Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]

Дифференцирование функций комплексного переменного
Онлайн-сервисы Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью Алгоритмы JavaScript Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью Введение в анализ Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика Теория множеств Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия Математическая логика Алгебра высказываний Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции Булевы функции Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций Теория формального Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний Логика предикатов Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов Неформальные и формаль- ные аксиоматические теории Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории Теория алгоритмов Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики Математическая логика и компьютеры Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект Дискретная математика Множества и отношения Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций Группы и кольца Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов Полукольца и булевы алгебры Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки Алгебраические системы Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры Теория графов Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов Булева алгебра и функции Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов Конечные автоматы и регулярные языки Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга Контекстно-свободные языки Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов Интегральное исчисление Неопределённый и определённый Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции Приложения интегралов Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела Интегралы в физике Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике Основные интегралы Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега Вариационное исчисление Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла Финансовый анализ Анализ эффективности Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности Анализ устойчивости Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости Рыночная активность Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию Инвестиционная деятельность Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование Анализ инвестиций Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта Стоимость компании Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций Форвардные контракты Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту Теория вероятностей Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности Математическая статистика Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты Теория очередей (СМО) Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью) Аналитическая геометрия Векторная алгебра Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике Системы координат Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат Геометрия на плоскости Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными Линии 2-го порядка Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты линий Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам Геометрия в пространстве Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве Поверхности 2-го порядка Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты поверхностей Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам Линейная алгебра Матрицы и операции Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц Определители Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей Ранг матрицы Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк) Обратная матрица Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица Системы уравнений Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений Функциональные матрицы Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум Многочленные матрицы Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы Функции от матриц Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц Линейные пространства Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств Подпространства Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств Линейные отображения Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения Линейные операторы Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду Евклидовы пространства Евклидовы пространства Ортогональные векторы евклидова пространства Ортогональный базис евклидова пространства Ортонормированный базис евклидова пространства Ортогональные дополнения в евклидовом пространстве Задача о перпендикуляре Матрица и определитель Грама и его свойства Линейные преобразования евклидовых пространств Канонический вид ортогонального оператора евклидова пространства Сопряженные операторы евклидова пространства Самосопряженные операторы евклидова пространства Приведение квадратичной формы к главным осям Унитарные пространства и их линейные преобразования Комплексный анализ Комплексные числа Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел Комплексные функции Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного Функциональные ряды в комплексной области Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням Особые точки, Вычеты Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена Операционное исчисление Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства Дифференциальные уравнения ДУ первого порядка Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ ДУ высших порядков Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ Системы ДУ Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем Теория устойчивости Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной Численные методы Методы алгебры Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений Методы теории приближений Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования Методы решения обыкновенных ДУ Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач Методы решения ДУ в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными	Дифференцирование функций комплексного переменного Содержание 1. Правила дифференцирования 2. Условия Коши-Римана дифференцируемости функции 3. Условия Коши-Римана в полярных координатах 4. Геометрический смысл модуля и аргумента производной Правила дифференцирования Так как производная функции комплексного переменного определяется, как и в действительной области, т.е. в виде предела $f'(z_0)= \lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta f(z_0)}{\Delta z}$ , то, используя это определение и свойства пределов, несложно убедиться в справедливости правил дифференцирования, известных из математического анализа. А именно имеет место следующее утверждение. Утверждение 2.5 1. Сумма, произведение функций, дифференцируемых в точке, есть функция, дифференцируемая в этой точке, и справедливы равенства: $\begin{aligned}\bigl(f_1(z)+f_2(z)\bigr)'&= f'_1(z)+ f'_2(z),\\ \bigl(f_1(z)\cdot f_2(z)\bigr)'&= f'_1(z)\cdot f_2(z)+ f_1(z)\cdot f'_2(z). \end{aligned}$ Из этого свойства и очевидного равенства $c'=0~(c=\text{const})$ следует $\left(\sum_{k=1}^{n}c_kf_k(z)\right)'= \sum_{k=1}^{n}\bigl(c_k\cdot f'_k(z)\bigr).$ 2. Частное функций, дифференцируемых в точке, есть функция, дифференцируемая в этой точке, при условии, что знаменатель в точке не равен нулю: $\left(\frac{f_1(z)}{f_2(z)}\right)'= \frac{f'_1(z)\cdot f_2(z)-f_1(z)\cdot f'_2(z)}{f_2^2(z)}\,.$ 3. Сложная функция комплексного переменного $f(\varphi(z))$ дифференцируема в точке $z_0$ , если в этой точке дифференцируема функция $\varphi(z)$ , а функция $f(u)$ дифференцируема в точке $u_0$ , где $u_0=\varphi(z_0)$ и $u=\varphi(z)$ . При этом в точке $z_0$ имеет место формула $\bigl(f(\varphi(z))\bigr)'= f'(\varphi(z))\cdot \varphi'(z).$ ▼ Примеры 2.29-2.31 Пример 2.29. Доказать дифференцируемость во всей плоскости функций: a) $w=z$ ; б) $w=z^n$ . Найти их производные. Решение а) По определению производной для любой точки $z\in \mathbb{C}$ записываем $\lim_{\Delta z\to0}\frac{(z+\Delta z)-z}{\Delta z}=1$ ; предел существует для любой точки $z\in\mathbb{C}$ и $z'=1$ . б) Для любой точки $z_0\in\mathbb{C}$ и любого приращения $\Delta z$ рассмотрим $\lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta w}{\Delta z}= \lim_{\Delta z\to0}\frac{(z_0+\Delta z)^n-z_0^n}{\Delta z}\,.