01VYMA:Kapitola3: Porovnání verzí
Z WikiSkripta FJFI ČVUT v Praze
(dokončeno) |
|||
Řádka 1: | Řádka 1: | ||
%\wikiskriptum{01VYMA} | %\wikiskriptum{01VYMA} | ||
− | \section{ | + | \section{Laurentovy řady} |
− | + | Zobecnění mocniných řad. | |
− | + | ||
− | + | \subsection{Laurentovy řady} | |
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | \subsection{ | + | |
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | \subsubsection{Definice} | |
− | $$ | + | Nechť $(a_n)_{n \in \mathbb{Z}}$ je libovolná posloupnost komplexních čísel, pak řada |
− | + | \begin{equation} \label{eq:L_rada} | |
− | + | \sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n = \underbrace{\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n}_{\mathrm{regulární \ část}} + \underbrace{\sum_{n=-\infty}^{-1} a_n(z-z_0)^n}_{\mathrm{hlavní \ část}} | |
− | \ | + | \end{equation} |
− | $\ | + | se nazývá Laurentova řada. |
− | + | ||
− | + | \subsubsection{Poznámka} | |
− | + | Konverguje-li regulární část pro $|z-z_0|<R$ a konverguje-li hlavní část pro $\left|\frac{1}{z-z_0}\right|<r$, tj. $|z-z_0|>\frac{1}{r}$ pak řada \eqref{eq:L_rada} konverguje pro $\frac{1}{r}<|z-z_0|<R$. | |
− | + | ||
− | + | \subsubsection{Poznámka - mezikruží} | |
− | \end{ | + | Mezikruží definujeme jako $P(z_0,r,R)=\{z\in \mathbb{C}:\frac{1}{r}<|z-z_0|<R\}$ \\ |
− | + | Speciální případ -- prstencové okolí $P(z_0,0,R)=\{z\in \mathbb{C}:0<|z-z_0|<R\}$ | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta - Laurentova} | |
− | + | Nechť $f$ je holomorfní na mezikruží $P(z_0,r,R)$. Potom pro všechna $z \in P$ platí, že | |
− | + | \begin{equation} \label{eq:L_rada2} | |
− | + | f(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \qquad \mathrm{kde} | |
− | + | \end{equation} | |
− | \ | + | \begin{equation} \label{eq:koeficienty} |
− | + | a_n=\frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{n+1}} | |
− | \ | + | \end{equation} |
− | \ | + | pro kladně orientovanou, po částech hladkou Jordanovu křivku $\varphi$, $\langle\varphi\rangle \in P(z_0,r,R) \wedge z_0 \in$ Int$\varphi$. |
− | + | ||
− | + | % | |
− | \ | + | \subsubsection{Definice} |
− | + | Řadu \eqref{eq:L_rada2} nazýváme Laurentovou řadou funkce $f$ v bodě $z_0$ pro mezikruží $P(z_0,r,R)$. | |
− | + | ||
− | \item $ | + | \subsubsection{Poznámka} |
− | + | Koeficienty \eqref{eq:koeficienty} řady \eqref{eq:L_rada2} funkce $f$ pro dané mezikruží $P(z_0,r,R)$ jsou dány jednoznačně. | |
− | + | ||
− | \end{ | + | \hfill \\ |
− | + | \emph{Důkaz:} | |
− | + | \begin{itemize} | |
− | + | \item nejprve dokážeme jednoznačnost sporem | |
− | $\ | + | \item nechť tedy existují koeficienty $a_n$ dané rovnicí \eqref{eq:koeficienty} a nechť zároveň existují koeficienty $b_n\neq a_n$ takové, že |
− | + | \begin{equation*} | |
− | \ | + | f(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \quad \wedge \quad f(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty} b_n(z-z_0)^n \qquad \forall z \in P(z_0,r,R) |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | \item dosadíme funkci s koeficienty $b_n$ do inegrálu \eqref{eq:koeficienty} pro $a_n$ | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | a_n=\frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi \sum_{k=-\infty}^{+\infty} b_k(\xi-z_0)^{k-n-1} \ud \xi | |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | \begin{equation*} |
− | \ | + | a_n=\frac{1}{2\pi\ui} \sum_{k=-\infty}^{+\infty} b_k \underbrace{\int_\varphi (\xi-z_0)^{k-n-1} \ud \xi}_{0 \dots k\neq n \ \lor \ 2\pi\ui \dots k=n} = b_n |
