Вычет (комплексный анализ)
Вы́чет в ко́мплексном анализе — объект (число, форма или когомологический класс формы), характеризующий локальные свойства заданной функции или формы.
Теория вычетов одного комплексного переменного была в основном разработана Коши в 1825—1829 годы. Кроме него, важные результаты были получены Эрмитом, Сохоцким, Линделёфом. В 1887 году Пуанкаре обобщил интегральную теорему Коши и понятие вычета на случай двух переменных[1], с этого момента и берёт своё начало многомерная теория вычетов. Однако оказалось, что обобщить это понятие можно различными способами.
Для обозначения вычета аналитической функции в точке применяется выражение (от лат. residuum). В русскоязычной литературе иногда обозначается как [2].
Одномерный комплексный анализ
[править | править код]Вычет функции
[править | править код]Вычетом мероморфной функции в изолированной особой точке называется единственное число такое, что функция имеет аналитическую первообразную в кольце .
Для комплекснозначной функции в области , регулярной в некоторой проколотой окрестности точки , её вычетом в точке называется число:
- .
В силу голоморфности функции в малой проколотой окрестности точки по теореме Коши величина интеграла не зависит от при достаточно малых значениях этого параметра, так же как и от формы пути интегрирования. Важно только то, что путь является замкнутой кривой в области аналитичности функции, один раз охватывающей рассматриваемую точку и никаких других точек не принадлежащих области голоморфности .
В некоторой окрестности точки функция представляется сходящимся рядом Лорана по степеням . Нетрудно показать, что вычет совпадает с коэффициентом ряда при . Часто это представление принимают за определение вычета функции.
Вычет в «бесконечности»
[править | править код]Для возможности более полного изучения свойств функции вводится понятие вычета в бесконечности, при этом она рассматривается как функция на сфере Римана. Пусть бесконечно удалённая точка является изолированной особой точкой , тогда вычетом в бесконечности называется комплексное число, равное:
- .
Цикл интегрирования в этом определении ориентирован положительно, то есть против часовой стрелки.
Аналогично предыдущему случаю вычет в бесконечности имеет представление и в виде коэффициента лорановского разложения в окрестности бесконечно удалённой точки:
- .
Вычет дифференциальной формы
[править | править код]С точки зрения анализа на многообразиях вводить специальное определение для некоторой выделенной точки сферы Римана (в данном случае, бесконечно удалённой) неестественно. Более того, такой подход затруднительно обобщить на более высокие размерности. Поэтому понятие вычета вводится не для функций, а для дифференциальных -форм на сфере Римана:
- .
На первый взгляд разницы в определениях никакой, однако теперь — произвольная точка , и смена знака при вычислении вычета в бесконечности достигается за счёт замены переменных в интеграле.
Логарифмические вычеты
[править | править код]Интеграл называется логарифмическим вычетом функции относительно контура .
Понятие логарифмического вычета используется для доказательства теоремы Руше и основной теоремы алгебры.
Способы вычисления вычетов
[править | править код]Согласно определению вычет может быть вычислен как контурный интеграл, однако в общем случае это довольно трудоёмко. Поэтому на практике пользуются, в основном, следствиями из определения.
В устранимой особой точке , так же как и в точке регулярности, вычет функции равен нулю. В то же время для бесконечно удалённой точки это утверждение не верно. Например, функция имеет в бесконечности нуль первого порядка, однако, . Причина этого в том, что форма имеет особенность как в нуле, так и в бесконечности.
В полюсе кратности вычет может быть вычислен по формуле:
- ,
частный случай
- .
Если функция имеет простой полюс в точке , где и голоморфные в окрестности функции, , , то можно использовать более простую формулу:
- .
Очень часто, особенно в случае существенно особых точек, удобно вычислять вычет пользуясь разложением функции в ряд Лорана. Например, , так как коэффициент при равен 1.
Приложения теории вычетов
[править | править код]В большинстве случаев теория вычетов применяется для вычисления разного рода интегральных выражений с помощью основной теоремы о вычетах. Часто полезной в данных случаях бывает лемма Жордана.
Вычисления определённых интегралов от тригонометрических функций
[править | править код]Пусть функция — рациональная функция переменных и . Для вычисления интегралов вида удобно использовать формулы Эйлера. Положив, что , и произведя соответствующие преобразования, получим:
- .
Вычисление несобственных интегралов
[править | править код]Для вычисления несобственных интегралов с применением теории вычетов используют следующие две леммы:
1. Пусть функция голоморфна в верхней полуплоскости и на вещественной оси за исключением конечного числа полюсов, не лежащих на вещественной оси и . Тогда
- .
2. Пусть функция голоморфна в верхней полуплоскости и на вещественной оси за исключением конечного числа полюсов, не лежащих на вещественной оси, и . Тогда
При этом интегралы в левых частях равенств не обязаны существовать и поэтому понимаются только лишь в смысле главного значения (по Коши).
Многомерный комплексный анализ
[править | править код]Форма-вычет и класс-вычет
[править | править код]![]() | Этот раздел не завершён. |
Локальный вычет
[править | править код]![]() | Этот раздел не завершён. |
Вычетный поток
[править | править код]![]() | Этот раздел не завершён. |
Примечания
[править | править код]- ↑ H. Poincaré. Sur les résidues des intégrales doubles // Acta Math. — 1887. — № 9. — С. 321—380. — doi:10.1007/BF02406742.
- ↑ Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — 3-е изд., доп. — М.: Наука, 1974. — 320 с.
Литература
[править | править код]- Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. — М.: Наука, 1976.
- Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — М.: Наука, 1979.
- Айзенберг Л. А., Южаков А. П. Интегральные представления и вычеты в многомерном комплексном анализе. — Новосибирск: Наука, 1979.
- Цих А. К. Многомерные вычеты и их применения. — Новосибирск: Наука, 1988.