$ Выражение $(z_0+\Delta z)^n$ раскрываем по формуле бинома Ньютона: $(z_0+\Delta z)^n= z_0^n+ n\cdot z_0^{n-1}+ \frac{n(n-1)}{2!}\cdot (\Delta z)^2\cdot z_0^{n-2}+ \ldots+ (\Delta z)^n,$ в результате получаем $\begin{aligned}\lim_{\Delta z\to0}\frac{(z_0+\Delta z)^n-z_0^n}{\Delta z}&= \lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta z \left(nz_0^{n-1}+ \frac{n(n-1)}{2!}\Delta z\cdot z_0^{n-2}+ \ldots+ (\Delta z)^{n-1}\right)}{\Delta z }=\\ &=\lim_{\Delta z\to0}\! \left(nz_0^{n-1}+ \frac{n(n-1)}{2!}\Delta z\cdot z_0^{n-2}+ \ldots+ (\Delta z)^{n-1}\right)= nz_0^{n-1}.\end{aligned}$ Предел существует, следовательно, функция дифференцируема в точке $z_0$ . Так как $z_0$ — произвольная точка плоскости, то доказана дифференцируемость $z^n$ ( $n$ — натуральное) при любом $z$ и получена формула $(z^n)'=nz^{n-1}$ . Пример 2.30. Исследовать дифференцируемость функций комплексного переменного: а) $P_n(z)$ — многочлен степени $n$ ; б) $R(z)$ — рациональная функция. Решение а) Дифференцируемость многочлена в любой точке $z\in \mathbb{C}$ следует из дифференцируемости функции $z^n$ (пример 2.29) и п. 1 утверждения 2.5. б) Дифференцируемость рациональной функции $R(z)=\frac{P_n(z)}{Q_n(z)}$ отношения двух многочленов в любой точке из области определения, т.е. за исключением нулей знаменателя, получается из результата п. "а" и п. 2 утверждения 2.5. Пример 2.31. Найти модуль и аргумент производной $f'(z)$ в точке $z_0$ , если а) $f(z)=2iz-3i$ ; б) $f(z)=\frac{z-4i}{z+2i},~z_0=1-i$ ; в) $f(z)=z^2$ . Решение а) Используя правила дифференцирования, находим $f'(z)=2i$ . Поэтому $f'(z_0)=2i$ для любой точки $z_0$ и $\|f'(z_0)\|=2,~ \arg f'(z_0)= \frac{\pi}{2}$ . б) Используя правила дифференцирования частного, находим $f'(z)= \frac{z+2i-(z-4i)}{(z+2i)^2}= \frac{6i}{(z+2i)^2},\quad f'(z_0)= \frac{6i}{(z_0+2i)^2}= f'(1-i)= \frac{6i}{(1+i)^2}= \frac{6i}{2i}=3.$ Поэтому в результате имеем $\|f'(1-i)\|=3,~ \arg f'(1-i)=0$ . в) Используя результат примера 2.29, находим $(z^2)'=2z$ , поэтому $f'(z_0)= 2z_0$ и $\|f'(z_0)\|=2\|z_0\|,~ \arg f'(z_0)= 2\arg z_0$ . Условия Коши-Римана дифференцируемости функции Очевидно, между свойствами дифференцируемости функции комплексного переменного как функции точки плоскости и дифференцируемостью ее действительной и мнимой частей как функций двух действительных переменных существует тесная связь. Утверждение 2.6 1. Если функция $f(z)$ дифференцируема в точке, то в этой точке существуют частные производные ее действительной $u(x,y)$ и мнимой $v(x,y)$ частей и выполняются условия Коши-Римана: $\begin{cases}\dfrac{\partial u}{\partial x}= \dfrac{\partial v}{\partial y},\\[9pt] \dfrac{\partial u}{\partial y}= -\dfrac{\partial v}{\partial x}.\end{cases}$ (2.19) 2. Если $u(x,y)$ и $v(x,y)$ дифференцируемы в точке $(x_0,y_0)$ и в этой точке выполняются условия (2.19), то функция $f(z)=u+iv$ дифференцируема в точке $z_0=x_0+iy_0$ . 3. Производная дифференцируемой функции может быть записана по одной из формул: $\begin{array}{ll}f'(z)=\dfrac{\partial u}{\partial x}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial x},&\quad f'(z)= \dfrac{\partial v}{\partial y}- i\,\dfrac{\partial u}{\partial y},\\[10pt] f'(z)=\dfrac{\partial u}{\partial x}- i\,\dfrac{\partial u}{\partial y},&\quad f'(z)= \dfrac{\partial v}{\partial y}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial x}. \end{array}$ (2.20) Доказательство этих утверждений не представляет трудностей и опирается только на определения дифференцируемости функций $f(z),~ u(x,y),~ v(x,y)$ . Анализ утверждения 2.6 позволяет сделать следующие полезные для исследования функций на дифференцируемость замечания. Замечания 2.7 1. Выполнение условий (2.19) является необходимым условием дифференцируемости функции $f(z)$ в точке. Следовательно, их невыполнения достаточно для утверждения о том, что функция не является дифференцируемой в соответствующей точке. 2. Условия (2.19) не являются достаточными. Согласно п.2 утверждения 2.6 в соответствующей точке должны быть дифференцируемы функции $u(x,y)$ и $v(x,y)$ . Напомним, что условием дифференцируемости функции двух действительных переменных в точке является существование и непрерывность частных производных в этой точке. Из утверждения 2.6 и замечаний 2.7 следует правило исследования функции на дифференцируемость. Правило 2.1. Для исследования функции на дифференцируемость и нахождения ее производной следует выполнить следующие операции. 1. Для заданной функции $f(z)$ найти действительную и мнимую части: $u=\operatorname{Re}f(z),\quad v=\operatorname{Im}f(z),\qquad u=u(x,y),\quad v=v(x,y).$ 2. Найти частные производные функций $u(x,y),~v(x,y)$ . 3. Проверить выполнение условий Коши-Римана. Точки, в которых эти условия не выполняются, являются точками, где функция не дифференцируема. Точки, в которых условия (2.19) выполняются и частные производные являются непрерывными, принадлежат области, где функция дифференцируема. 4. Записать выражение производной в точках дифференцируемости по одной из формул (2.20). ▼ Примеры 2.32-2.34 Пример 2.32. Исследовать на дифференцируемость функцию $f(z)= \sqrt{\|x\cdot y\|}$ . Решение Для решения выделим два случая. Первый случай. Рассмотрим произвольную точку $z\ne0$ . Исследование проводим по правилу 2.1. 1. По условию $u(x,y)=\sqrt{\|x\|}\cdot\sqrt{\|y\|},~ v(x,y)\equiv0$ . 2. Очевидно, $\dfrac{\partial v}{\partial x}=0,~ \dfrac{\partial v}{\partial y}=0$ для любой точки. Находим частные производные функции $u(x,y)$ . Для нахождения $\dfrac{\partial u}{\partial x}$ положим $y=\text{const}$ и, учитывая определение модуля, рассмотрим два случая: $x>0$ (тогда $\|x\|=x$ ) и $x<0$ (тогда $\|x\|=-x$ ). Получаем $\dfrac{\partial u}{\partial x}= \sqrt{\|y\|}\cdot \frac{1}{2\sqrt{x}}$ при $x>0$ и $\dfrac{\partial u}{\partial x}= \sqrt{\|y\|}\cdot \frac{-1}{2\sqrt{-x}}$ при $x<0$ . Аналогично при любом $x=\text{const}$ имеем $\dfrac{\partial u}{\partial y}= \sqrt{\|x\|}\cdot \frac{1}{2\sqrt{y}}$ при $y>0$ и $\dfrac{\partial u}{\partial y}= \sqrt{\|x\|}\cdot \frac{-1}{2\sqrt{-y}}$ при $y<0$ . 3. Проверяем условие (2.19). Условие $\dfrac{\partial u}{\partial x}= \dfrac{\partial v}{\partial y}$ выполняется в точках прямой $y=0$ при любом $x\ne0$ . Условие $\dfrac{\partial u}{\partial y}=-\dfrac{\partial v}{\partial x}$ выполняется в точках прямой $x=0$ при любом $y\ne0$ . Вместе эти условия не выполняются ни в одной точке. Согласно п.2 замечаний 2.7 функция не является дифференцируемой. Второй случай. Рассмотрим точку $z=0$ . 1,2. Найдем частные производные функции $u=\sqrt{\|x\cdot y\|}$ в точке $M_0(0;0)$ , используя определение: $\left.{\dfrac{\partial u}{\partial x}}\right\|_{M_0}= \lim_{\Delta x\to0} \frac{u(\Delta x,0)-u(0;0)}{\Delta x}= \lim_{x\to0} \frac{u(x,0)-u(0;0)}{x}= 0$ , так как $u(x,0)=0$ при любом $x$ . Аналогично $\left.{\dfrac{\partial u}{\partial y}}\right\|_{M_0}= 0$ , так как $v(x,y)=0$ , то $\dfrac{\partial v}{\partial x}=0$ и $\dfrac{\partial v}{\partial y}=0$ . 3. Условие Коши-Римана (2.19) в точке $M_0$ (то есть $z=0$ ) выполняется. Согласно п.2 замечаний 2.7 следует проверить дифференцируемость функций $u(x,y),~ v(x,y)$ в точке $M_0$ . Это можно сделать, установив непрерывность частных производных в точке $z=0$ , для чего следует рассмотреть пределы всех найденных в п. "а" производных при $z\to 0$ , то есть $x\to0,~ y\to0$ . В данном случае удобнее проверить дифференцируемость $f(z)$ в точке $z=0$ по определению производной. В точке $z_0=0$ рассмотрим произвольное приращение $\Delta z$ и составим приращение функции $\Delta f(0)= f(\Delta z)-f(0)= f(\Delta z)$ . Далее записываем предел $\lim_{\Delta z\to 0}\frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= \lim_{\Delta z\to 0}\frac{f(\Delta z)}{\Delta z}= \lim_{z\to0}\frac{f(z)}{z}= \lim_{z\to0}\frac{\sqrt{\|x\cdot y\|}}{x+iy}\,.$ Производная в точке $z=0$ существует, если этот предел имеет одно и то же значение при любом стремлении $z$ к 0, при этом нельзя ограничиться никаким специальным классом путей. Выберем сначала в качестве пути простейший — прямую $y=kx$ или в комплексной форме $z=x(1+ki)$ . Тогда выражение для предела принимает вид $\lim_{z\to0}\frac{\sqrt{kx^2}}{x(1+ik)}= \lim_{z\to0}\frac{\|x\|\cdot \sqrt{\|k\|}}{x(1+ik)}\,,$ из чего следует, что значение предела зависит от $k$ , от наклона прямой — т.