Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BỘ MÔN DUYỆT
Chủ nhiệm Bộ môn
Tô Văn Ban
ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT BÀI
GIẢNG
(Dùng cho 75 tiết giảng)
Học phần: TOÁN CHUYÊN ĐỀ
Bộ môn TOÁN
Khoa : CNTT
GIÁO VIÊN
Phạm Tiến Dũng
Thông tin về giáo viên
TT Họ tên giáo viên Học hàm Học vị Đơn vị công tác
1 Nguyễn Xuân Viên PGS TS Bộ môn Toán
2 Phạm Tiến Dũng GVC TS Bộ môn Toán
3 Nguyễn Văn Hồng GV Ths Bộ môn toán
4 Vũ Thanh Hà GV TS Bộ môn Toán
5 Bùi Hoàng Yến GV ThS Bộ môn Toán
6 Nguyễn Hồng Nam GV ThS Bộ môn Toán
Thời gian, địa điểm làm việc: Bộ môn Toán- Khoa CNTT- HVKTQS
Địa chỉ liên hệ: [email protected]
Điện thoại, email: 069515330
Bài giảng 1: Комплексные числа
Chương I, Mục: I.1-I.2
Tiết thứ: 1-5 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Giới thiệu về tập số phức, tập số phức mở rộng; phép toán trên trường số
phức, một số tính chât .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 1. Комплексные числа
1.1. Определение комплексного числа
1.2. Геометрическое изображение комплексных чисел
Выберем прямоугольную декартову систему координат на плоскости.
Так как число z является парой a,b , то естественной геометрической
интер-пртацей комплексного числа является его изображение точкой
M a,b на плоскости. Обратно, каждая точка M a,b рассматривается
как образ ко-мплексного числа z a,b .
Это условие устанавливает взаимно однозначное соответствие между
м-ножеством всех точек плоскости и множеством всех комплексных
чисел.
1.3. Операции над комплексными числами
Определение 1. Суммой двух чисел 1 1 1z a ,b и 2 2 2z a ,b
называется
1 2 1 2 1 2z z z a a ,b b .
Определение 2. Произведением двух чисел 1 1 1z a ,b и 2 2 2z a ,b
наз-ывается 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1z z .z a a b b ,a b a b .
Таким образом, число
1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 22 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2
z z .z a a b b b a a bz ,
z z .z a b a b
.
Примеры. Перемножить комплексные числа.
1.4. Различные формы записи коплексного числа
Первая форма- алгебраическая: z a ib, где i мнимая единица.
Вторая форма- тригонометрическая
Третья форма- показательная: iz z e z cos isin .
Примеры. Представить комплексные числа в тригонометрической
форме
1. z 1 i 3. Решение. 22
z 1 3 2, 2
argz .3
Имеем
2 2
1 i 3 2 cos 2k isin 2k3 3
.
2. z 4 4 cos 2k isin 2k .
3. 1 2 1 2 1 2 1 2z z .z z z cos isin .
4. 111 2 1 2
2 2
zzz cos isin
z z .
5. nnz z cosn isinn .
Пример 18
18 18 18 181 i 3 2 cos isin 2 cos isin .
3 3 3 3
1.5. Извлечение корня
Пусть дано комлексное число z 0.
Определение.
Теорема. При z 0 существуют ровно n различных корней kw из
числа n z, которые вычисляются по формулам
nk
argz 2k argz 2kw z cos isin ,
n n
где n z арифметический корень из положительного числа
z , k 0,n 1.
Пример 1. Найти 3 1.
Так как 1 cos0 isin0, то имеем
k
0 2k 0 2kw cos isin , k 0,1,2.
3 3
При 0k 0 w cos0 isin0 1;
1
2 2 1 3k 1 w cos isin i ;
3 2 2 2
2
4 4 1 3k 2 w cos isin i .
3 2 2 2
Пример 2. Решить уравнение 2x 1 0.
2x 1; k
2k 2kx 1 cos isin , k 0,1.
2 2
0 1x i; x i.
1.6. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 2: Предел и непрерывность
Chương II, Mục: II.1-II.2
Tiết thứ: 6-10 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Khái niệm mặt phẳng phức mở rộng, miền n- liên, đường cong lien tục.
* Khái niệm hàm biến phức, tính liên tục
* Vận dụng giải một số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 2. Предел и непрерывность
2.1. Предел последовательности
Определение 1. Комплексное число 0 0 0z x iy называется пределом
последовательности ком-ных чисел n n nz x iy , n 1,2..., если 0 ,
0 0n n , такое что для всех 0n n выполняется неравенство
n 0z z .
Последовательность nz , имеющая конечный предел, называется
схо-дящейся и обозначается как n 0nlim z z
или n 0z z , n .
Определение 2. Окрестностью точки 0z радиусом называется множ-
ество точек z , удовлетворяющих неравенству 0z z .
Вывод. Соотношение n 0nlim z z
эквивалентно двум соотношениям:
n 0 n 0n nlim x x , lim y y .
2.2. Расширенная комплексная плоскость
Комплексную плоскость вместе с бесконечно удаленной точкой
z будем называется раширенной комплексной плоскостью и
обозначать ее через .
Определение 1. окрестностью бесконечно удаленной точки
z называется внешность круга с центром в начале координат и
радиусом , т.е. множество точек z , для которых z .
Определение 2. Несобственное комплексное число z называется
пределом последовательности nz , если 00 n , такое что при
0 nn n z .
« условие nnlim z
эквивалентно условию n n
1lim 0,
z а также эквивале-
нтно условию nnlim z .
2.3. Понятие области и непрерывной кривой
Определение 1. Областью D на называются множество точек,
облад-ающее следующими свойствами:
Открытость: вместе с каждой точкой из D принадлежат дотаточно
малого круга с центром в этой же точке этому множеству
Связность: любые две точки области D можно соединить ломаной,
состоящей из точек этой области.
Определение 2. Точка M D называется граничной точкой области D ,
если в любой ее окрестности лежат точки области D.
Совокупность граничных точек области D наз-ся границей этой
области.
Пуст функция z z t x t iy t орпеделена в
0t ,T действительного переменого t. Если x t и y t непрерывны на
0t ,T то уравнение z z t x t iy t определяет непрерывную
кривую на .
Непрерывная кривая называется кривой Жордана на 0t ,T , если 1 2t t то
1 2z t z t . Если 0z t z T , то кривая Жордана наз-ся замкнутой.
Пример 1. Окрестность точки a : z a радиусом является
областью.
