22356

Приложение теории вычетов

Лекция

Математика и математический анализ

Напомним что мероморфной называется функция fz все конечные особые точки которой являются полюсами. в любой ограниченной области такая функция может иметь лишь конечное число полюсов то все ее полюсы можно пронумеровать например в порядке не убывания модулей: Будем обозначать главную часть fz в точке т. Если мероморфная функция fz имеет лишь конечное число полюсов и кроме того является либо правильной регулярной ее точкой либо полюсом то эта функция представляется в виде суммы своих главных частей 3 и...

Русский

2013-08-04

797 KB

24 чел.

Приложение теории вычетов.

Разложение мероморфных функций на простейшие дроби.

Напомним, что мероморфной называется функция f(z), все конечные особые точки которой являются полюсами. Т.к. в любой ограниченной области такая функция может иметь лишь конечное* число полюсов, то все ее полюсы можно пронумеровать, например, в порядке не убывания модулей:  

Будем обозначать  главную часть f(z) в точке , т.е.

                                                                                            (1)

и через

                                                       -                                             (2)

ее главную часть в бесконечно удаленной точке (если последняя также является полюсом).

Функции  называются простейшими дробями, а g(z) – целой частью f(z).

Теорема 1. Если мероморфная функция f(z) имеет лишь конечное число полюсов  и, кроме того,  является либо правильной (регулярной) ее точкой, либо полюсом, то эта функция представляется в виде суммы своих главных частей

         (3)

и, следовательно, дробно рациональна.

(Функция g(z) входит в (3) лишь в том случае, если  является полюсом).

Доказательство. Для доказательства рассмотрим разность

.

Функция  регулярна в любой точке , ибо из разложения Лорана f(z) в окрестности  главная часть устранена вычитанием , а остальные члены  аналитичны в этой точке. То же рассуждение относится к точке , а в точках  все члены  регулярны.

Итак, функция  регулярна в замкнутой плоскости z и по теореме Лиувилля является постоянной.

Формула (3) доказана, а из нее вытекает после приведения всех дробей к общему знаменателю, что f(z) является отношением двух многочленов, т.е. является дробно рациональной функцией. Ч.т.д.

Такого рода разложение можно построить и для произвольной мероморфной функции. Однако в общем случае имеется бесконечно много главных частей, а конечная сумма в (3) заменяется рядом и возникает вопрос о сходимости этого ряда. Вообще говоря, ряд (3) оказывается расходящимся, и для обеспечения сходимости к главным частям приходится добавлять некоторые выражения.

Будем понимать под правильной системой контуров совокупность замкнутых кривых, удовлетворяющих следующим условиям: 1)  содержит внутри себя точку z = 0, каждый контур  находится внутри области, ограниченной контуром ; 2) кратчайшее расстояние  от точек  до начала координат неограниченно возрастает с ростом n; 3) отношение длины  кривой  к  остается ограниченным:

                                                                                      (4)

Имеет место

Теорема 2 (Коши). Пусть все полюсы  мероморфной функции f(z), регулярной в точке , являются простыми и занумерованы в порядке неубывания их модулей: . Если функция f(z) ограничена на некоторой правильной системе контуров  , т.е.

                                 ,                                          (5)

то

                             ,                                       (6)

где . Ряд (6) сходится равномерно в каждой ограниченной области с выколотыми в ней полюсами функции f(z).

Доказательство. Рассмотрим интеграл* 

,       (7)

где  ( - область внутри ) и . Обозначим . В области  функция  имеет простые полюсы ; точка  является либо простым полюсом, либо точкой регулярности (если f(0)=0) для функции .

По теореме о вычетах

.      (8)

Далее, имеем**

                                             ,                                              (9)

                                            ,                                      (10)

                     ;                            (11)

Подставляя (9) - (11) в (8), получим

,

откуда в силу равенства  находим

                                      (12)

Оценим . Пусть D – ограниченная область. Тогда существует круг  такой, что . Имеем

.