е. от выбранного пути. В частности, при $k=1$ , т.е. для прямой $y=x$ , можно записать $\lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= \lim_{x\to0}\frac{\sqrt{x^2}}{x(1+i)}= \lim_{x\to0} \frac{\|x\|}{x(1+i)},$ поэтому при $x>0~~ \lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= \frac{1}{1+i}$ , а при $x<0~~ \lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= -\frac{1}{1+i}$ . По определению $\lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta f(0)}{\Delta z}$ не существует и функция $f(z)= \sqrt{\|x\cdot y\|}$ не дифференцируема в точке $z=0$ . Объединяя результаты пунктов "а" и "б" , получаем окончательный ответ: данная функция не дифференцируема всюду. Пример 2.33. Исследовать на дифференцируемость функции: а) $f(z)=\|z\|^2$ ; б) $f(z)=\overline{z}$ . Решение а) Найдем решение, используя правило 2.1. 1. Находим $u=\operatorname{Re}f(z),~ v=\operatorname{Im}f(z),~ u=x^2+y^2,~ v=0$ . 2. Определяем частные производные: $\frac{\partial u}{\partial x}=2x,~ \frac{\partial u}{\partial y}=2y,~ \frac{\partial v}{\partial x}= 0,~ \frac{\partial v}{\partial y}= 0$ . 3. Условия Коши-Римана (2.19) выполняются только в точке $z=0$ , где $x=0$ и $y=0$ . Непрерывность частных производных очевидна. Следовательно, функция $f(z)=\|z\|^2$ дифференцируема только в одной точке $z=0$ . б) Найдем решение, используя также правило 2.1. 1. Находим $\operatorname{Re}\overline{z}$ и $\operatorname{Im} \overline{z}$ , то есть $u=x$ и $v=-y$ . 2,3. Условия (2.19) не выполняются ни в одной точке, так как $\frac{\partial u}{\partial x}=1,~ \frac{\partial v}{\partial y}=-1$ . Следовательно, функция не дифференцируема всюду. Пример 2.34. Исследовать на дифференцируемость функцию $e^z$ . Найти производную. Решение 1. Из равенства $e^z=e^x(\cos y+i\sin y)$ находим $u=e^x\cos y,~ v=e^x\sin y$ . 2. Находим частные производные: $\frac{\partial u}{\partial x}= e^x\cos y,\quad \frac{\partial u}{\partial y}= -e^x\sin y,\quad \frac{\partial v}{\partial x}= e^x\sin y,\quad \frac{\partial v}{\partial y}= e^x\cos y.$ 3. Условия (2.19) выполняются в любой точке $z\in\mathbb{C}$ , и частные производные, очевидно, непрерывны всюду. Поэтому функция $e^z$ дифференцируема всюду в $\mathbb{C}$ . 4. Надо полагать, что $(e^z)'=e^z$ . Действительно, записываем производную По формуле (2.20), используя найденные частные производные $f'(z)= \frac{\partial u}{\partial x}+ i\,\frac{\partial v}{\partial x}= e^x(\cos y+i\sin y)= e^x\cdot e^{iy}=e^z.$ Условия Коши-Римана в полярных координатах Пример 2.35. Записать условия Коши-Римана в полярных координатах. Решение. Пусть $f(z)= u(x,y)+iv(x,y)$ дифференцируема в точке $z$ и $z=r\,e^{i\varphi}$ . Находим частные производные сложных функций $u=u(x,y),~ v=v(x,y)$ , где $\begin{cases}x=r\cos\varphi,\\ y=r\sin\varphi, \end{cases}$ $\begin{aligned}\dfrac{\partial u}{\partial r}&= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial r}+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial y}{\partial r}= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \cos\varphi+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \sin\varphi\,;\\[5pt] \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}&= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial \varphi}+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot(-r\sin\varphi)+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot r\cos\varphi\,. \end{aligned}$ или, в силу условий (2.19), $\dfrac{\partial u}{\partial \varphi}= -r \left(\dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \sin\varphi+ \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \cos\varphi\right)$ $\begin{aligned}\dfrac{\partial v}{\partial r}& = \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial r}+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial y}{\partial r}= \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \cos\varphi+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \sin\varphi\,;\\[5pt] \dfrac{\partial v}{\partial \varphi}&= \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial \varphi}+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial y}{\partial \varphi}= \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot(-r\sin\varphi)+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot r\cos\varphi\,. \end{aligned}$ или, используя условия (2.19): $\dfrac{\partial v}{\partial \varphi}= r \left(\dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \cos\varphi+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \sin\varphi\right)$ Сравнивая равенства для $\dfrac{\partial u}{\partial r}$ и $\dfrac{\partial v}{\partial \varphi}$ , имеем $\dfrac{\partial v}{\partial \varphi}=r\cdot \dfrac{\partial u}{\partial r}$ , а из равенств для $\dfrac{\partial u}{\partial \varphi}$ и $\dfrac{\partial v}{\partial r}$ получаем $\dfrac{\partial u}{\partial \varphi}=-r\cdot \dfrac{\partial v}{\partial r}$ . Выписываем результат: $\begin{cases}\dfrac{\partial u}{\partial r}= \dfrac{1}{r}\cdot \dfrac{\partial v}{\partial \varphi},\\[9pt] \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}= -r\cdot \dfrac{\partial v}{\partial r}.\end{cases}$ (2.21) Это и есть искомые условия Коши-Римана в полярных координатах. ▼ Примеры 2.36-2.37 Пример 2.36. Записать производную функции $f(z)$ для случая $z=r\,e^{i\varphi}$ в полярных координатах. Решение Пусть $f(z)=u+iv,~ u=u(r,\varphi),~ v=v(r,\varphi)$ и $r=\sqrt{x^2+y^2},~ \varphi= \operatorname{arctg}\frac{y}{x}$ . Запишем частные производные по правилу дифференцирования сложной функции: $\dfrac{\partial u}{\partial x}= \dfrac{\partial u}{\partial r}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial x}+ \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}\cdot \dfrac{\partial \varphi}{\partial x},\qquad \dfrac{\partial u}{\partial y}= \dfrac{\partial u}{\partial r}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial y}+ \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}\cdot \dfrac{\partial \varphi}{\partial y}.$ Используя условия (2.21), запишем выражение для $f'(z)\colon\, f'(z)= \dfrac{\partial u}{\partial x}-i\,\dfrac{\partial u}{\partial y}$ . Получим $f'(z)= \dfrac{\partial u}{\partial r}\left(\dfrac{\partial r}{\partial x}- i\,\dfrac{\partial r}{\partial y}\right)- r\, \dfrac{\partial v}{\partial r}\left(\dfrac{\partial \varphi}{\partial x}-i\,\dfrac{\partial \varphi }{\partial y}\right)\!.$ Далее находим производные функций $r(x,y)= \sqrt{x^2+y^2},~ \varphi(x,y)= \operatorname{arctg}\frac{y}{x}$ и выписываем выражения, стоящие в скобках: $\begin{aligned}\dfrac{\partial r}{\partial x}- i\,\dfrac{\partial r}{\partial y}&= \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}- i\,\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}= \frac{\overline{z}}{r};\\[5pt] \dfrac{\partial \varphi}{\partial x}-i\,\dfrac{\partial \varphi }{\partial y}&= \frac{-y}{x^2+y^2}-i\,\frac{x}{x^2+y^2}= -\frac{i(x-iy)}{x^2+y^2}= \frac{-i\cdot \overline{z}}{z\cdot \overline{z}}= -\frac{i\cdot \overline{z}}{r^2}\,.\end{aligned}$ Для производной получаем выражение $f'(z)= \frac{\overline{z}}{r} \left(\dfrac{\partial u}{\partial r}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial r}\right)\quad \Leftrightarrow\quad f'(z)= \frac{r}{z} \left(\dfrac{\partial u}{\partial r}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial r}\right)\!.$ (2.22) Пример 2.37. Исследовать на дифференцируемость функцию $f(z)= \ln z,~ 0<\arg z<2\pi$ . Найти производную. Решение В области $D\colon\, 0<\arg z<2\pi$ — плоскости с разрезом по действительной положительной полуоси, функция однозначная (см. рис. 2.5). Исследуем ее на дифференцируемость по правилу 2.1, используя запись в полярных координатах. 1. Из равенства $\ln z= \ln r+i\,\varphi$ имеем $u(r,\varphi)= \ln r,~ v(r,\varphi)=\varphi$ . 2. Находим частные производные: $\dfrac{\partial u}{\partial r}= \frac{1}{r},~ \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}=0,~ \dfrac{\partial v}{\partial r}=0,~ \dfrac{\partial v}{\partial \varphi}=1$ . 