Пример 2. Окружность 0z z делит на внутреннюю область
0z z и внешнюю область 0z z .
Пример 3. Уравнение z it, 1 t 1, определяет уравнение отрезка
мни-мой оси от точки z i до точки z i. Кривая является жордановой.
Пример 4. 0z и 0 . Уравнение 0z z cos t isin t , 0 t 2
опр-еделяет окружность радиусом с центром в точке 0z . Окружность-
кривая замкнутая жорданова.
Определение . Область D назы-ся односвязной, если любая кривая зам-
кнутая жорданова L , проведенная в области D, ограничивает некоторую
область E D.
Область, не обладающую этим свойством, будем называть многосвя-
зной,
2.4. Определение функции
Пусть D некоторое множество точек на .
Определение .
Пример5. Для функции 22 2 2w z x iy x y i2xy, следовательно
2 2Rew u x,y x y , Imw v x,y 2xy.
2.5. Предел функции
Пусть однозначная фукция w f z определена в окрестности 0z , за
иск-лючением, может быть, самой точки.
Определение. 0z z
lim f z A
если для любой n 0z z , то nf z A.
2.6. Непрерывность функции
Пусть однозначная фукция w f z определена в области D и 0z D.
Полагая
0 0 0 0 0 0 0 0z x iy , f z u x,y iv x,y , f z u x ,y iv x ,y .
Непрерывность функции f z в точке 0z эквивалентно следующим
ус-ловиям:
0 00 0
0 0 0 0x x x xy y y y
lim u x,y u x ,y , lim v x,y v x ,y .
2.7. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 3: Производная
Chương III, Mục: III.1-III.4
Tiết thứ: 11-15 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Khái niệm đạo hàm. Trình bày chi tiết định lý Cosi-Rieman, biểu diễn dạng
tọa độ cực .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 3. Производная
3.1. Определение производной
Пусть в области D определена однозначная функция w f z . Для
точек 0z D и 0z z D составим приращение фу-ции
0 0w f z z f z , соотвествующее приращению 0 0z z z z .
Определение. Функция w f z называетя дифференцируемой в точке
0z если существует конечный предел
'0
z 0
wlim f z .
z
(3.1)
Предел '0f z производной f z в точке 0z .
3.2. Дифференциал
Используя (3.1), запишем в виде '0 0w f z f z z z .
Диффе-ренциалом функции w f z в точке 0z (обозначаеся через dw )
называется часть '0f z z . Обозначая z через dz , получим формулу:
'dw f z dz.
Замечание. Дифференцируемая в точке 0z функции w f z
непрерывна в этой точке.
3.3. Необходимое и достаточное условия дифференцируемости
функции
Пример. Исследовать дифференцируемость функции w z.Imz.
Теорема. Для того чтобы функция f z u x,y iv x,y , определеная
в области D, была дифференцируема в точке z D, необходимо и
достаточно , чтобы функци u x,y и v x,y были непрерывно
дифференцируемы в той же точке, как функции действительных
переменных x и y, и чтобы, кроме того, выпольнялись условия
u v u v
, .x y y x
(К-Р)
Из теоремы следует, что 'f z функции f z можно представить в следу-
ющих:
' u v v u u u v vf z i i i i .
x x y y x y x x
Пример 1. Проверим выполнимость условий К-Р для w z.Imz.
Пример 2. Проверим выполнимость условий К-Р для 2w z .
Определение. Однозначная функция w f z , заданная в области D,
наз-ывается аналитической в области D (голоморфной, регулярной,
моногенной), если она дифференцируема в каждой точке этой области.
Замечание. Понятие дифференцируемости и аналитичности в точке
z функция w f z различны.
Пример 1. Функция w z.Imz является аналитической в точке z 0?
Доказано, что функция дифференцируема в точке z 0 . Но в любой
окрест-ности точки z 0 функция не дифференцируема, поэтому она не
является аналитической в точке z 0.
Пример 2. Функция 2w z является аналитической на плоскости .
Задача. Записать условия К-Р в полярной системе координат.
Перейдем от декартовых координат x и y к полярным координатам r и
по формулам:
x rcos , y rsin .
Тогда
u 1 v 1 u v
. , .r r r
условия К-Р в полярных
координатах.
3.4. Правила дифференцирования
1. Если f z c, то 'f c 0, c const.
2. ' 'cf z c.f z , где c const.
3. ' ' 'f z g z f z g z .
4. ' ' 'f z .g z f z .g z f z .g z .
5.
' ' '
2
f z f z .g z g z .f z, g z 0.
g z g z
6. Если h h z дифференцируема в точке 0z , а функция w f h
дифф-еренцируема в точке 0h z , то сложная функция w f h z
дифференци-руема в точке 0z и
dw dw dh
.dz dh dz
7. Пусть отображение w f z однолистное в D, тогда обратная функ-
ция 1f w однозначна в G f D . Если w f z дифференцируема в
точке 0z D и '0f z 0, то обратная функция 1f w
дифференцируема
в точке 0 0w f z и
'0 '
0
1f w .
f z
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 4: Производная (продол.)
Chương III, Mục:III.5-III.6
Tiết thứ: 16-20 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Giới thiệu về ý nghĩa hình học của modun và arg; khái niệm hàm điều hòa.
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
3.5. Геометрический смысл модуля и аргумента производно
3.6. Гармонические функции
Определение 1. Функция f x,y , влажды непрерывно дифференциру-
емая в области D и
2 2
2 2
f f0,
x y
называется гармонической функцией ( уравнение Лапласа)
Определение 2. Две гармонические функции u x,y и v x,y в области
D называются сопряженными , если они удовлеворяют условиям К-Р.
Теорема. Аналитическую функцию w f z можно получить, произво-
льно задав одну из сопряженных гармонических : u x,y или v x,y .
Пример. Найти аналитическую функцию w f z , если известна
3 2u x,y x 3xy , w 0 0.
Второй способ: 2 2u3x 3y .
x
По условию К-Р имеем: 2 2v
3x 3y .y
Инте-грируя, получаем 2 3v x,y 3x y y x . По условию К-Р
u v
y x
'6xy x . Так как
u6xy,
y
то
' '6xy x 6xy; x 0, x C, 2 3v x,y 3x y y C.
1.7. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 5: Некоторые элементарные функции
Chương IV, Mục:IV1-IV.7
Tiết thứ: 21-25 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Giới thiệu về một số hàm cơ bản thường gặp và các tính chất .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 4t; BT: 1t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 4. Некоторые элементарные функции
4.1. Степенная функция
Функция nw z , где n натуранное число, называется степенной. Она
определена и однозначна на , точке z ставится в соответствие
точка w .