− | \ | + | \end{equation*} |
− | \ | + | což je spor. |
− | \ | + | |
− | + | \item nyní dokážeme existenci | |
− | + | \item okraje mezikruží posuneme o $\varepsilon$ dovnitř a budeme vyšetřovat integrály přes tyto nové křivky $\psi_{1,2}$. | |
− | + | \item použijeme Cauchyho vzorec, který budeme dál upravovat | |
− | + | \begin{align*} | |
− | + | f(z) & = \frac{1}{2\pi\ui}\int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z)}-\frac{1}{2\pi\ui}\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z)} \\ | |
− | + | & = \frac{1}{2\pi\ui}\left( \int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)(1-\frac{z-z_0}{\xi-z_0})}-\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)(1-\frac{\xi-z_0}{z-z_0})} \right) \\ | |
− | + | & = \frac{1}{2\pi\ui}\left( \int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)}\cdot\sum_{n=0}^{+\infty}\left(\frac{z-z_0}{\xi-z_0}\right)^n+\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)}\cdot\sum_{n=0}^{+\infty}\left(\frac{\xi-z_0}{z-z_0}\right)^n \right) \\ | |
− | + | & = \sum_{n=0}^{+\infty}\frac{1}{2\pi\ui} \int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{n+1}}(z-z_0)^n+\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{1}{2\pi\ui}\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{-n}}(z-z_0)^{-n-1} \\ | |
− | + | & = \sum_{n=0}^{+\infty}a_n(z-z_0)^n+\sum_{n'=-\infty}^{-1} \underbrace{\frac{1}{2\pi\ui}\int_{\varphi} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{n'+1}}}_{a_n'}(z-z_0)^{n'} | |
− | + | \end{align*} | |
− | + | \end{itemize} | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | \ | + | \subsubsection{Příklad} |
− | + | Mějme funkci $f(z)=\frac{1}{(z-1)(z-2)}$, která je holomorfní $\forall z \in \mathbb{C} \backslash \{1,2\}$. Hledáme Laurentovu řadu $f$ pro mezikruží $P(0,1,2)$. | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | f(z)=\frac{1}{z-2}-\frac{1}{z-1} | |
− | \ | + | \end{equation*} |
− | + | pro $z \in P(0,1,2): 1<|z|<2$. | |
− | + | \begin{align*} | |
− | + | \frac{1}{z-2} & =-\frac{1}{2}\frac{1}{1-\frac{z}{2}}=-\frac{1}{2}\sum_{n=0}^{+\infty}\left( \frac{z}{2} \right)^n \\ | |
− | + | -\frac{1}{z-1} & =-\frac{1}{z}\frac{1}{1-\frac{1}{z}}=-\frac{1}{z}\sum_{n=0}^{+\infty}\left( \frac{1}{z} \right)^n | |
− | $ | + | \end{align*} |
− | $ | + | \begin{equation*} |
− | $$ | + | f(z)=-\frac{1}{2}\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{z^n}{2^n} - \sum_{n=0}^{+\infty}\frac{1}{z^{n+1}} |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | |
− | + | % | |
− | \ | + | \subsubsection{Definice - klasifikace singularit} |
− | + | Řekneme, že $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$, je-li $f$ holomorfní na nějakém prstencovém okolí $z_0$ (na celém okolí $z_0$ s vyjímkou bodu $z_0$ samotného). | |
− | + | ||
− | + | Pokud $z_0$ je izolovaná singularita, pak $z_0$ je | |
− | + | \begin{description} | |
− | + | \item[odstranitelná singularita] \hfill \\ $\iff$ Laurentův rozvoj funkce $f$ na $P(z_0,0,R)$ má nulovou hlavní část. | |
− | + | \item[pól stupně $m$]\hfill \\ $\iff$ Laurentův rozvoj funkce $f$ na $P(z_0,0,R)$ má konečně mnoho nenulových členů v hlavní části. $a_{-m} \neq 0 \ \wedge \ a_k =0 \ \forall k<m$ | |
− | + | \item[podstatná singularita]\hfill \\ $\iff$ hlavní část Laurentova rozvoje obsahuje nekonečně mnoho nenulových členů. | |
− | + | \end{description} | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Příklady} | |
− | + | \begin{itemize} | |
