Связь аналитических и гармонических функций.
Рассмотрим аналитическую функцию f(z) = u(x,y) + i v(x,y). Тогда
Следовательно, u(x,y) и v(x,y) удовлетворяют одному и тому же дифференциальному уравнению с частными производными.
Функции, удовлетворяющие уравнению Лапласа, называются гармоническими.
Но функции u(x,y) и v(x,y) удовлетворяют еще условиям Коши – Римана.
Две гармонические функции, удовлетворяющие условиям Коши – Римана,называются сопряженными гармоническими функциями.
Действительная и мнимая части аналитической функции являются сопряженными гармоническими функциями.
Для любой заданной гармонической функции можно построить сопряженную гармоническую функцию. Пусть u(x,y) – гармоническая функция. Тогда
Получилась задача о построении функции по полному дифференциалу.
П р и м е р .Дана мнимая часть v(x,y) = x2 – y2 + 2x аналитической функции f(z). Найти эту функцию.
Проверим, удовлетворяет ли функция v(x,y) уравнению Лапласа.
Геометрический смысл производной.
Пусть функция f(z) – аналитическая в области (D). Рассмотрим на плоскости (Z) кривую (l) и на ней точку z0. Она отобразится на плоскости (W) в кривую (L) и точку
W0 = f(z0 ). Пусть f′(z0) ≠ 0. Пусть далее z = z0 + ∆z, w = w0 + ∆w.
Тогда
Следовательно, |f′(z0)| - коэффициент растяжения в точке z0 при отображении w = f(z).
В силу аналитичности функции f(z) пределы (1) и (2) не зависят от способа приближения точки z к точке z0, т.е. от выбора кривой (l). Это означает, что предел (2) один и тот же во всех направлениях выходящих из z0.
arg f′(z0) = .
Отсюда, ψ = arg f′(z0) + φ.
Таким образом, arg f′(z0) – угол, на который надо повернуть касательную к кривой (l) в точке z0, чтобы получить направление касательной к кривой (L) в точке w0. В силу аналитичности функции w = f(z) величина arg f(z0) одна и та же для всех кривых (l), проходящих через точку z = z0.
Следовательно, при отображении с помощью аналитической функции углы между кривыми в точке z0сохраняются.
Отображения, обладающие в данной точке свойством консервативности углов и свойством постоянства растяжения, называются конформными отображениями в этой точке.
Аналитическое отображение является конформным, если f′(z) ≠ 0.
Интегралы от функций комплексного переменного.
Рассмотрим непрерывную функцию комплексного переменного
W = f(z) = u(x,y) + i v(x,y).
y Zk+1 Пусть (l) - кусочно-гладкая линия, на которой указано
начало и конец (т.е. линия ориентирована, эта линия
∆Zk Zk может быть и замкнутой). Разобьем кривую
(l) произвольным образом на участки и найдем
x
zk = xk + i yk, ∆zk = ∆xk + i ∆yk .
Этот предел называется контурным интегралом от функции f(z) вдоль линии (l).
Очевидно,
Контурные интегралы обладают всеми свойствами криволинейных интегралов. Отметим два из них.
A
C
B
Вычисление контурных интегралов.
Пусть x = x(t), y = y(t) – параметрические уравнения кривой (L). Или в комплексной форме z = x(t) + i y(t). t = tA → A, t = tB → B.
Отсюда
П р и м е р .
y
x = 2t, t0 = 0, tA = 1, z = 2t + i t, |z| =
z = 2 + i y = t.
A
O 2 x
Теорема Коши.
Пусть функция f(z) аналитическая в области (D).
Теорема.
Если функция f(z) аналитическая в замкнутой односвязной области (D), то интеграл по замкнутому контуру, ограничивающему эту область, равен нулю.
Эта теорема распространяется и на многосвязную область.
(L) Сделаем разрезы γ1 и γ2. Область стала односвязной.
Следовательно,
(Γ) – контуры (L), (L1), (L2) и разрезы (γ1) и (γ2). Разрезы
проходятся дважды в противоположных направлениях, в
силу чего интегралы по этим разрезам взаимно
Llllll ( γ1) уничтожаются. Следовательно,
Γ
(L)
Или
(γ2)
П р и м е р .
2. n > 0, но точка z = a лежит вне контура (L).
(L) ● z = a
3. n > 0, и точка z = a лежит в области, ограниченной контуром (L).
Проведем окружность (С) с центром в точке z = a и радиусом R, не пересекающую (L). Уравнение окружности имеет вид:
|z – a| = R, или z – a = R eiφ, z = a + Reiφ.
Функция аналитическая в области
(L) между (L) и (С). Следовательно,
z = a
(C)
Формула Коши.
Пусть функция аналитическая в замкнутой области , (L) – граница этой области, тогда для всех точек z = a, расположенных внутри этой области, имеет место равенство
Следствие. z = a
П р и м е р .
- |z|=1/2
z = -i
|z|=2
2. z=-i
3.
|z|=i
|z|=1/2 2
- y |z-2|=3/2
0 x
z=2
Степенные ряды.
a0, a1, …,an, … - комплексные постоянные, z = x + iy – комплексная переменная.
.
Можно показать, что областью сходимости степенного ряда является круг
|z – a| < R. Внутри этого круга ряд сходится. Вне его, т.е. при |z – a| > R, расходится, a на границе |z – a| = R ряд может сходиться, а может расходиться. R – радиус сходимости ряда.
П р и м е р .
Пусть z – фиксированное число. Составим ряд модулей.
Вне этого круга ряд расходится. В точках окружности |z| = ряд может сходиться, а может расходиться.
Теорема.