Ее производная ' n 1w nz существует в любой точке плоскости .
Определение. Функция
Lnzz e (8)
называется общей степенной функцией комплексного переменного
z z 0,z с комплексным показателем .
Пример. Вычислить
1 i1 i
.2
4.2. Показательная функция
Определение. Показательной функцией комплексного переменного
называется функция вида
z xw e e cos y isin y expz, (1)
где z x iy.
Некоторые свойство
Определение. Функция
z zLnaa e (9)
называется общей показательной функцией комплексного переменного z
a 0,a .
4.3. Функция nw z
Функция nw z извлечения корня n й степени из любого комплексного
числа z, z 0 и z :
n nargz 2k argz 2k
z z cos isin , k 0,n 1n n
(3)
n различных значений (3) , в которых nw принимает одно и то же знание z.
4.4. Логарифмическая функция
Определение . Функция w Lnz, обратная к показательной функции
wz e , называется логарифмической функцией.
Для всех z 0 и z имеет место формула
Lnz ln z i argz 2k , k 0, 1,... (4)
Пример. Найти Ln 1 i , ln 1 i .
z 1 i, z 2, Arg 1 i 2k , k .4
По формуле (4): 1
Ln 1 i ln 2 i 2k , ln 1 i ln 2 i .4 2 4
4.5. Тригонометрические и гиперболичесие функции
Функции sinz, cosz, tgz, ctgz, shz, chz, thz, cthz аналитичны в области
определения каждой функции и их производные:
' ' ' '
sinz cosz, cosz sinz, shz chz, chz shz
' '
2 2
1 1tgz z 2k 1 , k ; ctgz z k , k
2cos z sin z
' '
2 2
1 1thz , cthz z 0 .
ch z sh z
Пример. Вычислить sin iln5 sin .cos iln5 cos .sin iln5
ln5 ln5e e 5 1/ 5
sin iln5 ish ln5 i i .2 2
4.6. Обратные тригонометрические функции
Определение. Функции
w Arcsinz, w Arccosz, w Arctgz, w Arcctgz определяются как
функции, обратные по отношению к тригонометрическим функциям
w sinz, w cosz, w tgz, w ctgz соответственно и называются
обратными тригонометрическими функциями комплексного переменного.
Пример 1. Вычислить Arctgz, z x.
Пример 2. Решить 12cosz 13 0.
4.7 Обратные гиперболические функции
Определение. Функция, обратные функциям
z shw, z chw, z thw, z cthw, называются соответственно
аркгиперболическим синусом, аркги-перболическим косинусом,
аркгиперболическим тангенсом, аркгиперболи-ческим котангенсом и
обозначаются так: w Arshz, w Archz, w Arthz, w Arcthz .
4.8. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 6:
Интегрирование функции комплексного переменного
Chương V, Mục:V.1-V.4
Tiết thứ: 26-30 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Định nghĩa tích phân, định lý tích phân Cosi cho miền đơn và đa liên và một
số tính chất .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 4t; BT: 1t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 5.
Интегрирование функции комплексного переменного
5.1. Определение интеграла
Определение. Предел суммы n при kmax z 0, если он существует и
конечен , называется интегралом от функции f z по кривой (вдол
кривой) и обозначается символом f z dz, т.е.
k
n
k kmax z 0
k 1
lim f z f z dz.
Теорема. Если кусочно-гладкая , а однозначная функция w f z
неп-рерывна на , то интеграл на пути интегрирования существует.
5.2. Вычисление интеграла.
Положим z x iy, f z u x,y iv x,y ,
Таким образом, вычисление интеграла сводится к вычислению двух
криволинейных интегралов второго рода от действительных функций:
f z dz u x,y dx v x,y dy i v x,y dx u x,y dy.
Если зададим кривую параметрическими уравнениями:
z t x t iy t , t , , a z , b z .
Тогда
' 'f z dz u x t ,y t iv x t ,y t x t iy t dt
'f z t z t dt.
Пример 1. Вычислить z 2z dz, где отрезок прямой от z 0 до
z 1 i.
Пример 2. Найти dz
,z a
где a , кривая окружность z a в
положительном направлении.
5.3. Теорема Коши для односвязной области
Теорема Коши 1. Если функция f z аналитическая в односвязной
области D, то интеграл от f z вдоль любой кусочно-гладкой замкнутой
жордановой кривой D равен нулю, т.е.
f z dz 0.
Следствие 1. Для любых кусочно-гладких жордановых кривых в D и
имеющих общее начало a и общий конец b , то b
a
f z dz принимает один и
то же значние.
Следствие 2. Если функция f z аналитическая в односвязной
области D, то
z
a
f d F z ,
Рассматриваемый в зависимости переменного верхнего предел z, таже
явля-ется аналитической функцей в D, причем
z
'
a
dF z f d f z .
dz
Определение. Функция z , f z аналитическая в области D,
называ-ется первообразной функции f z , если ' z f z , z D.
Следствие 3. Если функция f z аналитическая в области D, то для
любых двух фиксированных точек a D и b D справедива формула
Ньютона-Лейбница:
b
b
aa
f z dz F z F b F a ,
где F z произвольная первообразная функция для f z .
Пример. Вычислить
i2
1
z dz.
Решение. Так как подыинтегральная функция 2z аналитическая на ,
то имеем
ii 32
1 1
z 1z dz 1 i .
3 3
5.4. Теорема Коши для многосвязной области
Теорема Коши 2. Пусть область D n 1 связная область, граница L
которой представляет собой совокупность попарно не пересекающихся
зам-кнутых кусочно-гладких жордановых кривых 0 1 nL ,L ,...,L , причем
0L внешняя кривая, 1 2 nL ,L ,...,L внутренние кривые. Если w f z
аналити-чная в замк-нутой D, то интеграл от f z вдоль L равен нулю.
Граница Lобходится в одном направлении, т.е.
0 k
n
k 1L L L
f z dz f z dz f z dz 0,
И ли
0 k
n
k 1L L
f z dz f z dz.
Пример. Вычислить n
0
L
z z dz,
где n , L кусочно-гладких замк-
нутая жорданова кривая, содержащая точку 0z внутри себя.
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 7: (продол.)