3. Условия (2.21) выполняются в любой точке области $D$ , следовательно, функция дифференцируема в области $D$ . Заметим, что, очевидно, дифференцируемой в соответствующей области будет любая однозначная ветвь логарифма, $\ln z=\ln r+i(\arg z+2k\pi),~ k\in\mathbb{Z}$ . Используя формулу (2.22), записываем производную $(\ln z)'= \frac{r}{z}\cdot\! \left(\frac{1}{r}+i\cdot0\right)= \frac{1}{z}\,.$ Геометрический смысл модуля и аргумента производной Производная $f'(z)$ как функция комплексного переменного определяет отображение некоторой области $D$ — области дифференцируемости функции $f(z)$ на область $G$ . В каждой точке $z_0\in D$ определено комплексное число $f'(z_0)$ , следовательно, определены $\|f'(z_0)\|$ и $\arg f'(z_0)$ , если $f'(z_0)\ne0$ . Геометрически число $\|f'(z_0)\|$ — длина радиуса-вектора точки $f'(z_0)$ , a $\arg f'(z_0)$ — угол наклона этого радиуса-вектора к действительной оси. Возникает вопрос, как характеризуют эти величины само отображение $w=f(z)$ в точке $z_0$ . Как известно, для функции действительной переменной аналогичный вопрос решается просто: производная $f'(x_0)$ определяет угловой коэффициент касательной, проведенной к кривой $y=f(x)$ в точке $(x_0,f(x_0))$ . Рассмотрим геометрические свойства величин $k=\|f'(z_0)\|$ и $\alpha= \arg f'(z_0)$ , полагая $f'(z_0)\ne0$ , а функцию $f(z)$ дифференцируемой в окрестности точки $z_0$ . Так как по определению производной $f'(z_0)= \lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta w}{\Delta z}$ предел в точке не зависит от направления и способа стремления $\Delta z$ к нулю, то можно взять произвольную гладкую кривую $\gamma$ , проходящую через точку $z_0$ , и на ней любую точку $z$ из окрестности точки $z_0$ . Образ кривой $\gamma$ при отображении $w=f(z)$ обозначим $\Gamma$ , образы точек $z_0$ и $z$ через $w_0$ и $w$ соответственно; из непрерывности отображения очевидно, что $w_0\in\Gamma$ и $w\in\Gamma$ . Приращения переменных $\Delta z=z-z_0$ и $\Delta w=w-w_0$ геометрически есть векторы (рис. 2.13,а), их длины — $\|\Delta z\|,~\|\Delta w\|$ . Из определения производной и свойства предела $\lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta w}{\Delta z}= f'(z)$ имеем $\frac{\Delta w}{\Delta z}=f'(z_0)+\alpha$ , следовательно, $\left\|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right\|= \bigl\|f'(z_0)+\alpha\bigr\|\leqslant \bigl\|f'(z_0)\bigr\|+ \|\alpha\|$ , или $\left\|\left\|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right\|-\bigl\|f'(z_0)\bigr\|\right\|\leqslant \|\alpha\|< \varepsilon$ для $z_0\in O(z_0)$ . Последнее неравенство, согласно определению, означает $\|f'(z_0)\|= \lim_{\Delta z\to0}\left\|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right\|$ . Перепишем его следующим образом: $\bigl\|f'(z_0)\bigr\|= \lim_{\Delta z\to0}\left\|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right\|= \lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta l_{\Gamma}}{\Delta l_{\gamma}}= \frac{d\,l_{\Gamma}}{d\,l_{\gamma}},$ где $\Delta l_{\Gamma}$ и $\Delta l_{\gamma}$ — длины соответствующих дуг кривых $\Gamma$ и $\gamma$ , как известно, эквивалентных при $\|\Delta z\|\to0$ стягивающим их хордам $\|\Delta w\|$ и $\|\Delta z\|$ ; $d\,l_{\Gamma}$ и $d\,l_{\gamma}$ — элементы длин дуг $\Gamma$ и $\gamma$ в точках $w_0$ и $z_0$ соответственно. Отношение $\frac{d\,l_{\Gamma}}{d\,l_{\gamma}}$ определяет изменение масштаба (растяжение, сжатие) в точке $z_0$ при отображении $w=f(z)$ . В этом заключается геометрический смысл модуля производной. Величина $\|f'(z_0)\|$ не зависит от вида кривой $\gamma$ , поэтому отмеченное свойство имеет место и для любой другой гладкой кривой, проходящей через точку $z_0$ . Следовательно, величина $k=\|f'(z_0)\|$ модуля производной есть величина постоянная для данной функции $f(z)$ и данной точки $z_0$ . Для аргумента производной имеет место равенство $\arg f'(z_0)=\theta-\varphi$ , где $\theta$ и $\varphi$ — углы между действительными осями в плоскостях $(w)$ и $(z)$ соответственно и касательными, проведенными к кривым $\Gamma$ в точке $w_0$ и $\gamma$ в точке $z_0$ (рис. 2.13,а). Если точки $w_0$ и $z_0$ совместить, то $\alpha=\arg f'(z_0)= \theta-\varphi$ — угол поворота кривой $\gamma$ в точке $z_0$ при отображении $w=f(z)$ (рис. 2.13,б). В этом заключается геометрический смысл аргумента производной аналитической функции. Это свойство, очевидно, имеет место и для любой другой гладкой i кривых $\gamma_1$ и $\Gamma_1$ проходящих через точки $z_0$ и $w_0$ соответственно, $\alpha=\theta_1-\varphi_1$ . Из равенств $\alpha=\theta-\varphi$ и $\alpha=\theta_1-\varphi_1$ получаем $\theta_1-\theta= \varphi_1-\varphi$ . Это означает, что угол $\beta$ между кривыми $\Gamma_1$ и $\Gamma,~ \beta=\theta_1-\theta$ — в равен углу между кривым $\gamma_1$ и $\gamma,~ \beta=\varphi_1-\varphi$ (рис. 2.14). Следовательно, при отображении сохраняются углы между кривыми. Отображение, сохраняющее углы между кривыми, называется конформным. Полученные результаты сформулируем в виде утверждения. Утверждение 2.7 1. Модуль $\|f'(z_0)\|$ производной функции $f(z)$ , дифференцируемой в окрестности точки $z_0$ , есть коэффициент линейного растяжения кривой в точке $z_0$ при отображении $w=f(z)$ . 2. Аргумент производной в точке есть угол поворота кривой в этой точке при отображении $w=f(z)$ . 3. Отображение с помощью дифференцируемой в окрестности точки $z_0$ функции $f(z)$ , удовлетворяющее условию $f'(z_0)\ne0$ , является конформным в точке $z_0$ . Оно обладает свойством постоянства растяжения и сохранения углов. Причем углы сохраняются как по величине, так и по направлению отсчета. ▼ Примеры 2.38-2.40 Пример 2.38. Найти коэффициент растяжения и угол поворота в точке $z=2i$ при отображении $w=\frac{z+1}{z+i}$ . Решение Находим производную $w'=\frac{z+i-z-1}{(z+i)^2}$ , ее значение в точке $2i\colon\, w'(2i)= \frac{1-i}{9}$ . Коэффициент $k$ растяжения равен модулю производной, $k=\|w'(2i)\|= \frac{1}{9}\sqrt{2}$ , угол поворота — аргументу производной $\arg w'(2i)=-\frac{\pi}{4}$ . Пример 2.39. Определить, какая часть плоскости при отображении $w=z^2$ растягивается, а какая — сжимается. Решение Находим производную $w'=2z$ , коэффициент растяжения в любой точке равен $\|w'(z_0)=2\|z_0\|,~ k=2\|z_0\|$ . Множество точек $z_0$ , для которых $k>1$ , то есть $2\|z_0\|>1\Rightarrow \|z_0\|>\frac{1}{2}$ , очевидно, образует часть плоскости, которая при отображении растягивается. Следовательно, при отображении $w=z^2$ внешность круга $\|z\|>\frac{1}{2}$ растягивается, а внутренняя часть $\|z\|<\frac{1}{2}$ сжимается. Пример 2.40. Показать, что при отображении $w=z^2$ координатная сетка плоскости $(w)$ соответствует двум ортогональным семействам кривых плоскости $(z)$ . Решение Так как $f'(z)=2z$ , то отображение $w=z^2$ конформно всюду, кроме точки $z=0$ . Координатная сетка плоскости $(w)$ — это совокупность линий $u=\text{const},~ v=\text{const}$ . Очевидно, любая пара таких линий в точках пересечения образует прямой угол (рис. 2.15,а). Прообразами этих линий в плоскости (г) будут два семейства гипербол: $x^2-y^2=c,~ c\ne0$ и $2xy=c,~ c\ne0$ (рис. 2.15,б). Они получаются из равенства $w=z^2$ , то есть $u+iv=(x+iy)^2$ или $u=x^2-y^2,~ v=2xy$ . Линии рассматриваются при любых значениях $c\ne0$ . Заметим, что при $c=0$ линии $y=\pm x,~ y=0,~ x=0$ проходят через точку $z=0$ , где $f'(0)=0$ . Покажем, что гиперболы $x^2-y^2=c_2$ и $2xy=c_1$ при любых $c_1,c_2~(c_1\ne0,\,c_2\ne0)$ пересекаются под прямым углом, т.е. прямой угол образуют касательные к этим кривым в точке пересечения кривых (например, точка $A$ на рис. 2.15,б). Угловой коэффициент кривой первого семейства — производную точке $A(x_0, y_0)$ — находим по правилу дифференцирования неявной функции $y'_1(x_0)=-\frac{2x_0}{-2y_0}= \frac{x_0}{y_0}$ для кривой второго семейства $y'_2(x_0)=-\frac{c_1}{2x_0^2}$ . Но в точке пересечения $(x_0,y_0)$ верно равенство $2x_0y_0=c_1$ , поэтому $y'_2(x_0)=-\frac{2x_0y_0}{x_0^2}=-\frac{y_0}{x_0}$ . Условие ортогональности касательных выполнено: $y'_1(x_0)\cdot y'_2(x_0)=-1$ . Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике). Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Дифференцирование функций комплексного переменного