Здесь , ( - кратчайшее расстояние от начала координат до контура ), . Поэтому

,

т.к.  в силу (4). Из этой оценки и условия  при  вытекает, что  при  равномерно по .Переходя в равенстве (12) к пределу при , получаем

                          .                              (13)

Формулу (13) можно записать в виде (6) считая, что суммирование в (6) производится в следующем порядке: сначала берутся слагаемые, которые относятся к полюсам лежащим внутри , затем к этим слагаемым последовательно добавляются группы слагаемых, относящиеся к полюсам, лежащим между  и , между  и  и т.д. Теорема доказана.

Замечание 1. Если ряд в (6) сходится абсолютно, то порядок суммирования безразличен.

Замечание 2. Теорему 2 можно обобщить, заменив неравенство (5) следующим

                              ,                                        (14)

где  - целое (при сохранении остальных условий теоремы 2).В этом случае имеет место следующая формула

        .                        (15)

Для доказательства формулы (15) достаточно применить теорему о вычетах к интегралу

.

Разложение функции  на элементарные дроби.

Рассмотрим функцию . Эта функция является мероморфной, имеет простые полюсы в точках , не имеет других конечных особых точек и . Покажем, что функция f(z) ограничена на правильной системе контуров , где  - квадрат  (см. рис.) с центром в точке , стороны которого параллельны координатным осям, а их длины равны

                                                             

                                                                 

                                                                        

 

Пусть , тогда , где , и, следовательно, , откуда получаем

                                                                      (16)

Пусть теперь , тогда , где

,

откуда находим

                            .                                 (17)

Так как , то неравенства (16) и (17) имеют место соответственно и на сторонах  и  квадрата , т.е. на контуре .

Итак,

Отсюда следует, что функция  также ограничена на системе контуров . Далее , так как функция , регулярная в точке , нечетна. Итак, в формуле (6),  и, следовательно,

                                     ,                                       (18)

где штрих означает, что .

Заметим, что между контурами  и  лежат ровно два полюса функции , а именно  и . Объединяя в сумме (18) слагаемые, соответствующие этим полюсам, получаем

.

Таким образом, справедлива формула

                                      .                                            (19)

Заменяя в (18) и (19) z на , получим

                 .                         (20)

Заменяя в (19) z на  и сокращая на

                                               .                                 (21)

Отсюда следует

                   .                     (22)

Из формулы  и из (19) получаем

   .              (23)

Аналогично, из формулы , выводим

      .        (24)

Так как , то, дифференцируя равномерно сходящийся ряд (18), получаем

                       .                        (25)

Разложение целых функций в бесконечные произведения.

Известно, что всякий многочлен n-ой степени  можно представить в виде произведения

                  ,                        (1)

где  - корни этого многочлена (среди них могут быть и кратные).

Формулу (1) можно обобщить (при некоторых условиях) на целые функции. Действительно, пусть, например, целая функция  отлична от нуля во всей комплексной плоскости, тогда функция , где взята одна из регулярных ветвей логарифма, также является целой, причем

                                                       .                                                    (2)

Если теперь целая функция  имеет лишь конечное число нулей   - кратность нуля , то функция , где , нигде не обращается в нуль и, следовательно, представима в виде (2), откуда получаем формулу:

              ,                    (3)

где  - некоторая целая функция, причем.

В случае, когда  имеет счетное число нулей в формуле, обобщающей (3), появится бесконечное произведение.

Определение 1. Бесконечное произведение

                                                                                                          (4)

называется сходящимся, если все его множители отличны от нуля и существует конечный и отличный от нуля предел A последовательности:

.

Отметим, что необходимым и достаточным условием* сходимости бесконечного произведения (4) является сходимость рядов

                                             ,                                    (5)

где . .

Определение 2. Бесконечное произведение (4) называется абсолютно сходящимся, если ряды (5) сходятся абсолютно.

Можно показать**, что абсолютная сходимость бесконечного произведения (4) равносильна сходимости ряда .

Понятие сходимости бесконечного произведения обобщается на случай, когда его множители – функции комплексной переменной. Рассмотрим бесконечное произведение

                                                       ,                                              (6)

где  - функции, регулярные в области D.