Интегрирование функции комплексного переменного
Chương V, Mục:V.5-V.8
Tiết thứ: 31-35 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Công thức tích phân Cosi, và 1 số áp dụng .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
5.5. Интегральная формула Коши
Теорема 3. Пусть f z аналитическая в некоторой области
G, L замк-нутая кусочно-гладкая жорданова кривая, принадлежащая
области G вместе со своей внутренней областью D. Тогда для любой
точки 0z справедлива формула
00
L
f z1f z dz,
2 i z z
называемая интегральной формулой Коши, (т.е. можно наитй значения
ана- литической функции контура L через значения той же функции на
контуре L. )
5.6. Вычисление интегралов по замкнутой кусочно-гладкой
жордановой кривой
Примеры. 1. n
L
z dz 0, n 0,1,2...;
2. z
L
e dz 0;
3.
L
sin zdz 0;
4.
L
shzdz 0,
где L произвольная кусочно-гладкая жорданова
кривая.
Пример 5. Вычислить 2
z 2
dz.
z 1
Пример. Вычислить 2
z 2
coszdz.
z 5z
5.7. Бесконечная дифференцируемость аналитической функции
Теорема. Функция f z , аналитическая в области D, имеет
производные любого порядка в этой области, и ее производная n ого
порядка находится по формуле:
n
n 1
L
fn!f z d , n 1,2...
2 i z
где L замкнутая кусочно-гладкая жорданова кривая, принадлежащая
D вместе со своей внутренней областью.
Из теоремы следует, что производная 'f z аналитической функции
f z является аналитической функцей. И, более того, производная n
f z
для любого n является аналитической функцей.
Пример. Вычислить 4
z 2
sin zdz.
z
5.8. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 8: Ряды
Chương VI, Mục:VI.1-VI.5
Tiết thứ: 36-40 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Chuỗi lũy thừa và một số tính chât, và 1 số áp dụng .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 4t; BT: 1t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 6. Ряды
6.1. Числовые ряды
Пусть последовательность nz коплексных чисел 1 2 nz ,z ,...,z ,.. . Символ
k 1 2 n
k 1
z z z ... z ...
(1)
называют комплексным числовым рядом. n
n k
k 1
S z
называется
частичной суммой ряда (1).
Определение 1. Если nnlim S S
конечный, то ряд (1) называется
сходящимся, и S называется суммой ряда. Если nS не имеет конечного
предела или не существует, то ряд (1) называется расходящимся.
Запишем частичную сумму:
n n n n
n k k k k k
k 1 k 1 k 1 k 1
S z x iy x i y ;
так как S a ib, то
n n
k kn n
k 1 k 1
a lim x , b lim y .
Ряд (1) называется абсолютно сходящимся, если ряд k
k 1
z
сходится. И
так, абсолютно сходящийся ряд сходится.
1. Признак сравнения. Если k kz w для 0k n и ряд k
k 1
w
сходится, то ряд k
k 1
z
сходится.
2. Признак Даламбера. Если n 1
n n
zlim q,
z
то ряд k
k 1
z
сходится при
q 1 и расходится при q 1.
3. Признак Коши. Если nn
nlim z q,
то ряд k
k 1
z
сходится при q 1
и расходится при q 1.
Пример. Исследовать сходимость
n
nn 1
n 1 i.
2
6.2. Функциональные ряды
Пусть на некотором множестве G определена последовательность
nf z функий . Ряд
k 1 2 n
k 1
f z f z f z ... f z ...
(3)
называется функциональным.
Определение 1. Ряд (3) называется сходящимся на множестве D G,
если он сходится в каждой точке z D.
Множество D называется областью сходимости функционального ряд (3).
На множестве D определена сумма ряда
n
n kn n
k 1
S z lim S z lim f z ,
(4)
где nS z n я частичная сумма ряда (3).
Определение 1. Ряд (3) называется равномерно сходящимся на
множестве D G, если
0 0 n0 и z D, n : n n S z S z , где
S z сумма функционального и nS z n я частичная сумма ряда (3).
Разность n n k
k n 1
S z S z R z f z
называется остатком ряда (3).
Теорема 1. Если g z ограниченная по модулю на множестве D, то
ряд k
k 1
g z f z
сходится равномерно в области равномерной сходимости
D ряда (3).
Теорема 2. (признак Вейерштрасса). Если в области сходимости D для
всех z D члены nf z функционального ряда (3), начиная с некоторого
0n , удовлетворяют условию n nf z a и ряд
0
k
k n
a
сходится, то ряд (3)
сход-ится равномерно в области D .
Теорема 3. (критерий Коши). Для того чтобы ряд (3) сходился в области
сходимости D,необходимо и достаточно чтобы 0, 0n : z D и
для всех 0n n и m выполнялось неравенство
n m nS z S z .
Пример. Рассматривать ряд 2 n1 z z ... z ...
6.3. Свойства равномерно сходящихся рядов
Теорема 1. Если члены функционального ряда (3) является
непрерывными функциями в области D и ряд сходится равномерно в D ,
то его сумма S z непрерывна в D .
Теорема 2. Если члены ряда (3) непрерывны на некоторой кусочно-
гладкой дуге L и ряд на дуге L сходится равномерно, то ряд (3) можно
полученно интегрировать вдоль этой дуги, т.е.
n
n 1L L
S z dz f z dz.
(5)
Теорема 3. Если члены ряда (3) является аналитическими функциями в
D и ряд сходится равномерно в D , то его сумма S z является
аналитическими функциями в D .
Теорема 4. Если члены ряда (3) является аналитическими функциями в D и
ряд в D сходится равномерно к S z , то ряд (3) можно дифференцировать
полученно любое число раз в области D :
m mk
k 1
S z f z ,
(7)
где m любое.
6.4. Степенные ряды
Функциональный ряд вида
n n
0 1 0 n 0 n 0
n 0
c c z z ... c z z ... c z z ,
(8)
называется степенным рядом, числа 0 1 nc ,c ,...,c ,..называют коэффициен-
тами степенного ряда.
Теория 1. Если ряд (8) сходится в точке 1z ( 0z ), то он абсолютно сход-
ится в круге 0 1 0z z z z . Если ряд (8) расходится в точке 2z , то он
расходится во всех точках z, для которых 0 2 0z z z z .
Теория 2. Если область сходимости степенного ряд (8) не вырождается
в точку 0z и не совпадает с плюскостью , то существует положительное
чи-сло R такое, что ряд (8) сходится абсолютно при 0z z R, а
расходится при 0z z R . Открытый круг 0z z R называеся кругом
сходимости степен-ного ряда, а R радиусом сходимости степенного
ряда.
