Вычет (комплексный анализ)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В комплексном анализе вы́четом заданного объекта (функции, формы) называется объект (число, форма или когомологический класс формы), характеризующий локальные свойства заданного.

Содержание

1 История
2 Одномерный комплексный анализ
- 2.1 Определение
- 2.2 Способы вычисления вычетов
3 Приложения теории вычетов
4 Многомерный комплексный анализ
5 Литература

[править] История

Теория вычетов одного комплексного переменного была в основном разработана О. Коши в 1825—1829 гг. Кроме него, важные и интересные результаты были получены Ш. Эрмитом, Ю. Сохоцким, Э. Линделёфом и многими другими.

В статье ^[1] 1887 года А. Пуанкаре обобщил интегральную теорему Коши и понятие вычета на случай двух переменных, с этого момента и берёт своё начало многомерная теория вычетов. Однако оказалось, что обобщить это понятие можно различными способами.

[править] Одномерный комплексный анализ

[править] Определение

Пусть $f (z)$ — комплекснозначная функция в области $D\subseteq\mathbb C$ , голоморфная в некоторой проколотой окрестности точки $a\in D$ . Вычетом функции $f (z)$ в $a$ называется число

$\mathop{\mathrm{Res}}_a\,f(z)=\lim_{\rho\to0}{1\over{2\pi i}}\int\limits_{|z-a|=\rho}f(z)\,dz$ .

В силу голоморфности функции $f (z)$ в малой проколотой окрестности точки $a$ по теореме Коши величина интеграла не зависит от $ρ$ при достаточно малых значениях этого параметра, так же как и от формы пути интегрирования. Важно только то, что путь является замкнутой кривой в области аналитичности функции, один раз охватывающей рассматриваемую точку и больше никакую другую.

В некоторой окрестности точки $a$ функция $f (z)$ представляется сходящимся рядом Лорана по степеням $z - a$ . Нетрудно показать, что вычет совпадает с коэффициентом ряда $c - 1$ при $(z - a) - 1$ . Часто это представление принимают за определение вычета функции.

[править] Вычет в «бесконечности»

Для возможности более полного изучения свойств функции вводится понятие вычета в бесконечности, при этом она рассматривается как функция на сфере Римана. Пусть бесконечно удалённая точка является изолированной особой точкой $f (z)$ , тогда вычетом в бесконечности называется комплексное число, равное

$\mathop{\mathrm{Res}}_\infty\,f(z)=-\lim_{\rho\to\infty}{1\over{2\pi i}}\int\limits_{|z-a|=\rho}f(z)\,dz$ .

Цикл интегрирования в этом определении ориентирован положительно, то есть против часовой стрелки.

Аналогично предыдущему случаю вычет в бесконечности имеет представление и в виде коэффициента лорановского разложения в окрестности бесконечно удалённой точки:

$\mathop{\mathrm{Res}}_\infty\,f(z)=-c_{-1}$ .

[править] Вычет дифференциальной формы

С точки зрения анализа на многообразиях вводить специальное определение для некоторой выделенной точки сферы Римана (в данном случае, бесконечно удалённой) неестественно. Более того, такой подход затруднительно обобщить на более высокие размерности. Поэтому понятие вычета вводится не для функций, а для дифференциальных $(1,\;0)$ -форм на сфере Римана:

$\mathop{\mathrm{Res}}_a\,\omega=\lim_{\rho\to0}{1\over{2\pi i}}\int\limits_{|z-a|=\rho}\omega$ .

На первый взгляд разницы в определениях никакой, однако теперь $a$ — произвольная точка $\overline{\mathbb C}$ , и смена знака при вычислении вычета в бесконечности достигается за счёт замены переменных в интеграле.

[править] Логарифмические вычеты

Интеграл ${1\over{2\pi i}}\oint\limits_L{f^\prime(z)\over f(z)}\,dz$ называется логарифмическим вычетом функции $f (z)$ относительно контура $L$ .

Понятие логарифмического вычета используется для доказательсва теоремы Руше и основной теоремы алгебры

[править] Способы вычисления вычетов

Согласно определению вычет может быть вычислен как контурный интеграл, однако в общем случае это довольно трудоёмко. Поэтому на практике пользуются, в основном, следствиями из определения:

В устранимой особой точке $a\in \mathbb C$ , так же как и в точке регулярности, вычет функции $f (z)$ равен нулю. В то же время для бесконечно удалённой точки это утверждение не верно. Например, функция $f(z)=\frac{1}{z}$ имеет в бесконечности нуль первого порядка, однако, $\mathop{\mathrm{Res}}_{\infty}\,\frac1{z}=-1$ . Причина этого в том, что форма $\frac{dz}{z}$ имеет особенность как в нуле, так и в бесконечности.