Онлайн-сервисы

Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью

Алгоритмы JavaScript

Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью

Введение в анализ

Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика

Теория множеств

Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия

Математическая логика

Алгебра высказываний

Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции

Булевы функции

Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций

Теория формального

Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний

Логика предикатов

Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов

Неформальные и формаль-
ные аксиоматические теории

Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории

Теория алгоритмов

Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики

Математическая логика и компьютеры

Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект

Дискретная математика

Множества и отношения

Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций

Группы и кольца

Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов

Полукольца и булевы алгебры

Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки

Алгебраические системы

Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры

Теория графов

Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов

Булева алгебра и функции

Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов

Конечные автоматы и регулярные языки

Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга

Контекстно-свободные языки

Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов

Интегральное исчисление

Неопределённый и определённый

Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции

Приложения интегралов

Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела

Интегралы в физике

Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике

Основные интегралы

Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега

Вариационное исчисление

Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла

Финансовый анализ

Анализ эффективности

Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности

Анализ устойчивости

Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости

Рыночная активность

Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию

Инвестиционная деятельность

Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование

Анализ инвестиций

Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта

Стоимость компании

Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций

Форвардные контракты

Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту

Теория вероятностей

Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности

Математическая статистика

Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты

Теория очередей (СМО)

Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью)

Аналитическая геометрия

Векторная алгебра

Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике

Системы координат

Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат

Геометрия на плоскости

Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными

Линии 2-го порядка

Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты линий

Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам

Геометрия в пространстве

Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве

Поверхности 2-го порядка

Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты поверхностей

Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам

Линейная алгебра

Матрицы и операции

Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц

Определители

Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей

Ранг матрицы

Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк)

Обратная матрица

Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица

Системы уравнений

Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений

Функциональные матрицы

Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум

Многочленные матрицы

Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы

Функции от матриц

Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц

Линейные пространства

Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств

Подпространства

Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств

Линейные отображения

Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения

Линейные операторы

Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду

Евклидовы пространства

Комплексный анализ

Комплексные числа

Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел

Комплексные функции

Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения
и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного

Функциональные ряды в комплексной области

Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням

Особые точки, Вычеты

Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена

Операционное исчисление

Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства

Дифференциальные уравнения

ДУ первого порядка

Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ

ДУ высших порядков

Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ

Системы ДУ

Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем

Теория устойчивости

Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной

Численные методы

Методы алгебры

Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений

Методы теории приближений

Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования

Методы решения обыкновенных ДУ

Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач

Методы решения ДУ в частных производных

Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными

Дифференцирование функций комплексного переменного

Правила дифференцирования

Так как производная функции комплексного переменного определяется, как и в действительной области, т.е. в виде предела $f'(z_0)= \lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta f(z_0)}{\Delta z}$ , то, используя это определение и свойства пределов, несложно убедиться в справедливости правил дифференцирования, известных из математического анализа. А именно имеет место следующее утверждение.

Утверждение 2.5

1. Сумма, произведение функций, дифференцируемых в точке, есть функция, дифференцируемая в этой точке, и справедливы равенства:

$\begin{aligned}\bigl(f_1(z)+f_2(z)\bigr)'&= f'_1(z)+ f'_2(z),\\ \bigl(f_1(z)\cdot f_2(z)\bigr)'&= f'_1(z)\cdot f_2(z)+ f_1(z)\cdot f'_2(z). \end{aligned}$

Из этого свойства и очевидного равенства $c'=0~(c=\text{const})$ следует

$\left(\sum_{k=1}^{n}c_kf_k(z)\right)'= \sum_{k=1}^{n}\bigl(c_k\cdot f'_k(z)\bigr).$

2. Частное функций, дифференцируемых в точке, есть функция, дифференцируемая в этой точке, при условии, что знаменатель в точке не равен нулю:

$\left(\frac{f_1(z)}{f_2(z)}\right)'= \frac{f'_1(z)\cdot f_2(z)-f_1(z)\cdot f'_2(z)}{f_2^2(z)}\,.$

3. Сложная функция комплексного переменного $f(\varphi(z))$ дифференцируема в точке $z_0$ , если в этой точке дифференцируема функция $\varphi(z)$ , а функция $f(u)$ дифференцируема в точке $u_0$ , где $u_0=\varphi(z_0)$ и $u=\varphi(z)$ . При этом в точке $z_0$ имеет место формула

$\bigl(f(\varphi(z))\bigr)'= f'(\varphi(z))\cdot \varphi'(z).$

▼ Примеры 2.29-2.31

Пример 2.29. Доказать дифференцируемость во всей плоскости функций: a) $w=z$ ; б) $w=z^n$ . Найти их производные.

Решение

а) По определению производной для любой точки $z\in \mathbb{C}$ записываем $\lim_{\Delta z\to0}\frac{(z+\Delta z)-z}{\Delta z}=1$ ; предел существует для любой точки $z\in\mathbb{C}$ и $z'=1$ .

б) Для любой точки $z_0\in\mathbb{C}$ и любого приращения $\Delta z$ рассмотрим

$\lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta w}{\Delta z}= \lim_{\Delta z\to0}\frac{(z_0+\Delta z)^n-z_0^n}{\Delta z}\,.$

Выражение $(z_0+\Delta z)^n$ раскрываем по формуле бинома Ньютона:

$(z_0+\Delta z)^n= z_0^n+ n\cdot z_0^{n-1}+ \frac{n(n-1)}{2!}\cdot (\Delta z)^2\cdot z_0^{n-2}+ \ldots+ (\Delta z)^n,$

в результате получаем

$\begin{aligned}\lim_{\Delta z\to0}\frac{(z_0+\Delta z)^n-z_0^n}{\Delta z}&= \lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta z \left(nz_0^{n-1}+ \frac{n(n-1)}{2!}\Delta z\cdot z_0^{n-2}+ \ldots+ (\Delta z)^{n-1}\right)}{\Delta z }=\\ &=\lim_{\Delta z\to0}\! \left(nz_0^{n-1}+ \frac{n(n-1)}{2!}\Delta z\cdot z_0^{n-2}+ \ldots+ (\Delta z)^{n-1}\right)= nz_0^{n-1}.\end{aligned}$

Предел существует, следовательно, функция дифференцируема в точке $z_0$ . Так как $z_0$ — произвольная точка плоскости, то доказана дифференцируемость $z^n$ ( $n$ — натуральное) при любом $z$ и получена формула $(z^n)'=nz^{n-1}$ .

Пример 2.30. Исследовать дифференцируемость функций комплексного переменного:

а) $P_n(z)$ — многочлен степени $n$ ; б) $R(z)$ — рациональная функция.

Решение

а) Дифференцируемость многочлена в любой точке $z\in \mathbb{C}$ следует из дифференцируемости функции $z^n$ (пример 2.29) и п. 1 утверждения 2.5.

б) Дифференцируемость рациональной функции $R(z)=\frac{P_n(z)}{Q_n(z)}$ отношения двух многочленов в любой точке из области определения, т.е. за исключением нулей знаменателя, получается из результата п. "а" и п. 2 утверждения 2.5.

Пример 2.31. Найти модуль и аргумент производной $f'(z)$ в точке $z_0$ , если

а) $f(z)=2iz-3i$ ; б) $f(z)=\frac{z-4i}{z+2i},~z_0=1-i$ ; в) $f(z)=z^2$ .

Решение

а) Используя правила дифференцирования, находим $f'(z)=2i$ . Поэтому $f'(z_0)=2i$ для любой точки $z_0$ и $|f'(z_0)|=2,~ \arg f'(z_0)= \frac{\pi}{2}$ .

б) Используя правила дифференцирования частного, находим

$f'(z)= \frac{z+2i-(z-4i)}{(z+2i)^2}= \frac{6i}{(z+2i)^2},\quad f'(z_0)= \frac{6i}{(z_0+2i)^2}= f'(1-i)= \frac{6i}{(1+i)^2}= \frac{6i}{2i}=3.$

Поэтому в результате имеем $|f'(1-i)|=3,~ \arg f'(1-i)=0$ .

в) Используя результат примера 2.29, находим $(z^2)'=2z$ , поэтому $f'(z_0)= 2z_0$ и $|f'(z_0)|=2|z_0|,~ \arg f'(z_0)= 2\arg z_0$ .

Условия Коши-Римана дифференцируемости функции

Очевидно, между свойствами дифференцируемости функции комплексного переменного как функции точки плоскости и дифференцируемостью ее действительной и мнимой частей как функций двух действительных переменных существует тесная связь.

Утверждение 2.6

1. Если функция $f(z)$ дифференцируема в точке, то в этой точке существуют частные производные ее действительной $u(x,y)$ и мнимой $v(x,y)$ частей и выполняются условия Коши-Римана:

$\begin{cases}\dfrac{\partial u}{\partial x}= \dfrac{\partial v}{\partial y},\\[9pt] \dfrac{\partial u}{\partial y}= -\dfrac{\partial v}{\partial x}.\end{cases}$

(2.19)

2. Если $u(x,y)$ и $v(x,y)$ дифференцируемы в точке $(x_0,y_0)$ и в этой точке выполняются условия (2.19), то функция $f(z)=u+iv$ дифференцируема в точке $z_0=x_0+iy_0$ .