Теория 3. Если для последовательности 0 1 nc , c ,..., c ,... составленной
из коэффициентов степеного ряда (8), существует предел
n 1
n n
clim ,
c
то радиус сходимости ряда (8) равен 1
R , при этом полагают R 0 при
и R при 0 .
Теория 4. Если для последовательности nc составленной из
коэффици-ентов степеного ряда (8), существует предел
nn
nlim c ,
то радиус сходимости ряда (8) равен 1
R .
Если , то R 0 и ряд сходится только в точке 0z .
Если 0 , то R и ряд сходится абсолютно на .
Примеры. Найти радиус сходимости следующих:
n0
n 1
z z,
n
n
0
n 0
z z,
n!
n0
n 0
n! z z .
6.5. Свойства степенных рядов
Теорема 1. Степенной ряд (8) в области сходимости 0z z R
сходится равномерно в любом круге 0z z , где R.
Теорема 2. Сумма степенного ряда (8) в круге сходимости 0z z R
яв-ляется аналитической функцией.
Теорема 3. Степенной ряд (8) в круге сходимости 0z z R можно
поч-ленно дифференцировать любое число раз. Полученные при этом
степенные ряды
n 1'
1 2 0 n 0S z c 2c z z ... nc z z ...
n 2"
2 3 0 n 0S z 2c 3.2c z z ... n n 1 c z z ...
..............................
n ppn 0
n p
S z n n 1 ... n p 1 c z z
имеют тот же круг сходимости, что и ряд (8).
Теорема 4. Степенной ряд (8) можно почленно интегрировать в круге
сходимости 0z z R
0
z2 n 11 n
0 0 0 0
z
c cS d c z z z z ... z z ...
2 n 1
где 0z z любая точка круга сходимости. Полученный степенной ряд
имеет тот же радиус сходимости R.
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 9: Ряды
Chương VI, Mục:VI.6-VI.8
Tiết thứ: 41-45 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Khai triển thành chuỗi Taylo và 1 số áp dụng .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
6.6. Ряд Тейлора
Теорема. Функция f z , аналитическая в открытом круге 0z z R,
представима в виде суммы степенного ряда
n
n 0 0
n 0
f z c z z , z z R,
(9)
где
n
00n 0 0
f zc , n 0,1,2... f z f z
n! (10)
Представление функции f z степенным рядом (9) называют
разложением функции в степенной ряд.
6.7. Нули аналитической функции
Определение 1. Точка 0z из области определения функции f z
называется нулем функции f z , если 0f z 0.
Пусть f z аналитична в окрестности своего нуля 0z z , причем
f z 0.
Тогда разложим f z в ряд Тейлора в окрестности 0z z , коэффициенты
которого не все равны нулю:
m m 1 m
m 0 m 1 0 m 0f z c z z c z z ..., c f z 0.
(14)
Число m в разложении называется кратностью нуля 0z аналитической
f z . Если m 1, то точка 0z называется простым нулем f z .
Определение 2. Точка z называется нулем функции f z , если
z
f lim f z 0.
Теорема 1. Если аналитическая функция f z 0 и 0z является нулем
функ-ции кратности m, то существует окрестность 0z z , в которой f z
не имеет других нулей.
Теорема 2. Если две аналитические в области D функции 1f z и
2f z совпадают на некоторой последовательности точек 1 2 nz ,z ,...,z ,..
сходяцейся к точке 0z , то функции 1f z и 2f z равны между собой в
области D.
6.8. Разложение функций в ряд Тейлора
Используя аналитическое продолжение, нетрудно показать
справедливость разложений:
Пример 1. Разложить функцию действительную 2
1f x
1 x
в ряд
Тейлора по степеням x .
Пример 2. Разложить функцию действительную в ряд Тейлора по x :
21/xe при x 0
f x0 при x 0
Пример 3. Найти первые три члена разложения в ряд Тейлора функции
в окрестности точки 0z 0 функции z
1f z .
1 e
Пример 4. Найти разложение в ряд Тейлора функции в окрестности
точки 0z 0 по степеням z функции 2f z cosz .
Пример 5. Разложить в ряд Тейлора по степеням z функции
1
f z .1 z
Пример 6. Разложить функции
z 8f z
3 z z 2
в ряд Тейлора в
окрестности 0z 1 .
Пример 7. Разложить функции 2 2
13f z
z 4 z 9
в ряд Тейлора в
окрестности 0z 0 .
6.9. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
-
Bài giảng 10: Ряд Лорана
Chương VII, Mục:VI.6-VI.8
Tiết thứ: 46-50 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Khai triển thành chuỗi Lorang , .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
Глава 7. Ряд Лорана
7.1. Понятие ряда Лорана
7.2. Разложение функции в ряд Лорана
Теорема Лоранна. Если f z аналитична в (3), то существует единстве-
нное раэложение функции f z в ряд Лорана (4), где
n n 1
0L
f z dz1c , n 0, 1,...
2 i z z
(5)
где L окружность радиусом 0z z , r R.
Пример 1. Найти все возможные разложенния функции в ряд Лоранна
по степеням z :
1f z .
z 2 z 3
Выводы. Пусть f z аналитична на за исключением нескольких
изоли-рованных особых точек.
1. Пусть 0z точка аналитичности f z . Разложить f z в ряд Лорана
по степеням 0z z . Проведем окружности с центром 0z через все
особые точки. Комплексная будет разделит на области: а) круг
сходимости ряда Тейлора 0 1z z r , окружность 0 1z z r проходит
через ближай-шую к точке 0z особую точку(может быть несколько).
б) круговые ко-льца, в которых функция f z разлагается а ряд
Лорана. Коэффициен-ты nc в общем случае находятся по формуле
(8).
2. Пусть 0z особая точка функции f z . В этом случе применяем
теор-ему разложения функции в ряд Лорана вырожденном круговом
кольце 0 10 z z r .
3. Пусть f z правильная добро-рациональная функция
m m 1
0 1 mn n 1
0 1 n
a z a z ... af z , m n.
b z b z ... b
Известно, что любую правильную добро-рациональную функцию
f z
можно разделить на сумму простейших дробей вида s
sn
s
A,
z z где
sA некоторые числа, sz корни многчлена в знаменателе кратности
sn .
Разложение f z в ряд Лорана простейших дробей s
sn
s
A.
z z
Пример 2. Разложть 1
f z sinz 2
в ряд Лорана в окрежности точки
0z 2 .
