SIMR 2011/12, Analiza Zespolona, Przykładowe zadania do kolokwium 1

Zadanie 1: Część rzeczywista funkcji holomorficznej jest równa: u( x, y) = ex cos y + 4 xy . Znaleźć część urojoną funkcji f .

Rozwiązanie:

Funkcja jest holomorficzna, więc jej część rzeczywista: u = Re f oraz u = Im f spełniają warunki Cauchy-Riemanna:



∂u

∂v





=





∂x

∂y









∂u

∂v







= −



∂y

∂x

Obliczamy:

∂u = ex cos y + 4 y

∂x

∂u = −ex sin y + 4 x

∂y

Rozwiązujemy układ równań:



∂v





= ex cos y + 4 y







∂y







∂v







= ex sin y − 4 x



∂x

Zpierwszego równania:

Z

v( x, y) =

( ex cos y + 4 y)d y = ex sin y + 2 y 2 + C( x) Obliczamy:

∂v = ex sin y + C0( x)

∂x

Podstawiamy do drugiego równania:

ex sin y + C0( x) = ex sin y − 4 x C0( x) = − 4 x Z

C( x) =

( − 4 x)d x = − 2 x 2 + D

Odpowiedź: v( x, y) = ex sin y + 2 y 2 − 2 x 2 + D

Z

1

Zadanie 2: Obliczyć całkę:

d z ,

z

C

gdzie krzywa C składa się z odcinka AB: A(1 , 0) do punktu B(2 , 0) i połowy okręgu BD : x 2 + y 2 = 4 , y ­ 0 i jest skierowana od a do D

Rozwiązanie:

Dzielimy krzywą na dwie części:

Z

1

Z

1

Z

1

d z =

d z +

d z

z

z

z

C

C 1

C 2

Parametryzujemy krzywą C 1: x = t , y = 0 ; gdzie t zmienia się od 1 do 2.

Wtedy z( t) = x + iy = t , d z = d t 2

Z

1

Z

1

I 1 =

d z =

d t == [ln |t|]2 = ln 2

z

t

1

C 1

1

Parametryzujemy krzywą C 2: z = 2 eit ; gdzie t zmienia się od 0 do π.

Wtedy z = 2 e−it , d z = 2 ieit d t π

π

"

# π

Z

1

Z

1

Z

e 2 it

1

1

I 2 =

d z =

2 ieit d t = i

e 2 it d t = i

=

( e 2 πi − e 0) =

(1 − 1) = 0

z

2 e−it

2 i

2

2

C

0

2

0

0

1

Stąd:

Z

1 d z = I 1 + I 2 = ln 2 + 0 = ln 2

z

C

Zadanie 3: Obliczyć całkę:

∞

Z

4

I =

d x

( x 2 + 1)2( x 2 + 9)

−∞

Rozwiązanie:

∞

Z

4

Z

I =

d x =

f ( z)d z

( x 2 + 1)2( x 2 + 9)

−∞

C

4

gdzie f ( z) =

a kontur C jest osią rzeczywistą skierowaną w prawo.

( z 2 + 1)2( z 2 + 9)

Obliczamy całkę po konturze zamkniętym, składającym się z odcinka: CR : x = t,

y = 0 ,

t ∈< −R, R > oraz półokręgu: C 2 : z = Reit,

t ∈< 0 , π >

Funkcja f ( z) jest holomorficzna z wyjątkiem punktów: ( z 2 + 1)2( z 2 + 9) = 0 , czyli z = ±i , z = ± 3 i Dla dostatecznie dużych R w obszarze ograniczonym konturem zamkniętym leżą punkty osobliwe: z 1 = i , z 2 = 3 i.

Mamy więc:

Z

Z

f ( z)d z +

f ( z)d z = 2 πi(Res z= if ( z) + Res z=3 if ( z)) CR

C 2

Przechodzimy do granicy z R → ∞ wtedy : Z

f ( z)d z → I

CR

Z

f ( z)d z → 0

C 2

Stąd:

I = 2 πi(Res z= if ( z) + Res z=3 if ( z)) Obliczamy residua:

4

4

z = i jest biegunem 2-krotnym funkcji f ( z) =

=

( z 2 + 1)2( z 2 + 9)

( z − i)2( z + i)2( z 2 + 9) Stąd:

1

! 0

0

4

Res z= if ( z) =

lim ( z − i)2 f ( z)

= lim ( z − i)2

=

1! z→i

z→i

( z − i)2( z + i)2( z 2 + 9) 4

! 0

− 4 (2( z + i)( z 2 + 9) + ( z + i)22 z) lim

= lim

=

z→i

( z + i)2( z 2 + 9) z→i

( z + i)4( z 2 + 9)2

− 4 (2(2 i)( − 1 + 9) + (2 i)22 i)

− 4 · 24 i

− 4 · 24 i

3 i

=

=

= −

(2 i)4( − 1 + 9)2

2432

2482

32

4

4

z = 3 i jest biegunem 1-krotnym funkcji f ( z) =

=

( z 2 + 1)2( z 2 + 9)

( z 2 + 1)2( z − 3 i)( z + 3 i) Stąd:

4

!

Res z=3 if ( z) = lim (( z − 3 i) f ( z)) = lim ( z − 3 i)

=

z→ 3 i

z→ 3 i

( z 2 + 1)2( z − 3 i)( z + 3 i) 4

!

4

4

i

lim

=

=

= −

z→ 3 i

( z 2 + 1)2( z + 3 i) ( − 9 + 1)2(6 i)

82 · 6 i

96

A więc:

2

3 i

i

− 10 i

5 π

I = 2 πi( −

−

) = 2 πi

=

32

96

96

24

3