3. Производная дифференцируемой функции может быть записана по одной из формул:

$\begin{array}{ll}f'(z)=\dfrac{\partial u}{\partial x}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial x},&\quad f'(z)= \dfrac{\partial v}{\partial y}- i\,\dfrac{\partial u}{\partial y},\\[10pt] f'(z)=\dfrac{\partial u}{\partial x}- i\,\dfrac{\partial u}{\partial y},&\quad f'(z)= \dfrac{\partial v}{\partial y}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial x}. \end{array}$

(2.20)

Доказательство этих утверждений не представляет трудностей и опирается только на определения дифференцируемости функций $f(z),~ u(x,y),~ v(x,y)$ .

Анализ утверждения 2.6 позволяет сделать следующие полезные для исследования функций на дифференцируемость замечания.

Замечания 2.7

1. Выполнение условий (2.19) является необходимым условием дифференцируемости функции $f(z)$ в точке. Следовательно, их невыполнения достаточно для утверждения о том, что функция не является дифференцируемой в соответствующей точке.

2. Условия (2.19) не являются достаточными. Согласно п.2 утверждения 2.6 в соответствующей точке должны быть дифференцируемы функции $u(x,y)$ и $v(x,y)$ . Напомним, что условием дифференцируемости функции двух действительных переменных в точке является существование и непрерывность частных производных в этой точке.

Из утверждения 2.6 и замечаний 2.7 следует правило исследования функции на дифференцируемость.

Правило 2.1. Для исследования функции на дифференцируемость и нахождения ее производной следует выполнить следующие операции.

1. Для заданной функции $f(z)$ найти действительную и мнимую части:

$u=\operatorname{Re}f(z),\quad v=\operatorname{Im}f(z),\qquad u=u(x,y),\quad v=v(x,y).$

2. Найти частные производные функций $u(x,y),~v(x,y)$ .

3. Проверить выполнение условий Коши-Римана. Точки, в которых эти условия не выполняются, являются точками, где функция не дифференцируема. Точки, в которых условия (2.19) выполняются и частные производные являются непрерывными, принадлежат области, где функция дифференцируема.

4. Записать выражение производной в точках дифференцируемости по одной из формул (2.20).

▼ Примеры 2.32-2.34

Пример 2.32. Исследовать на дифференцируемость функцию $f(z)= \sqrt{|x\cdot y|}$ .

Решение

Для решения выделим два случая.

Первый случай. Рассмотрим произвольную точку $z\ne0$ . Исследование проводим по правилу 2.1.

1. По условию $u(x,y)=\sqrt{|x|}\cdot\sqrt{|y|},~ v(x,y)\equiv0$ .

2. Очевидно, $\dfrac{\partial v}{\partial x}=0,~ \dfrac{\partial v}{\partial y}=0$ для любой точки. Находим частные производные функции $u(x,y)$ . Для нахождения $\dfrac{\partial u}{\partial x}$ положим $y=\text{const}$ и, учитывая определение модуля, рассмотрим два случая: $x>0$ (тогда $|x|=x$ ) и $x<0$ (тогда $|x|=-x$ ). Получаем

$\dfrac{\partial u}{\partial x}= \sqrt{|y|}\cdot \frac{1}{2\sqrt{x}}$ при $x>0$ и $\dfrac{\partial u}{\partial x}= \sqrt{|y|}\cdot \frac{-1}{2\sqrt{-x}}$ при $x<0$ .

Аналогично при любом $x=\text{const}$ имеем

$\dfrac{\partial u}{\partial y}= \sqrt{|x|}\cdot \frac{1}{2\sqrt{y}}$ при $y>0$ и $\dfrac{\partial u}{\partial y}= \sqrt{|x|}\cdot \frac{-1}{2\sqrt{-y}}$ при $y<0$ .

3. Проверяем условие (2.19). Условие $\dfrac{\partial u}{\partial x}= \dfrac{\partial v}{\partial y}$ выполняется в точках прямой $y=0$ при любом $x\ne0$ . Условие $\dfrac{\partial u}{\partial y}=-\dfrac{\partial v}{\partial x}$ выполняется в точках прямой $x=0$ при любом $y\ne0$ . Вместе эти условия не выполняются ни в одной точке. Согласно п.2 замечаний 2.7 функция не является дифференцируемой.

Второй случай. Рассмотрим точку $z=0$ .

1,2. Найдем частные производные функции $u=\sqrt{|x\cdot y|}$ в точке $M_0(0;0)$ , используя определение:

$\left.{\dfrac{\partial u}{\partial x}}\right|_{M_0}= \lim_{\Delta x\to0} \frac{u(\Delta x,0)-u(0;0)}{\Delta x}= \lim_{x\to0} \frac{u(x,0)-u(0;0)}{x}= 0$ , так как $u(x,0)=0$ при любом $x$ .

Аналогично $\left.{\dfrac{\partial u}{\partial y}}\right|_{M_0}= 0$ , так как $v(x,y)=0$ , то $\dfrac{\partial v}{\partial x}=0$ и $\dfrac{\partial v}{\partial y}=0$ .

3. Условие Коши-Римана (2.19) в точке $M_0$ (то есть $z=0$ ) выполняется.

Согласно п.2 замечаний 2.7 следует проверить дифференцируемость функций $u(x,y),~ v(x,y)$ в точке $M_0$ . Это можно сделать, установив непрерывность частных производных в точке $z=0$ , для чего следует рассмотреть пределы всех найденных в п. "а" производных при $z\to 0$ , то есть $x\to0,~ y\to0$ .

В данном случае удобнее проверить дифференцируемость $f(z)$ в точке $z=0$ по определению производной. В точке $z_0=0$ рассмотрим произвольное приращение $\Delta z$ и составим приращение функции $\Delta f(0)= f(\Delta z)-f(0)= f(\Delta z)$ . Далее записываем предел

$\lim_{\Delta z\to 0}\frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= \lim_{\Delta z\to 0}\frac{f(\Delta z)}{\Delta z}= \lim_{z\to0}\frac{f(z)}{z}= \lim_{z\to0}\frac{\sqrt{|x\cdot y|}}{x+iy}\,.$

Производная в точке $z=0$ существует, если этот предел имеет одно и то же значение при любом стремлении $z$ к 0, при этом нельзя ограничиться никаким специальным классом путей.

Выберем сначала в качестве пути простейший — прямую $y=kx$ или в комплексной форме $z=x(1+ki)$ . Тогда выражение для предела принимает вид

$\lim_{z\to0}\frac{\sqrt{kx^2}}{x(1+ik)}= \lim_{z\to0}\frac{|x|\cdot \sqrt{|k|}}{x(1+ik)}\,,$

из чего следует, что значение предела зависит от $k$ , от наклона прямой — т.е. от выбранного пути. В частности, при $k=1$ , т.е. для прямой $y=x$ , можно записать

$\lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= \lim_{x\to0}\frac{\sqrt{x^2}}{x(1+i)}= \lim_{x\to0} \frac{|x|}{x(1+i)},$

поэтому

при $x>0~~ \lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= \frac{1}{1+i}$ , а при $x<0~~ \lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta f(0)}{\Delta z}= -\frac{1}{1+i}$ .

По определению $\lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta f(0)}{\Delta z}$ не существует и функция $f(z)= \sqrt{|x\cdot y|}$ не дифференцируема в точке $z=0$ .

Объединяя результаты пунктов "а" и "б" , получаем окончательный ответ: данная функция не дифференцируема всюду.

Пример 2.33. Исследовать на дифференцируемость функции: а) $f(z)=|z|^2$ ; б) $f(z)=\overline{z}$ .

Решение

а) Найдем решение, используя правило 2.1.

1. Находим $u=\operatorname{Re}f(z),~ v=\operatorname{Im}f(z),~ u=x^2+y^2,~ v=0$ .

2. Определяем частные производные: $\frac{\partial u}{\partial x}=2x,~ \frac{\partial u}{\partial y}=2y,~ \frac{\partial v}{\partial x}= 0,~ \frac{\partial v}{\partial y}= 0$ .

3. Условия Коши-Римана (2.19) выполняются только в точке $z=0$ , где $x=0$ и $y=0$ . Непрерывность частных производных очевидна. Следовательно, функция $f(z)=|z|^2$ дифференцируема только в одной точке $z=0$ .

б) Найдем решение, используя также правило 2.1.

1. Находим $\operatorname{Re}\overline{z}$ и $\operatorname{Im} \overline{z}$ , то есть $u=x$ и $v=-y$ .

