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

13 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

60138. Влияние шума на организм человека 256 KB
  Цель: дать определение шума; рассмотреть наиболее распространённые источники шума; показать влияние шума на живые организмы; доказать что культура поведения в школе эффективный путь борьбы с шумом...
60139. Позакласний захід-панорама до Дня української мови та писемності «Слово – найтонше доторкання до серця…» 144 KB
  Слайд 2 Рідна мова 1 читець Мово рідна Колискова материнська ніжна мово Мово сили й простоти Гей яка ж прекрасна Ти Слайд 3 2 читець Перше слово крик любові Сміх і радість немовляти: неповторне слово Мати про життя найперше...
60140. Засідання круглого столу: «Математики і лірики» 60 KB
  В свою чергу багато маткматиків віддали данину мазі поезії і навіть писали вірші поеми і романи. Мені хочеться багато писати і вчитися писати зізналась дівчина і ось через якісь цифри я не потраплю до університету.
60141. «Свіча запалена від серця» (загальношкільний виховний захід) 341.5 KB
  Слайд№ 1 Вчитель: Красиво і світло в нашій світлиці Квіти на вікнах стоять весняні. Гладить його по голові Слайд №2 Вчитель: Щовесни коли тануть сніги І на рясті просяє веселка Повні сил і живої снаги Ми вшановуєм пам’ять Шевченка.
60142. Ми тебе не забули, Тарасе! 476.5 KB
  Ведуча 1. 9 березня 1814 року народився Тарас Григорович Шевченко – великий поет України. Тарасе, наш Кобзарю, всюди Приходиш нині ти як свій Тебе вітають щиро люди На всій Україні моїй. Тарас вкраїнської землі Був найвірнішим сином.
60143. Классный час по профориентации: «Наш выбор» 156 KB
  Цели - расширить представления учащихся об различных профессиях; формировать позитивную оценку таких нравственных качеств, как целеустремленность, трудолюбие, скромность...
60144. Подорож до Карликанії 132.5 KB
  Мета. Узагальнити та систематизувати знання, вміння і навички учнів із теми «Подільність чисел»; показати на прикладах за допомогою ігрових моментів; практичну спрямованість математичних знань; удосконалювати навички виразного читання...
60145. Позакласний захід: «Формула кохання» 69.5 KB
  Ломоносов Більш ніж про кохання в світовій літературі тільки про смерть написано. Про емоції розкажуть виступи учнів про вплив речовин: адреналін норадреналін вазопресин серотонін З коханням складніше. На думку дослідників кохання -це хімічний процес...
60146. День Чорного моря - свято зі сльозами на очах 114 KB
  Обладнання: екологічний пакет Чорноморська скринька презентація Чорне море проектор комп’ютер виставка Відпочинок на Чорному морі відеокліпи про море. Хід виховного заходу Учень читає вірш на фоні морського шуму Безмолвное море лазурное море...