Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ТФКП и ОП

.pdf
Скачиваний:
547
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

41

рактеризуется тем, что бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции.

Для функции комплексной переменной это означает, что если точка z окажется внутри круга радиуса δ с центром в точке z0 , то соответствующая точка w попадет внутрь круга радиуса ε

с центром в точке w0 = f (z0 ), построенного в плоскости w (рис. 17).

Рис. 17

Функция f (z) называется непрерывной в области, если она непрерывна в каждой точке этой области.

Дадим

независимой переменной z = x +iy приращение

∆z = ∆x +i∆y

и найдем соответствующее приращение функции

w = f (z) : ∆w = f (z + ∆z) − f (z).

Производной функции f (z) в точке z называется предел

отношения приращения функции к приращению аргумента при стремлении ∆z к нулю по любому закону:

f ′(z) = lim ∆w .

∆z→0 ∆z

Замечание. Так как на комплексной плоскости геометрическое место точек, равноудаленных от точки z на расстояние ∆z , представляет собой окружность радиуса ∆z (см. рис. 17), то требование существования производной для функции комплексной переменной, как следует из определения, означает существование предела ∆w / ∆z при стремлении точки z + ∆z к точке z по любому пути (в частности по любому из бесчисленного множества радиусов) и равенство всех этих пределов. Это требование является значительно более жестким по сравнением с аналогичным требованием для функций действительной переменной и приво-

42

дит к тому, что дифференцируемые функции комплексной переменной обладают рядом дополнительных свойств по сравнению с функциями действительной переменной.

2.5. Условия Коши – Римана9

Пусть f (z) = u(x, y) +iv(x, y) и приращение аргумента ∆z = ∆x +i∆y. Тогда приращение функции будет равно

∆w = f (z + ∆z) − f (z) = ∆u +i∆v,

где ∆u = u(x + ∆x, y + ∆y) −u(x, y), ∆v = v(x + ∆x, y + ∆y) −v(x, y).

Поэтому

′

∆w

= lim

∆u +i∆v

.

f (z) = lim

∆z

∆x +i∆y

 

∆z→0

∆x→0

 

 

 

 

∆y→0

 

 

Пусть этот предел существует и по определению не зависит от закона стремления ∆z = ∆x +i∆y к нулю. Рассмотрим два слу-

чая.

Пусть, например, точка z + ∆z стремится к точке z по прямой, параллельной оси 0x (см. рис. 18). Тогда ∆z = ∆x и поэтому

′

∆w

= lim

∆u +i∆v

= lim

 

∆u

+

i∆v

=

∂u

+i

∂v

.

(2.17)

f (z) = lim

∆z

∆x

 

∆x

 

∂x

∂x

∆z→0

∆x→0

∆x→0

 

∆x

 

 

 

 

 

Рис. 18

Найдем тот же предел в предположении, что точка z + ∆z

приближается к точке z

по прямой, параллельной мнимой оси

(рис.18). Тогда, очевидно,

∆z = i∆y. Поэтому

9 Коши Огюстен Луи (21.08.1789 – 23.08.1857) – французский математик и механик.

Риман Георг Фридрих Бернхард (17.09.1826 – 20.07.1866) – немецкий математик.

 

 

 

 

43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

∆w

 

∆u +i∆v

 

 

∆u

 

i∆v

 

∂v

 

∂u

 

 

f (z) = lim

∆z

= lim

i∆y

= lim

 

 

+

 

 

=

∂y

−i

∂y

.

(2.18)

 

 

∆z→0

∆y→0

∆y→0 i∆y

 

i∆y

 

 

 

 

Так как выражения (2.17) и (2.18) должны совпадать, то

приходим к равенству

∂u

+i

∂v

=

∂v −i

∂u ,

откуда следуют со-

отношения

∂x

 

∂x

 

∂y

 

∂y

 

∂u =

∂v

 

 

∂u

= − ∂v .

 

 

,

 

(2.19)

 

∂x

∂y

 

 

∂y

 

∂x

 

Эти условия называются условиями Коши – Римана (Да-

ламбера – Эйлера10) и являются необходимыми и достаточными условиями дифференцируемости функции комплексной переменной.

Нами доказана необходимость выполнения этих условий для того, чтобы функция была дифференцируемой. Если, кроме того, частные производные функций u(x, y) и v(x, y) будут не-

прерывными в области, то условия Коши – Римана будут и достаточными условиями аналитичности функции.

Функция комплексной переменной f (z) , дифференцируе-

мая в каждой точке некоторой области, называется аналитиче-

ской (или регулярной) в этой области.

Те точки области, в которых функция является аналитической, называются правильными, а те точки области, в которых функция перестает быть аналитической (или не определена), называются особыми.