7.3. Особые точки и их классификация
Пусть f z аналитична в кольце 00 z z R, в точке 0z не является
ана-литической . Точка 0z называется изолированной особой точкой
функции f z . По теореме Лорана f z разлагается в кольце в ряд Лорана
(4) . Ряд (4) используется для классификации изолированных особых
точек (три типа):
Определение 1. Изолированная особая точка 0z функции f z
называется устранимой особой точкой, если в ряд Лорана не сожерит
главной части, т.е. n
n 0
n 0
f z c z z .
Определение 2. Изолированная особая точка 0z функции f z
называется полюсом, если в ряд Лорана, главная части сожерит конечное
число слагае-мых, т.е.
1
n nn 0 n 0
n m n 0
f z c z z c z z .
( m 1, то 0z называется простым)
Определение 3. Изолированная особая точка 0z функции f z называется
существенно особой точкой, если в ряд Лорана, главная части сожерит
беско-нечное число слагаемых, т.е.
1
n nn 0 n 0
n n 0
f z c z z c z z .
Теорема 1. Для того чтобы 0z была устранимой особой точкой функции
f z , аналитической в кольце 00 z z R, необходимо и достаточно,
чтобы существовал конечный предел
0z z
lim f z A.
(12)
Пример 1.
Теорема 2. Для того чтобы 0z была полюсом функции f z ,
аналитичес-кой в кольце 00 z z R, необходимо и достаточно, чтобы
существовал конечный предел
0z z
lim f z .
Теорема 3. Для того чтобы 0z была полюсом порядка m функции f z ,
необходимо и достаточно, чтобы она была нулем кратности m функции
1
z .f z
Теорема 4. Если 0z -существенно особая точка функции f z , то для
любого комплексного числа A ( A не исключается) существует такая
последовательность точек nz , сходится к 0z ,чтобы nnlim f z A.
Пример 2. 1
f z cosz 2
имеет существенно особую точку 0z 2,
Теорема 5. Если для любого заданного числа A существует
n 0z z что последовательность nf z значений аналитической в
кольце 00 z z функции f z стремится к A , то точка 0z является
существенно особой точкой функции f z .
Пример 3. Показать что 1/zf z e имеет существенно особую точку
0z 0.
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 11: Ряд Лорана
Chương VII, Mục:VI.6-VI.8
Tiết thứ: 51-55 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Khai triển chuỗi Lorang trong 1 lân cận nào đó và 1 số vi dụ .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
7.4. Разложение аналитической функции в ряд Лорана в окрестности
бесконечно удаленной точки
Пример 1. 1
w .5 z
Пример 2. f z cosz.
7.5. Целые и мероморфные функции
Определение 1. Целое функцией называется функция f z ,
аналитическая на .
На точка z является единственной особой точкой. Лорановское
разло-жение в окрестности z R точка z имеет
nn
n 0
f z c z .
(16)
1. Если z является устраннмой особой точкой функции f z , то
0f z c , т.е. целая функция является постоянной.
2. Если z есть полюс порядка m , то m
nn
n 0
f z c z ,
т.е. целая
функция является полиномом.
3. Если z есть существенно особая точка функции f z , то
nn
n 0
f z c z ,
т.е. целая функция называется трансцендентной
функцией.
Пример. Функции zsinz, cosz, e являются целыми трансцендентными
функциями.
7.6. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 12: Вычеты и их приложения
Chương VIII, Mục:VIII.1-VIII.6
Tiết thứ: 56-60 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Định nghĩa thặng dư, và các tính chất.
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính: Глава 8. Вычеты и их приложения
8.1. Определение вычета
Пусть f z аналитична в области D за исключением , быть может,
точки 0z .
Определение. Вычетом функции f z в точке 0z называется число,
обоз-начаемое символом 0Ref z и равное L
1f z dz,
2 i
где
L D произволь-ная кусочно-гладкая замкнутая жорданова кривая,
обходимая а положитель-ном направлении и содержащая точку 0z внутри
себя.
Таким образом, 0
L
1Resf z f z dz.
2 i
(1)
8.2. Основной прием вычисления вычета
Теорема. Вычетом f z в изолированной особой точке 0z равен коэфф-
ициенту 1c ряда Лорана функции f z в окрестности 0z :
0 1Ref z c . (2)
Пример 1. Найти вычет 1/zf z ze в особой точке 0z 0.
Пример 2. Найти вычет 1
f z zcosz 2
в особой точке 0z 2.
8.3. Вычисление вычета функции в полюсе
Рассмотрим случай простого полюса 0z функции f z . Ряд Лорана
имеет вид: n1
n 00 n 0
cf z c z z .
z z
Тогда
0 0
n 10 1 n 0
z z z zn 0
lim z z f z lim c c z z .
Отсюда 0
0 1 0z z
Resf z c lim z z f z .
(4
Пример 1. Найти вычет ze
f zz 1
в особой точке 0z 1.
Пример 2. Найти вычет
2
3
zf z
z 1
в особой точке 0z 1.
8.4. Вычет функции в бесконечно удаленной точке
Определение.
Теорема. Вычет f z в бесконечно удаленной точке z равен 1c
при 1
z лорановского разложения функции f z в точке z .
Пример 1. Найти вычет f z , если z является устранимой особой
точкой.
Пример 2. Найти вычет 1/zf z e , если z является устранимой
особой точкой.
Отсюда Resf 1.
Пример 3. Найти вычет f z cosz , в точке z .
2 2nnz z
cosz 1 ... 1 ...2! 2n !
Точка z будет существенно особой точкой. 1Resf c 0.
Пример 4.
8.5. Основная теорема о вычетах
Теорема 1.(Коши). Если f z аналитична в ограниченной области D за
исключением конечного числа точек kz D, k 1,n, то
n
k
k 1L
f z dz 2 i Resf z ,
(9)
где L D произвольная кусочно-гладкая жорданова закнутая кривая,
содержащая внутри себя все особые точки kz , k 1,n.
Пример 1. Вычислить с помощью вычетов
2 2
L
dz,
z 1 z 1 где L окружность: 2 2x y 2x 2y 0.
Теорема 2. Если f z аналитична на за исключением конечного
числа изолированных особых точек 1 2 n n 1z ,z ,...,z ,z , то
n 1
k
k 1
Resf z 0.
(10)
Пример 2. Вычислить 2
z 2
zdz.
z 1 z 1
8.6. Логарифмический вычет
Пусть f z аналитическая в области D всюду, кроме конечного числа
изолированных особых точек. Функция
'f zg z
f z (11)
называется логарифмической производной функции f z .
Определение. Логарифмическим вычетом функции f z в точке
0z D называется вычет в этой точке логарифмической производной
функции f z .