− | \ | + | \item $f(z)=\frac{\sin(z)}{z}$, $Dom(f)=\mathbb{C} \backslash \{0\}$ |
− | + | \begin{equation*} | |
− | \ | + | f(z)=\frac{1}{z}\sum^{+\infty}_{n=0} \frac{(-1)^n z^{2n+1}}{(2n+1)!}=\sum^{+\infty}_{n=0} \frac{(-1)^n z^{2n}}{(2n+1)!} |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | $\implies$ 0 je odstranitelná singularita. |
− | + | ||
− | + | \item $f(z)=\frac{z}{(z-1)^3}$, holomorfní na $\mathbb{C} \backslash \{1\}$ | |
− | \ | + | \begin{equation*} |
− | + | f(z)=\frac{z-1+1}{(z-1)^3}=\frac{1}{(z-1)^3}+\frac{1}{(z-2)^2} | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | $\implies$ 1 je pól stupně 3. | |
− | + | ||
− | + | \item $f(z)=e^{\frac{1}{z}}$, holomorfní $\forall z \in \mathbb{C} \backslash \{0\}$ | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | f(z)=\sum^{+\infty}_{n=0} \frac{1}{n!z^n}=1+\sum^{-1}_{n=-\infty} \frac{z^n}{(-n)!} | |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | $\implies$ 0 je podstatná singularita. |
− | + | \end{itemize} | |
− | \ | + | |
− | Nechť funkce $f$ | + | % |
− | + | \subsubsection{Věta} | |
− | \ | + | Nechť $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$. Potom $z_0$ je odstranitelná singularita $\iff$ existuje limita |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \lim_{z \to z_0}f(z) | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | a je konečná. | |
− | + | ||
− | \ | + | \hfill \\ |
− | + | \emph{Důkaz:} | |
− | \ | + | \begin{itemize} |
− | + | \item dokážeme implikaci "$\Rightarrow$" | |
− | \item $ | + | \begin{equation*} |
− | + | f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \implies \lim_{z \to z_0}f(z)=a_0 | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | \end{itemize} | |
− | \ | + | |
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta} | |
− | + | Nechť $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$. Potom $z_0$ je pólem $k$-tého stupně | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \iff f(z)=\frac{g(z)}{(z-z_0)^k} | |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | na nějakém okolí $z_0$, kde $g$ je holomorfní v $z_0$ a $g(z_0)\neq 0$. |
− | + | ||
− | + | \hfill \\ | |
+ | \emph{Důkaz:} | ||
+ | \begin{itemize} | ||
+ | \item nejprve dokážeme implikaci "$\Rightarrow$" | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | f(z) & =\frac{\overbrace{a_{-k}}^{\neq 0}}{(z-z_0)^k}+\frac{a_{-k+1}}{(z-z_0)^{k-1}}+ \dots +\frac{a_{-1}}{(z-z_0)^1}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n\\ | ||
+ | & = \frac{1}{(z-z_0)^k}[\underbrace{a_{-k}+a_{-k+1}(z-z_0)+\dots+a_{-1}(z-z_0)^{k-1}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n+k}}_{g(z), \ g(z_0)=a_{-k}}] | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | |||
+ | \item zbývá dokázat implikaci "$\Leftarrow$" | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | f(z) & =\frac{g(z)}{(z-z_0)^k}=\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n-k} \\ | ||
+ | & = \frac{\overbrace{a_0}^{\neq 0}}{(z-z_0)^k}+\frac{a_1}{(z-z_0)^{k-1}}+ \dots \\ | ||
+ | g(z) & = a_0+a_1(z-z_0)+ \dots | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | \end{itemize} | ||
+ | |||
+ | % | ||
+ | \subsubsection{Věta} | ||
+ | Nechť $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$. Bod $z_0$ je pól stupně $k$ funkce $f$ | ||
+ | \begin{equation*} | ||
+ | \iff \exists \lim_{z\to z_0} (z-z_0)^k f(z) \neq 0 = a_{-k} | ||
+ | \end{equation*} | ||
+ | |||
+ | % | ||
+ | \subsection{Reziduum} % REZIDUUM | ||
− | + | \subsubsection{Poznámka} | |