2,3. Условия (2.19) не выполняются ни в одной точке, так как $\frac{\partial u}{\partial x}=1,~ \frac{\partial v}{\partial y}=-1$ . Следовательно, функция не дифференцируема всюду.

Пример 2.34. Исследовать на дифференцируемость функцию $e^z$ . Найти производную.

Решение

1. Из равенства $e^z=e^x(\cos y+i\sin y)$ находим $u=e^x\cos y,~ v=e^x\sin y$ .

2. Находим частные производные:

$\frac{\partial u}{\partial x}= e^x\cos y,\quad \frac{\partial u}{\partial y}= -e^x\sin y,\quad \frac{\partial v}{\partial x}= e^x\sin y,\quad \frac{\partial v}{\partial y}= e^x\cos y.$

3. Условия (2.19) выполняются в любой точке $z\in\mathbb{C}$ , и частные производные, очевидно, непрерывны всюду. Поэтому функция $e^z$ дифференцируема всюду в $\mathbb{C}$ .

4. Надо полагать, что $(e^z)'=e^z$ . Действительно, записываем производную По формуле (2.20), используя найденные частные производные

$f'(z)= \frac{\partial u}{\partial x}+ i\,\frac{\partial v}{\partial x}= e^x(\cos y+i\sin y)= e^x\cdot e^{iy}=e^z.$

Условия Коши-Римана в полярных координатах

Пример 2.35. Записать условия Коши-Римана в полярных координатах.

Решение. Пусть $f(z)= u(x,y)+iv(x,y)$ дифференцируема в точке $z$ и $z=r\,e^{i\varphi}$ . Находим частные производные сложных функций $u=u(x,y),~ v=v(x,y)$ , где $\begin{cases}x=r\cos\varphi,\\ y=r\sin\varphi, \end{cases}$

$\begin{aligned}\dfrac{\partial u}{\partial r}&= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial r}+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial y}{\partial r}= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \cos\varphi+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \sin\varphi\,;\\[5pt] \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}&= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial \varphi}+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}= \dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot(-r\sin\varphi)+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot r\cos\varphi\,. \end{aligned}$

или, в силу условий (2.19), $\dfrac{\partial u}{\partial \varphi}= -r \left(\dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \sin\varphi+ \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \cos\varphi\right)$

$\begin{aligned}\dfrac{\partial v}{\partial r}& = \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial r}+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial y}{\partial r}= \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \cos\varphi+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \sin\varphi\,;\\[5pt] \dfrac{\partial v}{\partial \varphi}&= \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial x}{\partial \varphi}+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot \dfrac{\partial y}{\partial \varphi}= \dfrac{\partial v}{\partial x}\cdot(-r\sin\varphi)+ \dfrac{\partial v}{\partial y}\cdot r\cos\varphi\,. \end{aligned}$

или, используя условия (2.19): $\dfrac{\partial v}{\partial \varphi}= r \left(\dfrac{\partial u}{\partial x}\cdot \cos\varphi+ \dfrac{\partial u}{\partial y}\cdot \sin\varphi\right)$

Сравнивая равенства для $\dfrac{\partial u}{\partial r}$ и $\dfrac{\partial v}{\partial \varphi}$ , имеем $\dfrac{\partial v}{\partial \varphi}=r\cdot \dfrac{\partial u}{\partial r}$ , а из равенств для $\dfrac{\partial u}{\partial \varphi}$ и $\dfrac{\partial v}{\partial r}$ получаем $\dfrac{\partial u}{\partial \varphi}=-r\cdot \dfrac{\partial v}{\partial r}$ . Выписываем результат:

$\begin{cases}\dfrac{\partial u}{\partial r}= \dfrac{1}{r}\cdot \dfrac{\partial v}{\partial \varphi},\\[9pt] \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}= -r\cdot \dfrac{\partial v}{\partial r}.\end{cases}$

(2.21)

Это и есть искомые условия Коши-Римана в полярных координатах.

▼ Примеры 2.36-2.37

Пример 2.36. Записать производную функции $f(z)$ для случая $z=r\,e^{i\varphi}$ в полярных координатах.

Решение

Пусть $f(z)=u+iv,~ u=u(r,\varphi),~ v=v(r,\varphi)$ и $r=\sqrt{x^2+y^2},~ \varphi= \operatorname{arctg}\frac{y}{x}$ . Запишем частные производные по правилу дифференцирования сложной функции:

$\dfrac{\partial u}{\partial x}= \dfrac{\partial u}{\partial r}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial x}+ \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}\cdot \dfrac{\partial \varphi}{\partial x},\qquad \dfrac{\partial u}{\partial y}= \dfrac{\partial u}{\partial r}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial y}+ \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}\cdot \dfrac{\partial \varphi}{\partial y}.$

Используя условия (2.21), запишем выражение для $f'(z)\colon\, f'(z)= \dfrac{\partial u}{\partial x}-i\,\dfrac{\partial u}{\partial y}$ . Получим

$f'(z)= \dfrac{\partial u}{\partial r}\left(\dfrac{\partial r}{\partial x}- i\,\dfrac{\partial r}{\partial y}\right)- r\, \dfrac{\partial v}{\partial r}\left(\dfrac{\partial \varphi}{\partial x}-i\,\dfrac{\partial \varphi }{\partial y}\right)\!.$

Далее находим производные функций $r(x,y)= \sqrt{x^2+y^2},~ \varphi(x,y)= \operatorname{arctg}\frac{y}{x}$ и выписываем выражения, стоящие в скобках:

$\begin{aligned}\dfrac{\partial r}{\partial x}- i\,\dfrac{\partial r}{\partial y}&= \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}- i\,\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}= \frac{\overline{z}}{r};\\[5pt] \dfrac{\partial \varphi}{\partial x}-i\,\dfrac{\partial \varphi }{\partial y}&= \frac{-y}{x^2+y^2}-i\,\frac{x}{x^2+y^2}= -\frac{i(x-iy)}{x^2+y^2}= \frac{-i\cdot \overline{z}}{z\cdot \overline{z}}= -\frac{i\cdot \overline{z}}{r^2}\,.\end{aligned}$

Для производной получаем выражение

$f'(z)= \frac{\overline{z}}{r} \left(\dfrac{\partial u}{\partial r}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial r}\right)\quad \Leftrightarrow\quad f'(z)= \frac{r}{z} \left(\dfrac{\partial u}{\partial r}+ i\,\dfrac{\partial v}{\partial r}\right)\!.$

(2.22)

Пример 2.37. Исследовать на дифференцируемость функцию $f(z)= \ln z,~ 0<\arg z<2\pi$ . Найти производную.

Решение

В области $D\colon\, 0<\arg z<2\pi$ — плоскости с разрезом по действительной положительной полуоси, функция однозначная (см. рис. 2.5). Исследуем ее на дифференцируемость по правилу 2.1, используя запись в полярных координатах.

1. Из равенства $\ln z= \ln r+i\,\varphi$ имеем $u(r,\varphi)= \ln r,~ v(r,\varphi)=\varphi$ .

2. Находим частные производные: $\dfrac{\partial u}{\partial r}= \frac{1}{r},~ \dfrac{\partial u}{\partial \varphi}=0,~ \dfrac{\partial v}{\partial r}=0,~ \dfrac{\partial v}{\partial \varphi}=1$ .

3. Условия (2.21) выполняются в любой точке области $D$ , следовательно, функция дифференцируема в области $D$ . Заметим, что, очевидно, дифференцируемой в соответствующей области будет любая однозначная ветвь логарифма, $\ln z=\ln r+i(\arg z+2k\pi),~ k\in\mathbb{Z}$ . Используя формулу (2.22), записываем производную

$(\ln z)'= \frac{r}{z}\cdot\! \left(\frac{1}{r}+i\cdot0\right)= \frac{1}{z}\,.$

Геометрический смысл модуля и аргумента производной

Производная $f'(z)$ как функция комплексного переменного определяет отображение некоторой области $D$ — области дифференцируемости функции $f(z)$ на область $G$ . В каждой точке $z_0\in D$ определено комплексное число $f'(z_0)$ , следовательно, определены $|f'(z_0)|$ и $\arg f'(z_0)$ , если $f'(z_0)\ne0$ . Геометрически число $|f'(z_0)|$ — длина радиуса-вектора точки $f'(z_0)$ , a $\arg f'(z_0)$ — угол наклона этого радиуса-вектора к действительной оси.

Возникает вопрос, как характеризуют эти величины само отображение $w=f(z)$ в точке $z_0$ . Как известно, для функции действительной переменной аналогичный вопрос решается просто: производная $f'(x_0)$ определяет угловой коэффициент касательной, проведенной к кривой $y=f(x)$ в точке $(x_0,f(x_0))$ .

