Материал: Задачи и упражнения для организации самостоятельной работы по дисциплинам «Математика», «Спецглавы математики». Катрахова А.А., Васильев Е.М

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1 n 1 2n 1

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zn

. Отсюда следует:а) в круге

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

n

 

 

 

 

 

 

z

 

1

f z

1

 

 

zn .

Это ряд Тейлора;б) в кольце

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0 3

 

 

2

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1 n zn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

z

 

2

f z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Ряд Лорана содержит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

3

zn

 

n 0

3 2n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

как положительные, так и отрицательные степени z ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 n 1 2n 1 1

 

в) в кольце

 

z

2

f z

. Ряд Лорана содер-

 

 

3zn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

жит только отрицательные степени z .

Пример 3. Определить характер особой точки z0 0 для функ-

ций: а) f z

 

 

 

1

 

 

, б) f z

cos

1

, в)

f z

 

1 e z

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. а)

 

sin z z

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

Используя

разложение

 

 

в

ряд

Тейлора

sin z z

z3

 

z

5

 

, получим, что функция,

стоящая в зна-

3!

 

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

менателе дроби, имеет в точке

нуль третьего порядка.

Отсюда следует,

что функция

f z

 

1

 

 

имеет в точке

sin z z

z0 0 полюс третьего порядка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

1

 

б) Разложим

 

cos

1

 

в ряд

Лорана:

cos

1

 

 

 

z

 

 

2!z2

4!z4

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

1 n

 

 

 

 

 

 

 

. Отсюда видно, что главная часть ряда

2n !z2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

121

Лорана содержит бесконечно много членов. Поэтому для функ-

ции cos 1 точка z0 0 является существенно особой. z

в) Используя разложение в ряд Тейлора для функции e z в ок-

рестности

точки

z0 0,

получим

f z

1

1 e z

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

z2

 

z3

 

z

z2

z3

.

Лорановское

 

 

1 1 z

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

4!

 

z

 

2!

3!

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разложение функции в окрестности точки z0 0 не содержит

главной части, поэтому эта точка является устранимой особой точкой.

Задачи и упражнения для самостоятельного решения

1)Используя разложение основных элементарных функций, разложить в ряд по степеням z и указать области сходимости полученных рядов:

а) e z

2

 

 

sin2 z

 

 

 

 

 

z3e1 z

 

 

 

 

1 cosz

; б)

 

 

 

 

; в)

 

; г)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

z

 

 

 

 

 

z4

2) Доказать, что справедливы формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

z a

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

при

 

z a

 

 

 

b a

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b z

b a n 1

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

b

a

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

при

 

z a

 

 

 

b a

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

b z

z a n 1

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где a и b - заданные комплексные числа.

Указание: использовать при доказательстве разложение

функции 1 в ряд (геометрическую прогрессию). b z

3)Разложить в ряд Лорана следующие функции в указанных областях:

122

 

а)

f z

1

 

в кольце

 

 

0

 

z

 

1

 

и в кольце 1

 

z

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

f z

 

2z 3

в кольцах 0

 

z 1

 

1 и

0

 

z 2

 

1;

 

 

 

 

 

 

z2 3z 2

 

f z

 

1

 

0

 

z i

 

2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

в кольце

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

f z

 

1

 

 

в кольцах 2

 

z

 

3 и

3

 

z

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2 z 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

Найти особые точки функции и определить их тип:

 

 

 

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) f z

 

 

 

; б) f

z

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 cosz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

f z z2 cos

 

;г) f

z

1 cosz

;

д) f z

z3 1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

Форма отчетности: устный опрос,типовой расчет, коллоквиум.

ЗАНЯТИЕ № 36-37

ВЫЧЕТЫ И ИХ ВЫЧИСЛЕНИЕ. ОСНОВНАЯ ТЕОРЕМА О ВЫЧЕТАХ. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧЕТОВ К ВЫЧИСЛЕНИЮ ИНТЕГРАЛОВ

Литература:[21], с. 132-137; [23], с. 70-81; [12], с. 172-179; [34], c. 66-75.

Контрольные вопросы и задания

1) Что называется вычетом функции f z относительно осо-

бой точки?

2) Чему равен вычет в устранимой особой точке и почему?

123

3)Как вычисляется вычет в простом и кратном полюсах?

4)Как находится вычет в существенно особой точке?

5)Сформулируйте основную теорему о вычетах. Как применяется теория вычетов к вычислению интегралов по замкнутым контурам?

6)Сформулируйте лемму Жордана. Как применяются вычеты при вычислении несобственных интегралов?

Примеры решения задач Пример 1. Найт и вычеты функции в ее особых точках.

z

f z z 1 z 2 2

Решение. Функция имеет две особые точки: z1 1 - простой полюс и z2 2 - полюс кратности 2. В случае простого полюса

вычет

 

вычисляется

 

 

 

по

формуле

 

Res f

z , z

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim f z z z

.

Для

z 1

получаем

Res f

z ,1

z z

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

z

 

 

 

1.

В случае полюса кратности

n 1

вычет вы-

 

 

 

 

 

z 1 z 2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

числяется

 

 

 

 

по

 

 

 

формуле

 

 

 

Res f z , z

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

n 1 !

lim

dn 1

f

z z z

0

n

.

Для

 

z

2

2

и

n 2

получаем

 

 

 

z z0 dzn 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Res f z ,

2 lim

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример

2. Вычислить

вычет

f z e1 z

в точке z0 0

.Решение. Для функции e1 z

точка z0 0 является существенно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e1 z

 

1

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

особой,

так

как

 

1

 

 

 

 

 

 

.

 

 

Поэтому

 

z

2!z2

3!z3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

124

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Res f z , 0 c

1

1,

где c

 

-

коэффициент ряда Лорана при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

Пример 3. Вычислить интеграл

 

 

 

.

 

 

 

 

e

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2i

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Подынтегральная функция

f z

 

1

имеет внут-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ez 1

 

ри круга

 

 

2

одну особую точку z0 i

- полюс первого

 

 

порядка (рис.25). Воспользуемся формулой

 

 

 

 

 

 

f1 z

 

 

f1 z0 .

 

 

 

Получим

 

 

 

 

Res f

z , i

Res

 

 

 

, z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f2 z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f2 z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

1.

Далее воспользуемся основной теоре-

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

z i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мой о вычетах.

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Откуда получим

 

 

 

 

 

2 iRes f

z , i 2 i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

ez 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

|

 

z

 

-

2

 

i

 

|

z0=i

=

2

 

2

 

x

Рис. 25

Пример 4. Вычислить интеграл

 

 

|

 

 

 

 

 

z

 

 

 

|

 

 

 

 

=

 

 

 

 

2

 

 

 

 

z0=1 2

x

 

 

Рис. 26

 

 

2z 1 cos

z

 

dz .

z 1

z

2

 

 

 

 

 

 

125

Источник: https://studfile.net/preview/16565425/