Замечание. Так как основные теоремы о пределах и определение предела для функции комплексной переменной не отличаются от соответствующих теорем и определений для функций действительной переменной, то формально техника дифференцирования функций комплексной переменной является такой же, как и для функций действительной переменной. Другими словами, правила дифференцирования и теоремы дифференцирования

10 Эти условия значительно раньше О.Коши и Г.Римана были получены Ж.Л.Даламбером (1752) и Л.Эйлером (1755, 1777). Даламбер Жан Лерон (16.11.1717 – 29.10.1783) – французский математик и философ.

44

сложных функций действительной переменной остаются справедливыми и для функций комплексной переменной.

Пример.

Проверить аналитичность функций: а)

w = z + 1

;

б) w = cosiz ;

 

в)

w = e2z + 2 cos3z . Найти их производные.

z

 

 

 

 

а) Полагая z = x +iy

 

находим действительную и мнимую

части функции

w:

 

 

 

 

 

x

−iy

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w = x +iy +

 

 

 

 

 

= x +iy +

 

 

 

 

 

= x +

 

 

 

 

+i y −

 

,

 

 

x

+iy

 

x2 + y2

x2

+ y2

x2 + y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, y) = x +

 

x

 

 

 

, v(x, y) = y −

 

 

 

y

 

 

- функции, дифферен-

x2 + y2

 

 

x2 + y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цируемые всюду, кроме точки x = 0, y = 0.

 

 

 

 

 

 

 

Проверяем выполнение условий Коши – Римана:

 

 

 

 

∂u

=1−

 

x2 − y2

 

 

,

∂v

=1−

 

x2 − y2

,

 

 

 

 

∂x

(x2 + y2 )2

∂y

(x2 + y2 )2

 

 

 

∂u

= −

 

 

 

2xy

 

,

 

∂v

=

 

 

2xy

 

.

 

 

 

 

 

∂y

 

(x2 + y2 )2

 

 

∂x

(x2 + y2 )2

 

 

 

 

Как видно, условия Коши - Римана выполняются всюду, кроме точки z = 0. Следовательно, функция w = z + 1z аналитична

всюду на комплексной плоскости с “выколотым центром”. Еë производная равна w′ =1-1/z2 .

б)

w = cosiz = cosi(x −iy) = cos( y +ix) =

 

 

= cos y cos ix −sin y sin ix = cos ychx −i sin yshx.

 

Функции u(x, y) = cos ychx и

v(x, y) = −sin yshx

дифферен-

цируемы при любых значениях x

и y. Их частные производные

имеют вид: ∂u

= cos yshx,

∂v = −cos yshx. Так как

∂u

≠ ∂v , то

∂x

 

∂y

 

∂x

∂y

условия Коши – Римана нигде в плоскости z не выполняются, следовательно, функция w = cosiz не является аналитической ни в одной точке плоскости.

в) e2z = e2( x+iy) = e2 xe2iy = e2 x (cos 2 y +isin 2 y) =

45

= e2 x cos 2 y +ie2 x sin 2 y,

cos3z = cos(3x +3iy) = cos3x cos3iy −sin 3x sin 3iy = = cos 3x ch 3y −i sin 3x sh 3y,

w = e2 x cos 2 y + 2 cos 3x ch 3y +i(e2 x sin 2 y −2sin 3x sh 3y). u(x, y) = e2 x cos 2 y + 2 cos 3x ch 3y, v(x, y) = e2 x sin 2 y − 2sin 3x sh 3y.

Поэтому

∂∂ux = 2e2 x cos 2 y −6sin 3x ch 3y = ∂∂yv ,

∂∂uy = −2e2 x sin 2 y +6 cos3x sh 3y = − ∂∂vx .

Так как условия Коши – Римана выполняются, то функция w аналитическая всюду на плоскости, следовательно,

w′ = dwdz = 2e2z −6sin 3z.

2.6. Связь аналитических функций с гармоническими

Как известно, гармонической в области функцией называется действительная функция u(x, y) двух действительных пере-

менных, обладающая в этой области непрерывными вторыми частными производными и удовлетворяющая дифференциальному уравнению в частных производных второго порядка

∆u = ∂2u + ∂2u = 0. ∂x2 ∂y2

Это уравнение называется уравнением Лапласа11. Оно (и соответственно гармонические функции) играет важную роль в математической физике.

Можно показать, что если функция комплексной переменной f (z) = u(x, y) +iv(x, y) однозначна и аналитична в некоторой

области, то в этой области еë действительная и мнимая части являются гармоническими функциями.

11Лаплас Пьер Симон (23.03.1749 – 05.03.1827) – французский математик, астроном и физик.