Теорема 1. Если аналитическая функция f z имеет в точке 0z нуль
кратности m, то ее логарифмическая производная (11) в этой точке имеет
простой полюс.
Следствие 1. Если аналитическая функция f z имеет в точке 0z нуль
кратности m, то
'0
00
f zResg z Res m.
f z
Теорема 2. Если 0z полюс функции f z порядка m, то ее логарифми-
ческая производная (11) в этой точке имеет простой полюс.
Следствие 2. В полюсе порядка m особой точки 0z функции f z ее
лога-рифмический вычет равен m , т.е. 0Resg z m.
Пример. Найти логарифмический вычет функции
2
3
z 4f z
z 2 z 1
в
нулях и полюсах.
Теорема 3. Пусть f z аналитична в односвязной области D за
исключе-нием конечного числа полюсов и пусть L D произвольная
жорданова зам-кнутая кусочно-гладкая кривая, не проходящая через
особые точки. Если внутрии замкнутого контура Lимеются m нулей
kz кратности k и n полусов kc кратности k , то логарифмический вычет
функции f z по контуру L вычисляется по формуле:
' m n
k s
k 1 s 1L
f z1dz N P
2 i f z
(12)
где N и P соответственно число нулей и полюсов функции f z внутри
контура L .
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 13: Вычеты и их приложения (tiếp)
Chương VIII, Mục:VIII.7-VIII.8
Tiết thứ: 61-65 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Ứng dụng thặng dư để tính tích phân .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
8.7. Применение вычетов к вычислению интегралов
1. Вычисление интегралов от функции комплексного переменного
Применяя формулу (9) и (10) , вычисляют интегралы по контуру L.
Пример. Вычислить
2
z 2
zdz.
z 1 z 1
2. Вычисление интегралов вида 2
0
R sin x,cosx dx
, где R рациональ-
ная функция от sin x и cosx. Выражаем sin x и cosx по формуле Эйлера:
ix ix ix ixe e e e
sin x , cosx .2i 2
Замена ixz e , 1 1
ix dz z z z zdz ie dx, dx , sin x , cosx ,
iz 2i 2
то
2
0 z 1
1 1 1 1 dzR sin x,cosx dx R z , z ,
2i z 2 z iz
Предлагая , что на окружности z 1 нет особых точек, применяем
формулу (9) .
Пример. Вычислить
2
0
2 cosxdx.
2 sin x
Следовательно, 2
0
2 cosx 4dx 2 i Resf 0 Resf 2 3 .
2 sin x 3
3. Вычисление несобственных интегралов вида f x dx.
Пуст функция f x является рациональной функцией
P xf x ,
Q x
причем degQ x degP x 2, и Q x не имеет нулей на действительной
оси. Так как f x является аналитической функцией в верхней
полуплюскости Imz 0 всюду, кроме полюсов kz функции f x . Тогда
k
k
f x dx 2 i Resf z .
(15)
4. Лемма Жордана и ее применение к вычислению интегралов
Лемма. Пусть правильная дробь f z аналитична в полуплюскости
Imz 0 за исключением полюсов, расположенных в области Imz 0.
Тогда для любого 0 имеем
1
i z
RL
lim f z e dz 0,
(16)
где 1L верхняя полуокружность с радиусом R , что все полюсы функции
расположенные в области Imz 0, находятся внутри контура L.
Теорема. Пусть f z удовлетворяет условиям леммы Жордана, тогда
i x i zk
k
f x e dx 2 i Res f z e ,z ,
(17)
где вычеты вычисляются по всем полюсам kz функции f x в области
Imz 0.
Пример 1. Вычислить 2
4
x dx.
x 1
Пример 2. Вычислить 2
0
cos4xdx.
x 9
Пример 3. Вычислить 2
0
xsin 4xdx.
x 9
Пример 4. Вычислить
0
sin xdx.
x
(дамошное задание)
8.8. Задачи
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 14: Основы операционного исчисления
Chương IX, Mục:IX.1-IX.4
Tiết thứ: 66-70 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Giới thiệu về toán tử Laplax và 1 số tính chất.
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính: Глава 9. Основы операционного исчисления
9.1. Понятие преобразования Лапласа
Некоторой функции x t действительного переменного t называемой
оригиналом, ставится в соотвествие другая функция X p комплексного
переменного p , называемая изображением функции x t , по формуле
pt
0
X p x t e dt.
(1)
Преобразование (1) называется преобразованием Лапласа,
несобственный интеграл, называется интегралом Лапласа. Процесс
нахождения изображения для заданого оригинала x t и нахождения
изображения по заданому изобра-жению X p называется операционным
исчислением.
Для связи изображения X p и соответствующего оригинала x t
вводятся различные обозначения:
x t ≑ X p , X p x t , x t X p , L x t X p .
Определение. Оригиналом называется функция x t , удовлетворяющая
следующим условиям:
а) x t 0 при t 0.
б) Функция x t кусочно-непрерывна на любом промежутке при t 0.
с) Существуют такие действительные числа 0s и M 0, что для всех
t 0 выполняется неравенство
0s tx t Me , (2)
Число 0s называется показателем роста функции x t .
Пример1
Пример 2. Функции 2t1 t .t, 1 t sin t, 1 t e оригиналы и будем писать
2tt, sin t, e .
9.2. Сходимость интеграла Лапласа
Теорема 1. Лапласа сходится абсолютно в полуплоскости 0Rep s , где
0s показатель роста оригинала x t .
Теорема 2. Интеграл Лапласа сходится равномерно в полуплоскости
1 0Rep s s s .
Теорема 3. Если x t оригинал, то его изображение X p является
аналитической функцией в полуплоскости 0Rep s и
' pt
0
X p tx t e dt.
(3)
Теорема 4. Если x t оригинал, то Rep
lim X p 0.
Теорема 5. Если изображение X p аналитично в бесконечно
удаленной точке p , то plim X p 0.
9.3. Основные свойства преобразования Лапласа
1. Линейность. Если 1 1 2 2 n nx t X p , x t X p ,...,x t X p , то
для любых комплексных чисел 1 2 n, ,..., :
n n
k k k k
k 1 k 1
x t X p .
2. Подобие. Если x t X p , то для любого a 0 :
1 p
x at X .a a
3. Изображение производных. Если n'x t ,x t ,...,x t оригинал и
x t X p , то:
'
" 2 '
n n 1n n 1 n 2 '
x t p.X p x 0 ,
x t p X p px 0 x 0 ,
.......
x t p X p p x 0 p x 0 ... x 0 ,
(4)
где k k
t 0x 0 lim x t , k 0,n 1.