В полюсе $a$ кратности $n$ вычет может быть вычислен по формуле:

$\mathop{\mathrm{Res}}_a\,f(z)={1\over(n-1)!}\lim_{z\to a}{[(z-a)^n f(z)]^{(n-1)}}$ .

Если функция $f(z)=\frac{g(z)}{h(z)}$ имеет простой полюс в точке $a$ , где $g (z)$ и $h (z)$ голоморфные в окрестности $a$ функции, $h (a) = 0$ , $g(a)\neq0$ , то можно использовать более простую формулу:

$\mathop{\mathrm{Res}}_a\,f(z)=\frac{g(a)}{h^\prime(a)}$ .

Очень часто, особенно в случае существенно особых точек, удобно вычислять вычет пользуясь разложением функции в ряд Лорана. Например, $\mathop{\mathrm{Res}}_0\,e^{1/z}=\mathop{\mathrm{Res}}_0\,\left(1+\frac1{z}+\frac1{2!z^2}+\ldots\right)=1$ , так как коэффициент при $z - 1$ равен 1.

[править] Приложения теории вычетов

[править] Основная теорема о вычетах

Пусть функция $f (z)$ голоморфна в замкнутой области, ограниченной контуром $L$ , за исключением конечного числа особых точек $z_1,\;z_2,\;\ldots,\;z_n$ , не лежащих на $L$ . Тогда

$\oint\limits_L f(z)\,dz=2\pi i\sum_{k=1}^n\mathop{\mathrm{Res}}_{z=z_k}f(z)$ .

[править] Вычисления определённых интегралов от тригонометрических функций

Пусть функция $R(u,\;v)$ — рациональная функция переменных $u$ и $v$ . Для вычисления интегралов вида $\int\limits_0^{2\pi}R(\sin\varphi;\;\cos\varphi)\,d\varphi$ удобно использовать формулы Эйлера. Положив, что $z=e^{i\varphi}$ , и произведя соответствующие преобразования, получим:

$\int\limits_0^{2\pi}R(\sin\varphi,\;\cos\varphi)\,d\varphi=2\pi i\sum\mathop{\mathrm{Res}}_{z=z_1}R_1(z)$ .

[править] Вычисление несобственных интегралов

Для вычисления несобственных интегралов с применением теории вычетов используют следующие две леммы:

1. Пусть функция $f (z)$ голоморфна в верхней полуплоскости $I^+=\{z\!:z\geqslant0\}$ за исключением конечного числа особых точек, не лежащих на вещественной оси и $\lim_{z\to\infty}zf(z)=0$ . Тогда

$\int\limits_{-\infty}^{+\infty}f(x)\,dx=2\pi i\sum_{k=1}^n\mathop{\mathrm{Res}}_{z=z_k}f(z)$ .

2. Пусть функция $f (z)$ голоморфна в верхней полуплоскости $I^+=\{z\!:z\geqslant0\}$ за исключением конечного числа особых точек, не лежащих на вещественной оси и $\lim_{z\to\infty}zf(z)=0$ и $α > 0$ . Тогда

$\int\limits_{-\infty}^{+\infty}f(x)e^{i\alpha x}\,dx=2\pi i\sum_{k=1}^n\mathop{\mathrm{Res}}_{z = z_k}f(z)e^{i\alpha x}$

[править] Многомерный комплексный анализ

[править] Форма-вычет и класс-вычет

[править] Локальный вычет

[править] Вычетный поток

[править] Литература

↑ H. Poincaré, «Sur les résidues des intégrales doubles», Acta Math., 9 (1887) pp. 321—380.
Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. Ч. I и II. — М.: «Наука», 1976.
Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — М.: «Наука», 1979.
Айзенберг Л. А., Южаков А. П. Интегральные представления и вычеты в многомерном комплексном анализе. — Новосибирск: «Наука», 1979.
Цих А. К. Многомерные вычеты и их применения. — Новосибирск: «Наука», 1988.

Это незавершённая статья по математике.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

Категории: Незавершённые статьи по математике | Комплексный анализ