4 Интегрирование функции комплексного переменного
4.1 Интеграл по кривой и его вычисление
Определение
1. Кривой
в комплексной
плоскости называется образ отрезка
при непрерывном отображении
,
где
,
тогда
называется началом,
а
называется концом
кривой.
Определение
2. Кривая
называется гладкой,
если функция
имеет во всех точках отрезка
непрерывные производные, отличные от
нуля.
Определение 3. Кривая называется кусочно-гладкой, если она может быть разбита на конечное число частей, каждая из которых представляет собой гладкую кривую.
Пусть
однозначная функция
определена и непрерывна в области
;
– кусочно-гладкая замкнутая или
незамкнутая кривая, лежащая в
.
По определению
. (47)
Теорема
(достаточное условие существования
интеграла).
Пусть однозначная функция
непрерывна в области
,
тогда интеграл от этой функции вдоль
любой кусочно-гладкой кривой
,
содержащейся в области
,
существует.
Заметим,
что функции
и
,
будучи действительной и мнимой частями
непрерывной функции, сами являются
непрерывными функциями двух действительных
переменных. Кривая
– кусочно-гладкая, значит выполняются
все условия теоремы существования
обычного криволинейного интеграла,
т.е. если
,
то
(48)
– вычисление интеграла (47) сводится к вычислению обычных криволинейных интегралов второго рода. Заметим, что интеграл (47) зависит, вообще говоря, от пути интегрирования .
Пусть
кривая
задана параметрическими уравнениями
,
(или в комплексной
форме
),
начальная и конечная точки кривой
соответствуют значениям параметра
.
Тогда
. (49)
Если
аналитична в односвязной области
,
,
– какая-либо первообразная для
(
),
то имеет место
формула Ньютона-Лейбница:
. (50)
Справедлива формула интегрирования по частям:
, (51)
где
,
– аналитические функции в односвязной
области
,
– произвольные точки этой области.
Замена
переменных в интегралах от функции
комплексного переменного аналогична
случаю функции действительного
переменного.
Пусть аналитическая функция
отображает взаимно однозначно контур
в плоскости
на контур
в плоскости
.
Тогда
(52)
Если
функция является многозначной, то для
вычисления интеграла
указывается, какая именно однозначная
ветвь ее берется при этом.
Это достигается заданием значения
многозначной функции в некоторой
точке контура интегрирования. Если
контур интегрирования
замкнут, то начальной точкой
пути интегрирования считается
та, в которой задано значение подынтегральной
функции.
Так как определение интеграла от функции комплексного переменного почти не отличается от определения криволинейного интеграла от функции действительного переменного, то и свойства криволинейного интеграла от функции действительного переменного можно перенести на случай комплексного переменного.
Пример
1. Вычислить
по кривой
,
соединяющей точки
.
Для
параболы
имеем
,
.
По формуле (48)
.
Пример
2. Вычислить
,
где
– дуга окружности
,
.
Положим
,
.
Тогда
,
и по формуле (49) находим:
.
Пример
3. Вычислить
.
Так
как подынтегральная функция
аналитична всюду,
то по (50) найдем:
.
Пример
4. Вычислить
.
Функции
и
аналитичны всюду. По формуле (51) получим:
.
Пример
5. Вычислить
,
.
Функция
является
многозначной:
,
;
.
Условию
удовлетворяет та
однозначная ветвь этой функции, для
которой
.
Действительно, при
(и так как
)
.
Полагая теперь
,
на кривой
,
находим
,
и,
следовательно,
.