4. Изображение интеграла. Если x t X p , то t
0
x d также
является оригиналом и
t
0
X px d .
p (5)
5. Запаздывание оригинала. Если x t X p и x t 0 при
t , где 0 , то px t e X p , т.е. запаздыванию оригинала на
соответствует умножение его изображения на pe .
6. Смещение изображения. Если x t X p то для любого числа
te .x t X p .
7. Изображение свертки. Сверткой кусочно-непрерывных функции x t
и y t называется функция t
0
x y t d и обозначается x y :
t
0
x y x y t d .
Не трудно докажем, что x y y x.
Теорема. Если x t и y t оригиналы, то функция
t
0
t x y x y t d
Также оригинал и свертка x y X p .Y p , где
X p x t ,Y p y t .
Следствие. Пусть x t X p , y t Y p , 'y t pY p y 0 .
Тогда имеет место формула Дюамела
t
'
0
pX p Y p x t y 0 x y t d .
8. Дифференцирование изображения. Так как X p является
аналитической функцией в полуплоскости 0Rep s , то функция X p
дифференцируема бесконечное чило раз и
nn nX p 1 t x t . (6)
9. Интегрирование изображения. Если x t X p и x t
tоригинал,
то
p
x tX q dq,
t
где пусть интегрирования находится в полуплоскости 0Rep s .
Следствие.
0 0
x tdt X q dq,
t
если сходятся несобственные
интегралы.
9.4. Изображения некоторых простейщих функций
- Yêu cầu SV chuẩn bị:
Nắm kiến thức cơ bản, hiểu, làm bài tập đã cho.
- Ghi chú: Ghi tên các tài liệu tham khảo(TL1, TL2.....)
Bài giảng 15: Основы операционного исчисления (продол.)
Chương IX, Mục:IX.5-IX.7
Tiết thứ: 71-75 Tuần thứ:
- Mục đích, yêu cầu:
* Ứng dụng phép biến đổi Laplax .
* Vận dụng giải 1 số bài tập đơn giản
- Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết, thảo luận, tự học, tự nghiên cứu
- Thời gian: LT: 3t; BT: 2t, Tự học: 3t
- Địa điểm: Giảng đường
- Nội dung chính:
9.5. Восстановление оригинала по известому изображению
а) Задача. Восстановить оригиналов по изображению
m
n
P pX p ,
Q p где mP p и nQ p многчлены степерней m и n, причем
m n.
Решение. Дробь X p представляем в виде суммы простейших дробей
вида:
k 2 r2
A A Mp N Mp N, , , ,
p a p bp qp a p bp q
где
A, M, N, a, b, q числа, k N и r N, k 1, r 1, а 2p bp q имеет
комплексные корни. Для каждой дроби, используя изображения и их
свойства из 9.4, находим ее оригинал, затем находим оригинал x t .
Пример 1. Найти x t по изображению 4
pX p .
p 1
б) Теорема 1. Если x t оригинал, а X p его изображение, то в
любой точке непрерывности функции x t имеет место формула
a i
pt
a i
1x t X p e dp,
2
(7)
где действительное число 0a s , интеграл понимается в смысле главного
значения, 0s показатель роста оригинала x t .Формула (7) называют
фор-мулой обращения преобразования Лапласа или формулой Меллина.
Первая теорема разожения.
Если изображение X p аналитично в окрестности p и имеет разло-
жение в ряд Лорана:
kk
k 1
cX p ,
p
то оригинал вычисляется по формуле:
k 1
k
k 1
tx t c .
k 1 !
(11)
Вторая теорема разложеня.
Если изображение X p имеет конечное число особых точек
1 2 np ,p ,...,p в полуплюс кости 0Rep s , то оригиналом x t является
функция
n
ptk
k 1
x t Res X p e ,p
(12)
Следствие. Если
m
n
P pX p ,
Q p где mP p и nQ p многчлены
соответст-венно степеней m и n , и если m n, то
k
k
kk
s 1rs pt
ks 1p pkk 1
1 dx t lim p p X p e ,
s 1 ! dp
(13)
где 1 2 np ,p ,...,p корни nQ p с кратностями соответственно 1 2 rs ,s ,...,s .
Пример 2. Найти оригинал функции 1/p1X p e .
p
Пример 3. Найти оригинал
2
5p 3X p .
p 1 p 2p 5
9.6. Решение дифференциальных уравнений и систем дифференциаль-
ных уравнений
Задача 1. Наитй частное решение с постоянными коэффициентами
n n 1 '
0 1 n 1 na x a x ... a x a x f t
(14)
Удовлетворяющее условиям n 1'0 1 n 1x 0 x ,x 0 x ,..,x 0 x
, где
0 1 na ,a ,...,a постоянные коэффициенты, f t оригинал, x t искомая
фун-кция.
Пример1. Решить " 'x x t, x 0 0,x 0 1.
Решение. 2
2 2
1 1p X p 1 X p X p .
p p Следовательно x t t.
Пример 2. Решить " 'x 4x 2cos2t, x 0 0,x 0 4.
Решение. 1
x t 2sin 2t tsin 2t.2
Задача 2. Найти частное решение
n
'm mk k m
k 1
x a x f t , m 1,n
(15)
Удовлетворяющее началым условиям
1 10 2 20 n n0x 0 x ,x 0 x ,...,x 0 x , а mf t , m 1,n оригиналы и
kx t , k 1,n искомое решение системы (15).
Пример 3. Решить задачу
'
'
x 2x 4y cos t
y x 2y sin t
x 0 y 0 0.
9.7. Задачи
Tài liệu tham khảo.
Пн Наименнование литер.
Автор Год изд.
Изд- ство
Гос- ство
1 Теория функций Е. Титчмарш 1980 Наука- Москва
Россия
2 Функции комплексной переменной и
преоб- разование
Лапласа
Фан Ба Нгок 1980 В&С Об.
Вьетнам
3 Функции одной комплексно
й
переменной
Дау Тге Кап 1999 Образ. Вьетнам
4 Высшая математика. Я. С. Бугров, С. М.
Никольски
й
1980, 1981
Наука- Москва
Россия
5 Методы теории функции комплексного переменного ппперемен переменной и
Лаврентьев М.А и Шабат Б.В
1987 М. Наука
Россия
6 Теория функции комплексного переменного
Морозова В.Д.
2000 М. Изд-во МГТУ
Россия
7 Сборник задач по теории функций комплесного...
Волковыский Л.И.
1975 М. Наука
Россия