46

Вместе с тем, не из любых двух дифференцируемых функций u(x, y) и v(x, y) можно составить дифференцируемую функ-

цию комплексной переменной, так как для функции u(x, y) +iv(x, y) условия Коши – Римана могут не выполняться.

Аналитическую функцию f (z) = u(x, y) +iv(x, y) можно по-

строить, если произвольно задав одну из двух гармонических функций (u(x, y) или v(x, y) ), подобрать другую так, чтобы

удовлетворялись условия Коши – Римана. Для этого надо определить вторую из функций по еë полному дифференциалу.

Рассмотрим эту процедуру на примере: найти аналитическую функцию w = f (z), если u(x, y) = x3 −3xy2 , f (0) = i.

Находим сначала

 

∂u

= 3x2 −3y2 . Так как должно выпол-

 

∂u

 

∂v

 

∂x

∂v

 

няться условие

=

,

то

= 3x2 −3y2 , откуда следует

 

∂x

 

∂y

 

 

∂y

 

v = ∫(3x2 −3y2 )dy +ϕ(x) = 3x2 y − y3 +ϕ(x),

где ϕ(x) - произвольная функция интегрирования. Дифференци-

цируя последнее равенство по x,

находим

 

 

∂v

′

∂v

∂u

∂u

′

∂x = 6xy +

ϕ (x),

а так как ∂x = − ∂y , то

∂y = −6xy

−ϕ (x).

Но из условия следует, что ∂u

= −6xy. Приравнивая производные,

 

′

∂y

 

′

Поэтому ϕ(x) = C.

 

 

находим −6xy −ϕ (x) = −6xy.

ϕ (x) = 0.

Итак,

 

v(x, y) = 3x2 y − y3 +C ,

 

 

 

 

 

f (z) = u(x, y) +iv(x, y) = x3 −3xy2 +i (3x2 y − y3 +C).

Теперь из условия

f (0) = i ,

то есть при

x = y = 0 ,

находим:

f (0) = i = Ci,

C =1. Окончательно получаем

 

f (z) = x3 −3xy2 +i (3x2 y − y3 +1).

Выразим далее f (z) как функцию аргумента z. Так как z = x +iy,

z = x −iy, то x =

z + z

,

y =

z − z

.

 

2i

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

+ z 3

 

z + z

z

− z

2

z + z 2 z − z

 

 

w = f (z) =

 

 

 

 

−

3

 

 

 

 

 

 

+i 3

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

2i

 

 

2 2i

 

 

 

z − z 3

 

 

 

z3

+3z2 z +3zz 2

+ z3

 

3(z3 − z2 z − zz 2 + z3 )

 

−

 

 

+1

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 3(z2 z + z3 − zz 2 − z3 ) +

z3 −3z2 z +3zz 2 − z3

+i = z3 +i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7. Геометрический смысл аргумента и модуля производной от аналитической функции

1. Пусть f (z) - аналитическая функция в некоторой области комплексной плоскости z. Возьмëм какую – нибудь точку z0

в этой области и проведем через неë произвольную кривую l

(см. рис. 19).

 

 

Рис. 19

 

 

Пусть

при

отображении,

осуществляемом функцией

w = f (z), точка z0

переходит в точку w0 ,

а образом кривой l бу-

дет кривая L , проходящая через точку w0

на плоскости w.

Так как функция f (z) аналитична по условию, то она имеет

производную

′

 

что в точке z0 эта производ-

f (z). Предположим,

ная не равна нулю:

f ′(z0 ) ≠ 0. Зададим уравнение кривой l в па-

раметрической форме: z = z(t), где t - некоторый параметр. Тогда уравнение кривой L при отображении, осуществляемом функци-

ей

w = f (z), будет

иметь вид:

w = f [z(t)] и в точке w0

w0

= f [z(t0 )] = w(t0 ).

По правилу

дифференцирования сложной

функции w′(t0 ) = f ′(z0 ) z′(t0 ).

 

48

Учитывая, что при умножении комплексных чисел их аргументы складываются, получим Arg w′(t0 ) = Arg f ′(t0 ) + Arg z′(t0 ).

Очевидно, величина f ′(z0 ) , а значит и Arg f ′(z0 ) , не зависит от выбора кривой l , а зависит только от вида функции f (z) и точки z0 . Поэтому можно принять Arg f ′(z0 ) =α = const.