Рассмотрим геометрические свойства величин $k=|f'(z_0)|$ и $\alpha= \arg f'(z_0)$ , полагая $f'(z_0)\ne0$ , а функцию $f(z)$ дифференцируемой в окрестности точки $z_0$ . Так как по определению производной $f'(z_0)= \lim_{\Delta z\to0} \frac{\Delta w}{\Delta z}$ предел в точке не зависит от направления и способа стремления $\Delta z$ к нулю, то можно взять произвольную гладкую кривую $\gamma$ , проходящую через точку $z_0$ , и на ней любую точку $z$ из окрестности точки $z_0$ .

Образ кривой $\gamma$ при отображении $w=f(z)$ обозначим $\Gamma$ , образы точек $z_0$ и $z$ через $w_0$ и $w$ соответственно; из непрерывности отображения очевидно, что $w_0\in\Gamma$ и $w\in\Gamma$ . Приращения переменных $\Delta z=z-z_0$ и $\Delta w=w-w_0$ геометрически есть векторы (рис. 2.13,а), их длины — $|\Delta z|,~|\Delta w|$ .

Из определения производной и свойства предела $\lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta w}{\Delta z}= f'(z)$ имеем $\frac{\Delta w}{\Delta z}=f'(z_0)+\alpha$ , следовательно,

$\left|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right|= \bigl|f'(z_0)+\alpha\bigr|\leqslant \bigl|f'(z_0)\bigr|+ |\alpha|$ , или $\left|\left|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right|-\bigl|f'(z_0)\bigr|\right|\leqslant |\alpha|< \varepsilon$ для $z_0\in O(z_0)$ .

Последнее неравенство, согласно определению, означает $|f'(z_0)|= \lim_{\Delta z\to0}\left|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right|$ . Перепишем его следующим образом:

$\bigl|f'(z_0)\bigr|= \lim_{\Delta z\to0}\left|\frac{\Delta w}{\Delta z}\right|= \lim_{\Delta z\to0}\frac{\Delta l_{\Gamma}}{\Delta l_{\gamma}}= \frac{d\,l_{\Gamma}}{d\,l_{\gamma}},$

где $\Delta l_{\Gamma}$ и $\Delta l_{\gamma}$ — длины соответствующих дуг кривых $\Gamma$ и $\gamma$ , как известно, эквивалентных при $|\Delta z|\to0$ стягивающим их хордам $|\Delta w|$ и $|\Delta z|$ ; $d\,l_{\Gamma}$ и $d\,l_{\gamma}$ — элементы длин дуг $\Gamma$ и $\gamma$ в точках $w_0$ и $z_0$ соответственно.

Отношение $\frac{d\,l_{\Gamma}}{d\,l_{\gamma}}$ определяет изменение масштаба (растяжение, сжатие) в точке $z_0$ при отображении $w=f(z)$ . В этом заключается геометрический смысл модуля производной.

Величина $|f'(z_0)|$ не зависит от вида кривой $\gamma$ , поэтому отмеченное свойство имеет место и для любой другой гладкой кривой, проходящей через точку $z_0$ .

Следовательно, величина $k=|f'(z_0)|$ модуля производной есть величина постоянная для данной функции $f(z)$ и данной точки $z_0$ .

Для аргумента производной имеет место равенство $\arg f'(z_0)=\theta-\varphi$ , где $\theta$ и $\varphi$ — углы между действительными осями в плоскостях $(w)$ и $(z)$ соответственно и касательными, проведенными к кривым $\Gamma$ в точке $w_0$ и $\gamma$ в точке $z_0$ (рис. 2.13,а).

Если точки $w_0$ и $z_0$ совместить, то $\alpha=\arg f'(z_0)= \theta-\varphi$ — угол поворота кривой $\gamma$ в точке $z_0$ при отображении $w=f(z)$ (рис. 2.13,б).

В этом заключается геометрический смысл аргумента производной аналитической функции.

Это свойство, очевидно, имеет место и для любой другой гладкой i кривых $\gamma_1$ и $\Gamma_1$ проходящих через точки $z_0$ и $w_0$ соответственно, $\alpha=\theta_1-\varphi_1$ . Из равенств $\alpha=\theta-\varphi$ и $\alpha=\theta_1-\varphi_1$ получаем $\theta_1-\theta= \varphi_1-\varphi$ . Это означает, что угол $\beta$ между кривыми $\Gamma_1$ и $\Gamma,~ \beta=\theta_1-\theta$ — в равен углу между кривым $\gamma_1$ и $\gamma,~ \beta=\varphi_1-\varphi$ (рис. 2.14). Следовательно, при отображении сохраняются углы между кривыми.

Отображение, сохраняющее углы между кривыми, называется конформным.

Кривые, проходящие через точку, на комплексной

Полученные результаты сформулируем в виде утверждения.

Утверждение 2.7

1. Модуль $|f'(z_0)|$ производной функции $f(z)$ , дифференцируемой в окрестности точки $z_0$ , есть коэффициент линейного растяжения кривой в точке $z_0$ при отображении $w=f(z)$ .

2. Аргумент производной в точке есть угол поворота кривой в этой точке при отображении $w=f(z)$ .

3. Отображение с помощью дифференцируемой в окрестности точки $z_0$ функции $f(z)$ , удовлетворяющее условию $f'(z_0)\ne0$ , является конформным в точке $z_0$ . Оно обладает свойством постоянства растяжения и сохранения углов. Причем углы сохраняются как по величине, так и по направлению отсчета.

▼ Примеры 2.38-2.40

Пример 2.38. Найти коэффициент растяжения и угол поворота в точке $z=2i$ при отображении $w=\frac{z+1}{z+i}$ .

Решение

Находим производную $w'=\frac{z+i-z-1}{(z+i)^2}$ , ее значение в точке $2i\colon\, w'(2i)= \frac{1-i}{9}$ . Коэффициент $k$ растяжения равен модулю производной, $k=|w'(2i)|= \frac{1}{9}\sqrt{2}$ , угол поворота — аргументу производной $\arg w'(2i)=-\frac{\pi}{4}$ .

Пример 2.39. Определить, какая часть плоскости при отображении $w=z^2$ растягивается, а какая — сжимается.

Решение

Находим производную $w'=2z$ , коэффициент растяжения в любой точке равен $|w'(z_0)=2|z_0|,~ k=2|z_0|$ . Множество точек $z_0$ , для которых $k>1$ , то есть $2|z_0|>1\Rightarrow |z_0|>\frac{1}{2}$ , очевидно, образует часть плоскости, которая при отображении растягивается. Следовательно, при отображении $w=z^2$ внешность круга $|z|>\frac{1}{2}$ растягивается, а внутренняя часть $|z|<\frac{1}{2}$ сжимается.

Пример 2.40. Показать, что при отображении $w=z^2$ координатная сетка плоскости $(w)$ соответствует двум ортогональным семействам кривых плоскости $(z)$ .

Решение

Так как $f'(z)=2z$ , то отображение $w=z^2$ конформно всюду, кроме точки $z=0$ . Координатная сетка плоскости $(w)$ — это совокупность линий $u=\text{const},~ v=\text{const}$ . Очевидно, любая пара таких линий в точках пересечения образует прямой угол (рис. 2.15,а). Прообразами этих линий в плоскости (г) будут два семейства гипербол: $x^2-y^2=c,~ c\ne0$ и $2xy=c,~ c\ne0$ (рис. 2.15,б). Они получаются из равенства $w=z^2$ , то есть $u+iv=(x+iy)^2$ или $u=x^2-y^2,~ v=2xy$ . Линии рассматриваются при любых значениях $c\ne0$ . Заметим, что при $c=0$ линии $y=\pm x,~ y=0,~ x=0$ проходят через точку $z=0$ , где $f'(0)=0$ .

Покажем, что гиперболы $x^2-y^2=c_2$ и $2xy=c_1$ при любых $c_1,c_2~(c_1\ne0,\,c_2\ne0)$ пересекаются под прямым углом, т.е. прямой угол образуют касательные к этим кривым в точке пересечения кривых (например, точка $A$ на рис. 2.15,б). Угловой коэффициент кривой первого семейства — производную точке $A(x_0, y_0)$ — находим по правилу дифференцирования неявной функции $y'_1(x_0)=-\frac{2x_0}{-2y_0}= \frac{x_0}{y_0}$ для кривой второго семейства $y'_2(x_0)=-\frac{c_1}{2x_0^2}$ . Но в точке пересечения $(x_0,y_0)$ верно равенство $2x_0y_0=c_1$ , поэтому $y'_2(x_0)=-\frac{2x_0y_0}{x_0^2}=-\frac{y_0}{x_0}$ .

Условие ортогональности касательных выполнено: $y'_1(x_0)\cdot y'_2(x_0)=-1$ .

Семейства прямых и гипербол на комплексной плоскости

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Список статей » Список форумов

Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]