− | + | Z koeficientů $(a_n)_{n\in \mathbb{Z}}$ Laurentova rozvoje funkce $f$ je v mezikruží $P(z_0,0,R)$, $R>0$ důležitý právě $a_{-1}$. | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | a_{-1}=\frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi f(\xi)\ud\xi | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | kde $\varphi$ je Jordanova křivka, $\langle \varphi \rangle \subset P(z_0,0,R)$ a $z_0 \in$ Int$\varphi$. Pokud totiž známe $a_{-1}$, snadno vypočteme integrál | |
− | \ | + | \begin{equation*} |
− | + | \int_\varphi f(\xi)\ud\xi=2\pi\ui\cdot a_{-1} | |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | |
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Definice - reziduum} | |
− | + | Nechť $z_0$ je singulární bod funkce $f$ a řada \eqref{eq:L_rada2} je Laurentův rozvoj funkce $f$ na mezikruží $P(z_0,0,R)$, kde $R>0$. Koeficient $a_{-1}$ rozvoje v $z_0$ funkce $f$ nazýváme reziduem funkce $f$ v bodě $z_0$. | |
− | + | ||
− | $$ | + | % |
− | + | \subsubsection{Věta - metody výpočtu rezidua} | |
− | + | \begin{enumerate} | |
− | + | \item $z_0$ je podstatná singularita $\implies$ problém, nutno umět sestrojit Laurentův rozvoj. | |
− | + | \item $z_0$ je odstranitelná singularita ($f$ je holomorfní v $z_0$) $\implies$ rez$_{z_0}f=0$. | |
− | + | \item $z_0$ je pól stupně 1 | |
− | + | \begin{align*} | |
− | \end{ | + | \implies f(z) & =\frac{\overbrace{a_{-1}}^{\neq 0}}{(z-z_0)}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \quad /\cdot(z-z_0) \\ |
− | + | (z-z_0)f(z) & = a_{-1} + \sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n+1} \quad /\lim_{z\to z_0} | |
− | + | \end{align*} | |
− | + | \begin{equation} | |
− | + | \lim_{z\to z_0} (z-z_0)f(z)=a_{-1} | |
− | + | \end{equation} | |
− | + | ||
− | + | \item $z_0$ je pól stupně $m>1$ | |
− | + | \begin{align*} | |
− | + | \implies f(z) & =\frac{\overbrace{a_{-m}}^{\neq 0}}{(z-z_0)^m}+\frac{a_{-m+1}}{(z-z_o)^{m-1}}+ \dots +\frac{a_{-1}}{(z-z_0)}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \quad /\cdot(z-z_0)^m \\ | |
− | + | (z-z_0)^mf(z) & =a_{-m}+a_{-m+1}(z-z_0)+\dots+ a_{-1}(z-z_0)^{m-1} + \sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n+m} \quad /\frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}} \\ | |
− | + | \frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}}(z-z_0)^mf(z) & =a_{-1}(m-1)!+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n\frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}}(z-z_0)^{n+m} \quad /\lim_{z\to z_0} | |
− | + | \end{align*} | |
− | + | \begin{equation} | |
− | + | \lim_{z\to z_0}\frac{1}{(m-1)!}\frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}}\left[(z-z_0)^m f(z)\right]=a_{-1} | |
− | + | \end{equation} | |
− | + | \end{enumerate} | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta - Cauchyho-reziduová} | |
− | + | Nechť funkce $f(z)$ je holomorfní na oblasti $\Omega \in \mathbb{C}$ s vyjímkou konečného počtu bodů (tj. $\exists M \subset \Omega$ konečná tak, že $f$ je holomorfní na $\Omega\backslash M$). Nechť $\varphi$ je uzavřená, po čátech hladká křivka, $\langle \varphi \rangle \subset \Omega$. Potom | |
− | \ | + | \begin{equation} \label{eq:reziduova_veta} |
− | + | \int_\varphi f(z)\ud z=2\pi\ui \sum_{w\in M} \ind_\varphi w \cdot \rez_w f | |
− | \ | + | \end{equation} |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Poznámka} | |
− | + | Díky ind$_\varphi w$ si zahrajou jen body uvnitř křivky $\varphi$. Je-li $\varphi$ kladně orientovaná, pak | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | \ | + | \int_\varphi f(z)\ud z=2\pi\ui \sum_{w\in M} \rez_w f |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta - rozvoj funkce v okolí $\infty$} | |
