Теория функций комплексного переменного. Поле комплексных чисел, страница 10

В силу непрерывности функции f(z) для любого 𝜺 >0 найдется ρ =ρ (𝜺 )>0 такое, что |f(z)-f(a)| <𝜺  для любых z на окружности  cρ . Отсюда получаем оценку:

Ввиду соотношения ( 1) и равенства òc_ρ  f(a)dz /(z-a) =2πi f(a),  извлекаем неравенство

| òL f(z)dz /(z-a) -2πi f(a)| ≤ 2π 𝜺 .

Переходя здесь к пределу 𝜺 → 0, получаем  интегральную формулу Коши

Интегральную формулу удобно переписать в виде

где ζ  -- переменная, пробегающая границу области D, а z -- любая внутренняя точка области D. Тогда формула Коши (2) выражает следующий факт:  

значения аналитической функции внутри области однозначно определяются  значениями на границе этой области.   

Применим интегральную формулу,  когда L -- окружность радиуса R с центром в точке z=a. Учитывая, что L: z=a+Rei𝜑   (0≤ 𝜑 ≤ 2π ) и dz=Riei𝜑  d𝜑 , получаем

В правой части стоит  среднее интегральное значений функции f(z) на окружности L . Отсюда вытекает  

Принцип максимума:  модуль функции, отличной от постоянной и аналитичной в некоторой области, не может ни в одной внутренней точке этой области принимать максимальное для этой области значение.

Формула для интегрального представления производных высших  порядков функции f(z) получается дифференцированием (2) под знаком интеграла:

17  Ряд Тейлора

Рассмотрим функцию f(z), аналитическую внутри замкнутого круга D с центром  в точке a. Тогда для любой внутренней точки z этого круга имеет место равенство

f(z)= 1/2πi ò_ ∂D f(ζ)dζ /ζ-z .

Преобразуем:

1/ ζ -z =1/[(ζ-a)-(z-a)] =1/(ζ-a)(1-z-a/ζ-a ) =

=1+z-a/ζ -a + (z-a)^2  /(ζ -a)^2 +...+ (z-a)^n / (ζ -a)^n +...

Почленное интегрирование дает  ряд Тейлора функции f(z) :

f(z)=c_0+c_1(z-a)+c_2(z-a)^2+… +c_n(z-a)^n+… ,      (tylor)

где

c_n= 1/2πi ò_D f(ζ)dζ /(ζ-a)^n+1  = f^ (n) (a)/  n! .

Из приведенных выше преобразований следует, что  радиус сходимости ряда Тейлора равен расстоянию от a до ближайшей особой точки, т.е. точки, в которой нарушается аналитичность функции f(z) .

Теорема. Пусть |f(z)| ≤  M на окружности |z-a| =ρ. Тогда

|c_n| ≤  M/  ρ ^n .      (оценка)

Доказательство.  Действительно,

|c_n| =|1/2πi ò_ |ζ –a =ρ  f(ζ) dζ /  (ζ -a)^ n+1|   ≤ 1 / 2π  ⋅  M / ρ ^ n+1  ⋅  2π ρ = M/ρ ^n .

Теорема Лиувилля.  Аналитическая и ограниченная на всей комплексной плоскости функция может быть только константной.

Доказательство.  Пусть функция f(z) аналитична и |f(z)| ≤  M на всей комплексной плоскости. Пусть

∑ _ n=0 ^ +∞   c_nz^n -- ряд Тейлора функции f(z) с центром в нуле. Пользуясь оценкой (оценка) и устремляя ρ → +∞ , получаем равенство c_n=0 при любом n≥ 1. Следовательно, f(z)=c_0 -- константа.□

Как следствие этого результата получаем   основную теорему алгебры комплексных чисел

Теорема. Любой многочлен, не равный константе,  имеет хотя бы один комплексный корень.

Доказательство.  Пусть P(z) -- многочлен, не имеющий ни одного корня. Тогда функция f(z)=1 / P(z)  аналитична на всей комплексной плоскости и ограничена в силу того, чтo lim_z→∞ 1/ P(z) =0 для любого многочлена P(z) степени ≥ 1. Следовательно, по теореме Лиувилля получаем, что функция f(z) -- константа. Значит и многочлен P(z) константный. □

Определение. Точка a --  ноль кратности n функции f(z), аналитической в окрестности точки a, если выполнено одно из следующих эквивалентных условий:

1) c_0=...=c_ n-1 =0 и c_n≠ 0 (здесь c_j -- коэффициенты ряда Тейлора функции f(z) в точке a);

2) f(a)=f'(a)=...=f^ (n-1) (a)=0, но f^ (n) (a)≠ 0;

3) f(z)=(z-a)^ng(z), где g(z) аналитична в точке a, и g(a)≠ 0.

Из разложения функции f(z) в точке a в ряд Тейлора (tylor)  и из формулы ( eq:tylor2 ) сразу следует эквивалентность приведенных выше условий. □

18  Теорема единственности и аналитическое  продолжение