Регулярные функции. Дифференцируемые функции. Условия Коши — Римана. Геометрический смысл производной, страница 3

Теорема 2. Для диффервнцируемости функции f (z) = и + + iv в области D необходимо и достаточно, чтобы функции и(х, у) и v(x, у) были сопряженными гармоническими в этой области.

Зная одну из функций и(х, у}, v{x, у), можно в односвязной области найти другую функцию.

Теорема 3. Для всякой функции и{х, у), гармонической в односвязной области D, можно найти сопряженную с ней гармо­ническую функцию, которая определяется с точностью до про­извольного постоянного слагаемого.

Доказательство. Так как и(х, у)—гармоническая в од­носвязной области D функция, то

д !   ди \ _ д ! ди\ ~ду~[~~ду')~~дх'[дх J'

ди , , ди 1 и следовательно, выражение—-д— их +-»—ау является полным

дифференциалом некоторой однозначной функции v(x, у), опре­деляемой с точностью до произвольного постоянного слагаемого С формулой (§ 6, п. 2)

(ж,у)

v(x,y)= J -^-dx+^rdy+C.          (22) . (Vo)

Здесь (ху, г/о)е0 и (ж, y}^D (интеграл не зависит от кривой, соединяющей точки (а-о, г/о) и (х, у), а зависит лишь от точки (ж, у), если точка (а:о, г/о) фиксирована). Из (22) имеем

ди        ди    9v _ ди ~д^ ~    ~ду''  ~ду ~ "a^'1

откуда следует, что и(х, у}—гармоническая в области D функ­ция, сопряженная с и (х, у).

Из теорем 2 и 3 следует, что если задана гармоническая функция и(х, у} в односвязной области D, то можно найти, с точностью до постоянного слагаемого, дифференцируемую в


§ 7. УСЛОВИЯ КОШИ—РИМАНА                      63

области D функцию f(z)=u+iv, т. е. восстановить дифферен­цируемую функцию по заданной ее действительной (или мни­мой) части. Если область D многосвязна, то функция v, опреде­ляемая интегралом (22), а также функция f(z)==u+iu могут оказаться неоднозначными.

Отметим, что при нахождении функции v (х, у) по заданной. функции и(х, у} (или наоборот) часто бывает более удобным вместо формулы (22) непосредственно использовать условия Ко­ши -^ Римана (см. пример 5).

Пример 5. Найдем дифференцируемую функцию /(z), если

Re/(z)=u(a", y}=ys-3xгy.

Функция и = у3 За;3;/ является гармонической во всей комп­лексной плоскости. Имеем

ди    ди      „

-ду-^^-г^-6^'

откуда

v=-3xy^+g(x).                 (23) Из (23) находим

^=-3y^+g'(x).                   (24) С другой стороны, в силу (8) получаем

-ё--!—-3^3"2-      (25)

Сравнивая (24) и (25), находим g' (х) = За;2, откуда g(x)'=xз+ + С, где С — действительная постоянная, и из (23) получаем v = —Зжу2 + х3 + С. Искомая функция

/ (z) = и + iv = у3 - ^у + i {х3 - Зху2) + iC = i (z3 + С)

дифференцируема во всей комплексной плоскости. Q

4. Понятие регулярной функции. Введем одно из основных понятий теории функций комплексного переменного — понятие регулярной функции.

Определение 1. Пусть функция f(z) определена в окре­стности точки z== а (а^оо) и разлагается в ряд

/(z)= I c„(z-a)»,                    (26)

п==о

сходящийся в некоторой окрестности точки z = а (т. е. в круге |z—al<p, p>0). Тогда функция /(z) называется регулярной в точке z = а.

Функция /(z) называется регулярной в области D, если она регулярна в каждой точке области D.


64                     ГЛ. II. РЕГУЛЯРНЫЕ ФУНКЦИИ

Теорема 4. Если функция f(z) регулярна в точке z=a, то она дифференцируема в этой точке.

Доказательство. По условию, степенной ряд (26) схо­дится в некоторой окрестности точки а, откуда следует, что /(а)=Со. Рассмотрим отношение

-"й^^»^-)-.    ст

п=1

Так как ряд (27) равномерно сходится в круге |z—a|sSpi<p, то его сумма непрерывна в этом круге и в правой части (27) можно почленно перейти к пределу при z -> а (более подробно теория степенных рядов будет изложена в § 11), и этот предел равен d. Поэтому существует предел и левой части (27) при z ->- а, т. е. существует // (а) = c^.

Замечание 1. В дальнейшем (§ 12) будет показано, что функция, дифференцируемая в области, регулярна в этой области.

00

Пример 6. Функция -,—— = ^, г" регулярна в точке z = О

iZ    ^и" п=0