− | + | Nechť funkce $f$ je holomorfní na okolí $\infty$, tj. $\forall z, |z|>R$. Zavedeme substituci $z=\frac{1}{w}$, $f(z)=f\left(\frac{1}{w}\right):=g(w) \implies g(w)$ je holomorfní na okolí 0. | |
− | + | ||
− | + | \subsubsection{Poznámka} | |
− | + | Studujeme hlavní část Laurentova rozvoje funkce $g(w)$ v okolí 0 (záporné mocniny $w \implies$ kladné mocniny $z$). $f(z)$ je holomorfní v $\infty \iff g(w)$ je holomorfní v 0. Pokud toto platí, definuji $f(\infty)=g(0)=\lim_{z\to\infty}f(z)$. Charakter singularity funkce $f(z)$ v $\infty$ je stejný jako $g(w)$ v 0. | |
− | + | \begin{enumerate} | |
− | + | \item odstranitelná singularita: | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | \ | + | g(w)=\sum_{n=0}^\infty a_n w^n \quad \implies \quad f(z)=\sum_{n=0}^\infty a_n z^{-n} |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | \item pól stupně $m$ | |
− | + | \begin{align*} | |
− | \ | + | g(w) & =\frac{a_{-m}}{w^m}+\frac{a_{-m+1}}{w^{m-1}}+ \dots +\frac{a_{-1}}{w}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_nw^n \\ |
− | + | f(z) & =a_{-m}z^m+a_{-m+1}z^{m+1}+\dots+ a_{-1}z + \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{a_n}{z^n} | |
− | + | \end{align*} | |
− | + | \item podstatná singularita | |
− | + | \begin{align*} | |
− | + | g(w) & =\sum_{n=0}^{+\infty} a_nw^n + \sum_{n=-\infty}^{-1} a_nw^n \\ | |
− | + | f(z) & =\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{a_n}{z^n}+\sum_{n=-\infty}^{-1} \frac{a_n}{z^n} | |
− | + | \end{align*} | |
− | + | \end{enumerate} | |
− | \ | + | |
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Příklady} | |
− | + | \begin{itemize} | |
− | + | \item $f(z)=\frac{1}{z}$ | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \lim_{z\to\infty} \frac{1}{z}=0 \qquad f(\infty)=0 | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | $\implies \infty$ je odstranitekná singularita. | |
− | + | ||
− | + | \item $f(z)=a_nz^n+a_{n-1}z^{n-1}+\dots+a_1z+a_0$ \\ | |
− | + | $\implies \infty$ je pól stupně $n$. | |
− | + | ||
− | + | \item $f(z)=e^z$ | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{z^n}{n!} | |
− | \ | + | \end{equation*} |
− | + | $\implies \infty$ je podstatnou singularitou funkce $f(z)$. | |
− | + | ||
− | \ | + | \item $f(z)=e^{\frac{1}{z}}$ |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{n!z^n} | |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | $\implies$ 0 je podstatná singularita, funkce $f(z)$ je holomorfní v $\infty$ (s odstranitelnou singularitou), $f(\infty)=e^0=1$. |
− | + | \end{itemize} | |
− | \ | + | |
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Definice} | |
− | + | Nechť funkce $f$ je holomorfní pro $|z|>R$. Reziduem v $\infty$ funkce $f$ nazveme | |
− | + | \begin{equation} \label{eq:reziduum_nekonecna} | |
− | + | \rez_\infty f= \frac{1}{2\pi\ui} \int_\varphi f(z)\ud z | |
− | + | \end{equation} | |
− | + | kde $\varphi(t)=\varrho e^{-\ui t}$ je {\bf záporně} orientovaná kružnice, $0\leq t\leq 2\pi$, $\varrho>R$. | |
− | + | ||
− | \end{ | + | % |
− | + | \subsubsection{Poznámka} | |
− | \ | + | Vzpomeňte |
− | + | \begin{equation*} | |
− | \ | + | \rez_{z_0}f = \frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi f(z)\ud z |
− | + | \end{equation*} | |
− | \\ | + | $ = a_{-1}$ v Laurentově rozvoji funkce $f$ na $P(z_0,0,R)$, $\varphi$ je kladně orientovaná. \\ |
