Теория функций комплексного переменного. Поле комплексных чисел, страница 13

4. Случай: главная часть ряда Лорана содержит бесконечное число слагаемых.

В этом случае a называется  существенной особой точкой .

Теорема Ю.В. Сохоцкого.   Если a -- существенная особая точка функции f(z), то для любого A∈ ℂ  или A=∞  найдется последовательность z_n→  a такая, что f(z_n)→ A.

Доказательство.  Пусть сначала A=∞ . Согласно теореме п.2  функция f(z) не может быть ограниченной в точке a. Следовательно, требуемая последовательность существует. Пусть теперь A∈ ℂ . Рассмотрим функцию g(z)=1/  f(z)-A  .  Если a устранима или является полюсом для g(z), то такова же она будет и для f(z). Следовательно, a -- существенная особенность функции g(z). Пусть последовательность z_n→  a такова, что g(z_n)→ ∞ . Тогда f(z_n)→ A .

Пример  Точка 0 -- существенная особенность функции e^1/ z  , так как разложение в ряд Лорана для этой функции в области ℂ *  имеет вид 1+1/ z +1/z^22! +1/z^33! +…  Для последовательности z_n=1/n   имеем: lim e^1/z_n   =∞   а для последовательности z̃_n=1 /2πni , также сходящейся к 0, имеем: lim exp 1/ z̃_n =0.

21  Основная теорема о вычетах

Пусть в проколотой окрестности точки a функция f(z) аналитична. Тогда величину

Res[f(z),a]=1/2πi ∮_ |z-a|=ρ  f(z) dz, где ρ  -- достаточно малое положительное число, будем называть  вычетом функции f(z) в точке a . Вычетом функции относительно бесконечно удаленной точки считаем величину

1/2π i ∮_ C^- f(z) dz, где C -- окружность с центром в начале координат такая, что вне круга, определяемого этой окружностью, функция f(z) особенностей не имеет.

Первичные следствия этого определения следующие:

а) вычет не зависит от величины ρ ;

б) вычет совпадает с коэффициентом c_ -1  ряда Лорана функции f(z) в кольце 0<|z-a| <ρ  (см. формулу ( 4loran ));

в)  если f(z) аналитична в точке a или a -- устранимая особенность, то вычет в ней равен 0.

Предложение. Пусть a --  полюс порядка m функции f(z). Тогда

Res[f(z),a]=1/(m-1)! ⋅ lim_ z→ a  d^ m-1 [(z-a)^mf(z)]/  dz^ m-1

Доказательство.  Если a --  полюс порядка m, то f(z)=c_ -m / (z-a)^m +… + c_ -1/ z-a +g(z), где g(z) -- правильная часть, т. е.  аналитическая функция в точке a. Тогда

(z-a)^mf(z)=c_ -m +… +c_ -1 (z-a)^ m-1 +(z-a)^mg(z). Дифференцируя это соотношение m-1 раз, получим:

d^ m-1   dz^ m-1  [(z-a)^mf(z)]=(m-1)!c_ -1 +h(z), где h(a)=0. Переходя к пределу и разделив на (m-1)!, получим требуемую формулу.□

Отметим частный случай, когда a --  простой полюс. Тогда

Res[f(z),a]=lim_ z→a (z-a)f(z).

В частности, если f(z)=g(z)/h(z) , где g(z),h(z) аналитичны в окрестности точки a и g(a)≠ 0, h(a)=0, h'(a)≠ 0, то a --  простой полюс и   Res[f(z),a]=g(a)/  h'(a) .

Доказательство.  Требует доказательства только утверждение " в частности". Из условия следует, что  h(z)=(z-a)⋅  s(z) для некоторой аналитичной функции s(z)  такой, что s(a)≠ 0. Тогда f(z)=1/  z-a ⋅  g(z)/  s(z)  и  g(a) / s(a) ≠ 0. Следовательно, a -- простой полюс. Далее, переходя в следующем соотношении (z-a)f(z)= g(z) /[ (h(z)-h(a))/(z-a)]  к пределу z→  a, получаем формулу Res[f(z),a]= g(a)/  h'(a) .□

Основная теорема о вычетах. Пусть f(z) аналитична в замкнутой области D, кроме точек a_1,a_2,...,a_m, лежащих внутри области D. Тогда

∮_ ∂D f(z) dz=2π i(Res[f(z),a_1]+Res[f(z),a_2]+...+Res[f(z),a_m]).

Доказательство.  Пусть c_1,c_2,… , c_m -- окружности достаточно малых радиусов с центрами в точках a_1,a_2,… ,a_n такие, что круги K_1,… , K_m ими ограничиваемые, целиком лежат внутри области D и не пересекаются.  Тогда f(z) аналитична в области D\(K_1∪ … ∪K_m) и по теореме Коши имеет место равенство:

∮ _ ∂  D-c_1-… -c_m  f(z)  dz=0.

Отсюда следует, что

∮ _ ∂  D  f(z)  dz=∮ _ c_1+… +c_m  f(z)  dz=∮ _ c_1  f(z)  dz+… +∮ _ c_m  f(z)  dz= =2πi [Res[f(z),a_1]+… +2πi Res[f(z),a_m], что и требовалось доказать.

Пример  Вычислим интеграл: