод в социологическом исследовании. Основные понятия выборочного метода 27 KB
  Одной из задач которые стоят перед социологом при проведении исследования является сбор необходимых эмпирических данных об объекте исследования. Множество элементов составляющих объект исследования называют генеральной совокупностью ГС. Основная идея выборочного метода заключается в том чтобы закономерности полученные при изучении относительно небольшой группы людей ВС распространить на весь объект исследования ГС. Выборочный метод позволяет не только сократить временные и материальные затраты на...
29631. Объем выборки, факторы, влияющие на объем выборочной совокупности 21 KB
  Существует способы математического определения для объёма выборки. Опытным путём установлено что объём выборки колеблется от 3961000 1200 человек. Чем более дробный мы предполагаем сделать анализ тем при прочих равных условиях мы должны брать большой объём выборки.
29632. Класс строго вероятностных способов формирования выборочной совокупности. Механический отбор 26.5 KB
  Способы построения выборки делятся на 2 крупных класса: Случайные вероятностные это такие способы отбора когда каждый элемент генеральной совокупности имеет известную чаще всего равную вероятность быть выбранным. Для реализации случайного отбора необходимо иметь основу выборки списки элементов генеральной совокупности. Строго говоря лишь вероятностные выборки являются репрезентативными следовательно только для них может быть рассчитана статистическая погрешность. Механический отбор где элементы генеральной совокупности...