В результате приходим к выводу о том, что аргумент производной от аналитической функции имеет наглядный геометрический смысл: он равен углу, на который надо повернуть касательную в точке z0 к любой кривой, проходящей через эту точку,

чтобы получить направление касательной в соответствующей точке w0 к образу данной кривой при отображении, осуществ-

ляемом функцией w = f (z). При этом, если arg f ′(z0 ) > 0, то по-

ворот происходит против часовой стрелки и наоборот. Следовательно, если через точку z0 провести какую - ни-

будь другую кривую так, чтобы угол между касательными к кривым был равен ϕ, то при отображении, осуществляемом анали-

тической функцией, угол между касательными к образам этих кривых в плоскости w будет также равен ϕ.

2. Рассмотрим далее геометрический смысл модуля производной. Так как ∆z - это расстояние от точки z0 до точки z0 + ∆z , а

∆w - расстояние от точки w0 до точки w0 + ∆w, то величина ∆w / ∆z показывает, в каком отношении меняется расстояние

между соответствующими точками при отображении, осуществляемом функцией w = f (z). Предел этого отношения и есть мо-

дуль производной:

 

 

f ′(z0 )

 

 

 

 

∆w

 

∆w

 

= k.

(2.20)

 

 

 

=

lim

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′(z0 )

 

 

∆z→0

∆z

∆z→0

∆z

 

 

 

Величину

k =

 

 

называют коэффициентом растяже-

 

 

ния в точке z0

при отображении

w = f (z). Если k >1,

то в дос-

таточно малой окрестности точки z0 расстояния между точками

увеличиваются (происходит растяжение) и наоборот.

Из соотношения (2.20) с точностью до величин высшего порядка малости следует приближенное равенство: ∆w ≈ k ∆z . Гео-

49

метрически это означает, что при отображении, осуществляемом аналитической функцией, бесконечно малые линейные элементы преобразуются подобным образом. Это свойство называют свой-

ством постоянства растяжения.

Отображение окрестности точки z0 на окрестность точки w0 , осуществляемое аналитической функцией w = f (z) и обла-

дающее свойствами постоянства растяжений и сохранения (консерватизма) углов между линиями (во всех точках, где производ-

ная f ′(z0 ) ≠ 0), называется конформным отображением.

Понятие конформного отображения является одним из важнейших в математике. Конформные отображения аналитических функций находят широкое применение для решения различных сложных задач механики (в гидро – и аэродинамике, плоской и неоднородной теории упругости), физики (в теории электростатического, магнитного и теплового полей), в картографии. Оказывается, что во многих случаях при решении задач для областей сложной формы (например, профиль крыла самолета, отверстие некруговой формы и т.п.) можно конформно отобразить заданную область сложного очертания на область простой формы (например, на единичный круг), для которой соответствующая задача или уже решена, или решение находится просто. Обратный переход производится с помощью той же функции, которая осуществляет конформное отображение. Существенный вклад в развитие и применение этих методов к задачам механики сплошной

среды внесен отечественными учеными Н.Е.Жуковским12, С.А.Чаплыгиным13, Г.В.Колосовым14, Н.И.Мусхелишвили15.

12Жуковский Николай Егорович (17.01.1847 - 17.03.1921) - механик, основоположник авиационной науки.

13Чаплыгин Сергей Алексеевич (05.04.1869 - 08.09.1942) - математик и механик, академик АН СССР.

14Колосов Гурий Васильевич (24.081867 - 07.09.1936) - механик, чл.-корр. АН СССР.

15Мусхелишвили Николай Иванович (16.02.1891 -15.07.1976) - математик и механик, академик АН СССР.

50

3. ИНТЕГРАЛЫ ОТ ФУНКЦИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

3.1 Понятие контурного интеграла от функции комплексной переменной

Рассмотрим на плоскости комплексной переменной гладкую (или кусочно – гладкую) кривую C, начальную и конечную точки которой обозначим соответственно через z0 и zn . Тем самым на-

ми установлено положительное направление обхода кривой. Пусть функция f (z) = u(x, y) +iv(x, y) непрерывна во всех точках

этой кривой.

Разобъем кривую C на n частей (рис. 20) точками z1, z2 ,...zn−1 так, что zk = xk +iyk , и составим так называемую интегральную

n

сумму ∑ f (ξk )∆zk , где ξk - произвольно взятая точка на элемен-

k=1

тарной дуге zk−1zk , f (ξk ) - значение функции в точке ζk ,

∆zk = zk − zk−1.

Рис. 20

Определенным (контурным) интегралом от функции комплексной переменной, взятым вдоль кривой C, называется предел построенной интегральной суммы, когда число частичных дуг стремится к бесконечности, а длина наибольшей из них стремится к нулю: (max ∆zk → 0 )

 

zn

 

 

 

 

 

n

∫ f (z)dz = ∫ f (z)dz = n→∞lim

∑ f (ξk )∆zk .

C

z0

max

 

∆zk

 

→0 k=1

 

 

Так как z = x +iy,

dz = dx +idy, то

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]