Определение 3. Бесконечное произведение (6) называется сходящимся в области D, (если его множители за исключением, быть может, конечного их числа, не обращаются в нуль в этой области и если произведение отличных от нуля множителей сходится в каждой точке области D.

Определение 4. Бесконечное произведение (6) (множители которого отличны от нуля в области D) называется равномерно сходящимся в этой области, если последовательность функций  равномерно сходится в области D.

Если бесконечное произведение (6) равномерно сходится в области D, то

функция  регулярна в области D в силу теоремы Вейерштрасса.

Из теоремы 2 о разложении мероморфной функции на элементарные дроби можно получить следующую теорему о представлении целой функции в виде бесконечного произведения*.

Теорема 3. Если целая функция f(z) такова, что мероморфная функция  удовлетворяет условиям теоремы 2, то

               ,                          (7)

где - кратность нуля  функции f(z).

Бесконечное произведение (7) равномерно сходится в каждой ограниченной части плоскости.

Доказательство. Функция  имеет простые полюсы в точках , где - нули функции , и не имеет других полюсов. Тогда , где - кратность нуля  функции . По теореме 2 имеем:

                                  .                                      (8)

Т.к. , где для логарифма выбрана аналитическая ветвь, то интегрируя ряд (8) по некоторой кривой, соединяющей точки 0 и z и не проходящей через нули функции , получим

                    .                              (9)

Потенцируя (9), находим , где , и формула (7) доказана.

Замечание 3. В условиях, указанных в замечании 2, формула (7) заменяется следующей

,

где ,  - многочлен степени не выше p.

Разложение синуса в бесконечное произведение.

Рассмотрим целую функцию . Эта функция имеет простые нули в точках . Далее, функция  удовлетворяет условиям теоремы 3 и, следовательно, можно применить формулу (7). Т.к. , то  и по формуле (7) имеем:

                            .                                      (10)

В этой формуле сгруппированы множители, относящиеся к нулям  и   синуса. Преобразуя выражение в квадратных скобках, окончательно получим:

                                               .                                         (11)

Пример.

Целая функция :

.

Т.к. , то с использованием (11) получим

.

* Во всей плоскости полюсов может быть бесконечно много.

* )      

** В простом полюсе ;

* Из определения следует, что необходимым условием является , т.е. . Т.к. произведение  сходится, то существует . В соответствии с критерием Коши ;

** Т.к. , то, учитывая, что , имеем . Т.е. для любого положительного  существует такое N, зависящее от , что выполняются неравенства , ибо ряд для знакопеременный.

* Для простоты покажем, что . Если же  является нулем кратности m для , то нужно рассмотреть функцию ;

