В случае, когда в точке полюс, в знаменателе далеко не всегда степенная функция, содержащая
, возможно, что там произвольная функция. Чтобы вычислять вычет и в этом случае, рассмотрим такой факт.
Теорема 4. Если функция имеет вид , где
имеет нуль 1 порядка в точке
, а
, то
.
Доказательство (ДОК 32). По предыдущей теореме,
=
, тогда
=
, но при этом
, так что можно утверждать, что
=
=
, а теперь в знаменателе как раз и есть производная от
в точке
. Итак,
, что и требовалось доказать.
Пример. Найти .
Решение. =
=
.
Можно было решить и с помощью теоремы 4, =
=
=
, но в этом случае надо было бы использовать 1-й замечательный предел.
Выведем формулу для полюса порядка m.
Теорема 5. Если - полюс порядка m, то верна формула вычисления вычета:
=
.
Доказательство (ДОК 33). Как и теорему 3, можно доказать двумя методами: с помощью ряда и с помощью интегральной формулы Коши. Здесь остановимся на доказательстве только по интегральной формуле Коши. Запишем обобщённую формулу Коши для какой-нибудь функции , т.к. обозначение
у нас уже использовано, оно будет применяться ко всей функции, которая в интеграле.
. Но ведь мы можем сделать такую замену индекса:
и переписать формулу в виде
или эквивалентно:
. Пусть
. Тогда
, а интегральная формула Коши запишется в виде:
=
. Правая часть этой формулы по определению как раз и равна вычету
.
Пример. Найти вычет .
Решение. Здесь точка полюс порядка 3, конкретизируем формулу для этого порядка и этой точки:
=
. Итак,
=
=
=
=
=
= 1.
Пример. Найти вычет .
Решение. Здесь точка полюс 1 порядка. Поэтому
=
=
=
.
Пример. Найти вычет .
Решение. Здесь точка полюс 2 порядка. Поэтому
=
=
=
=
=
.
Пример. Найти вычет .
Решение. Здесь точка полюс 3 порядка. Поэтому
=
=
=
=
.
Определение вычета в . Пусть
замкнутый контур, на контуре и вне его нет особых точек. Тогда интеграл
называется вычетом функции
в
и обозначается
.
Когда мы рассматривали конечную точку , то при вычислении интеграла по контуру обходили его против часовой стрелки, чтобы точка оставалась слева. А чтобы например, линия горизонта (бесконечность) оставалась с левой стороны при движении, нужно круг обходить наоборот, именно по часовой стрелке. Поэтому-то здесь изначально в определении знак минус.
Важно заметить, что при этом равен
, т.е. минус первому коэффициенту ряда Лорана при разложении в окрестности
(то есть в области
) с противоположным знаком.
Пример. Найти вычет .
Решение. Вспомним разложение косинуса в ряд Тейлора:
Здесь
бесконечно-большая величина, а
наоборот, бесконечно малая, так что переход получается корректный, ведь мы применяем формулу Тейлора как раз в окрестности нуля.
=
=
Теперь выберем коэффициент при
и изменим его знак, получится
. Ответ.
.
Пример. Найти вычет .
Решение. Вспомним разложение экспоненты в ряд Тейлора:
Тогда
=
= =
Коэффициент при равен
, тогда ответ
=
.
Подробнее рассмотрим строение ряда Лорана в окрестности . Если для
полюс порядка m в точке
, то крайняя отрицательная степень равна
. Тогда для ряда Лорана по
, крайняя положительная степень равна
. То есть ряд вида
. Если
устранимая особая точка, то ряд имеет вид
. Но в этом случае коэффициент
может быть не равен 0. То есть, даже в случае, когда
устранимая особая точка, то вычет может быть не равен 0.
Теорема 6. Если устранимая особая точка, то вычет равен:
Доказательство (ДОК 34). Если устранимая особая точка, то ряд имеет вид:
. Чтобы коэффициент
оказался крайним и его можно было выразить, продифференцируем 1 раз, и константа
исчезнет:
. Теперь домножим на
, получим
. Если перейти к пределу при
, то все слагаемые устремятся к 0, и останется лишь одна константа
, которую мы как раз и хотели выразить. Коэффициент
с отрицательным знаком в точности равен вычету, поэтому полчили то, что и требовалось доказать:
=
Теорема 7. Если является полюсом порядка m, то вычет равен:
Доказательство (ДОК 35). Если полюс порядка m, то ряд имеет вид:
. Чтобы коэффициент
оказался крайним и его можно было выразить, надо продифференцировать столько раз, чтобы исчезли все положительные степени. Так, после 1-го дифференцирования:
исчезла только константа . После 2-го исчезнет
, а там где была степень m, только после
- го дифференцирования.
Все положительные степени исчезнут после дифференцирования раз. Но более подробно обратим внимание, что при этом происходит с тем коэффициентом, где есть
. Там каждый раз степень в знаменателе увеличивается, и домножается на следующее отрицательное число. После m шагов получилось бы
где
.
На последнем шаге справа от исчезает уже всё полностью, и получается
где и далее - тоже числовые коэффициенты, состоящие из произведений целых отрицательных чисел. Если домножить на
, то получатся все отрицательные степени
, и лишь одна константа, как раз там, где есть
.
.
Если теперь перейти к пределу при , то все слагаемые кроме последнего устремятся к 0.
, итак,
. Но для вычета нам надо выразить величину
, поэтому запишем так:
. Тогда
. Впрочем, деление на
эквивалентно умножению на
, ведь это либо
либо
. Так что для удобства записи формулы, можно перенести в числитель:
.
Что и требовалось доказать.
Замечание. При из формулы в теореме 7:
получается формула из теоремы 6: .
полюс порядка это и есть устранимая точка.
Дата: 2018-12-21, просмотров: 262.