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33987. Острый тромбофлебит глубоких вен нижних конечностей. Клиника, диагностика, лечение. Последствия 36 KB
  Острый тромбофлебит глубоких вен нижних конечностей. Тромбоз глубоких вен нижних конечностей формирование одного или нескольких тромбов в пределах глубоких вен нижних конечностей или таза сопровождаемое воспалением сосудистой стенки. Может осложняться нарушением венозного оттока и трофическими расстройствами нижних конечностей флегмоной бедра или голени а также ТЭЛА Флеботромбоз первичный тромбоз вен нижних конечностей характеризующийся непрочной фиксацией тромба к стенке вены Тромбофлебит вторичный тромбоз обусловленный...
33988. Осложнения острого тромбофлебита. Тромбоэмболия легочной артерии. Реанимация и способы хирургического вмешательства при тромбоэмболии легочной артерии 33 KB
  Тромбоэмболия легочной артерии. Реанимация и способы хирургического вмешательства при тромбоэмболии легочной артерии. Состояние трудно дифференцировать от острых нарушений артериального кровообращения при эмболии артерии явления артериальной непроходимости наступают сразу а при тромбофлебите к концу первых суток Синяя болевая флегмазия вторична по отношению к белой флегмазии: почти весь отток крови от конечности перекрыт в результате окклюзии бедренной и подвздошных вен. Тромбоэмболия лёгочной артерии Тромбоэмболия лёгочной артерии...
33989. Посттромбофлебитический синдром 25.5 KB
  Патогенез: образование тромба не подвергающегося лизису изменение вен превращающихся в ригидную склерозированную трубку с разрушенными клапанами тяжелые гемодинамические нарушения повышение давления в системе комуникантных вен при ходьбе кровь по глубоким венам вверх и в п к вены извращенный рефлюкс крови локальная венозная гипертензия повышение давления в венозных отделах растрытие артериовенулярных анастомозов ишемические изменения преемущественно в н 3 голени над медиальной лодыжкой образование трофических язв....
33990. Тромбоз магистральных сосудов нижних конечностей 45.5 KB
  Начало заболевания характеризуется болями в пораженной конечности которые при эмболиях возникают внезапно и становятся невыносимыми. К болям присоединяется чувство онемения похолодания и резкой слабости в конечности. Кожные покровы пораженной конечности приобретают мертвеннобледную окраску которая в дальнейшем сменяется характерной мраморностью. Кожная температура значительно снижена особенно в дистальных отделах конечности.
33991. Антикоагулянты. Применение 23 KB
  Антикоагулянтный эффект гепарина наступает сразу же после внутривенного и через 10 15 мин после внутримышечного введения и продолжается в течение 4 5 ч. Суточная доза гепарина составляет 30 000 50 000 ЕД. При передозировке гепарина может возникнуть геморрагический синдром который устраняют путем введения 1 раствора протамина сульфата 1 мг которого нейтрализует эффект 100 ЕД гепарина. При этом суточную дозу гепарина постепенно снижают в l' 2 2 раза за счет уменьшения его разовой дозы.
33992. Облитерирующий эндартериит 26.5 KB
  Облитерирующий эндартериит Облитерирующий эндартериит заболевание сосудов нейрогуморального генеза начинается с поражения переферического русла главным образом артерий и приводит к облитерации их просвета. Длительно существующий спазм артерий и сопровождающих их vs vsorum ведет к хронической ишемии сосудистой стенки вследствие чего наступают гиперплазия интимы фиброз адвентиции и дегенеративные изменения собственного нервного аппарата сосудистой стенки. На артериограмме окклюзия артерий голени. На артериограмме оклюзия 23...
33993. Атеросклероз артерий 24 KB
  Физикальное обследование Ослабление пульса на периферических артериях побледнение при поднимании пораженной конечности. Анамнез: внезапная боль или чувство онемения в конечности при отсутствии хромоты в прошлом. Физикальное обследование: отсутствие пульса бледность и снижение температуры конечности дистальнее места окклюзии. Лечение: содержать конечности в тепле внутрь блокаторы кальциевых каналов нифедипин 1040 мг внутрь 34 раза в день.
33994. Лапароскопическая хирургия 24.5 KB
  Следуя интересам пациентов сведение до минимума травматичности операции и под давлением различных социальноэкономических факторов необходимость уменьшать длительность пребывания пациентов в стационаре и быстрее возвращать их к нормальной жизни и работе достижения в современной хирургии и современных технологиях дали рождение новой эре в хирургии эре малоинвазивной хирургии. Противопоказания: Критерии отбора пациентов для лапароскопических операций изменились за последние 56 лет. Основой для безопасного отбора пациентов является...
33995. АБСЦЕСС АППЕНДИКУЛЯРНЫЙ 25 KB
  Частота 1419 случаев аппендикулярного инфильтрата. Этиология и патогенез Исход аппендикулярного инфильтрата при неблагоприятном течении Аппендикулярный инфильтрат ограничивается большим сальником и прилегающими петлями кишечника При благоприятном течении аппендикулярный инфильтрат рассасывается в сроки от 2 до 4 нед При неблагоприятном стечении обстоятельств позднее поступление в стационар устойчивость микрофлоры к антибиотикам и т. происходит абсцедирование инфильтрата. При наличии признаков острого аппендицита в течение 23...