− | + | Obdobně rez$_\infty f =$ \eqref{eq:reziduum_nekonecna} $=-a_{-1}$ v Laurentově rozvoji funkce $f$ v okolí $\infty$. $\varphi$ je záporně orientovaná. | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Příklad} | |
− | \subsubsection{ | + | $f(z)=\frac{1}{z}$, $\infty$ je odstranitelná singularita. |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \frac{1}{2\pi\ui} \int_\varphi f(z)\ud z=\frac{1}{2\pi\ui} \underbrace{\int_\varphi \frac{\ud z}{z}}_{=-2\pi\ui}=-1 | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | protože $\varphi$ je záporně orientovaná. | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta - zobecněná reziduová} | |
− | + | Má-li funkce $f$ v $\mathbb{C}^*$ konečně mnoho singularit, je součet jejich reziduí roven 0. | |
− | $ | + | |
− | $\varphi | + | \hfill \\ |
− | + | \emph{Důkaz:} | |
− | $ | + | \begin{itemize} |
− | \begin{ | + | \item vyjdeme z reziduové věty \eqref{eq:reziduova_veta}. |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \int_\varphi f(z)\ud z=2\pi\ui \sum_{k=1}^p \rez_{z_k} f | |
− | \ | + | \end{equation*} |
− | \end{ | + | kde $\varphi$ je kladně orientovaná Jordanova křivka, která obkrouží všechny konečné singulární body. |
− | + | \item předchozí rovnici vydělíme $2\pi\ui$ a převedeme integrál na druhou stranu čímž důkaz dokončíme | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | \ | + | \sum_{k=1}^p \rez_{z_k} f-\underbrace{\frac{-1}{2\pi\ui}\int_{\dot{-}\varphi} f(z)\ud z}_{\rez_\infty f}=0 |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | \end{itemize} |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Příklad} | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | f(z)=\int_{|z|=2} \frac{1}{z^{10}+1}\ud z | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | Integrál můžeme počítat dvěma způsoby | |
− | + | \begin{enumerate} | |
− | + | \item najdeme singulární body funkce $f(z)$. Řešíme rovnici $z^{10}=-1$, ta má celkem 10 kořenů rozložených na kružnici $|z|=1$. Museli bychom tedy najít všech 10 reziduí a spočítat integrál pomocí reziduové věty \eqref{eq:reziduova_veta}. | |
− | + | \item použijeme zobecněnou reziduovou větu a integrál spočteme přímo. | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \sum_{k=1}^p \rez_{z_k} f=-\rez_\infty f | |
− | + | \end{equation*} | |
− | + | \begin{align*} | |
− | + | \frac{1}{z^{10}+1} & =\frac{1}{z^{10}}\cdot \frac{1}{1+\frac{1}{z^{10}}}=\frac{1}{z^{10}}\sum_{n=0}^{+\infty}\left( -\frac{1}{z^{10}} \right)^n = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \frac{1}{z^{10(n+1)}} \\ | |
− | + | & = \frac{1}{z^{10}}-\frac{1}{z^{20}}+\frac{1}{z^{30}}-\dots | |
− | \ | + | \end{align*} |
− | + | koeficient $a_{-1}$ se tedy rovná 0 = rez$_\infty f \implies \int_{|z|=2} \frac{1}{z^{10}+1}\ud z=0$. | |
− | + | \end{enumerate} | |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta} | |
− | + | Nechť $f$ je holomorfní v $z_0$ a $g$ má v $z_0$ pól prvního stupně. Potom | |
− | + | \begin{equation} | |
− | + | \rez_{z_0} f\cdot g=f(z_0)\cdot \rez_{z_0}g | |
− | + | \end{equation} | |
− | + | ||
− | + | \hfill \\ | |
− | + | \emph{Důkaz:} | |
− | + | \begin{align*} | |
− | + | \rez_{z_0} f\cdot g & = \lim_{z\to z_0} (z-z_0) f(z)g(z) \\ | |
− | + | & = \underbrace{\lim_{z\to z_0}f(z)}_{=f(z_0)}\cdot \underbrace{\lim_{z\to z_0} (z-z_0)g(z)}_{=\rez_{z_0}g} | |
− | \ | + | \end{align*} |
− | + | ||
− | + | % | |
− | + | \subsubsection{Věta} | |
− | + | Nechť $f$, $g$ jsou holomorfní v $z_0$, $g(z_0)=0$, $g'(z_0)\neq 0$. Potom | |
− | + | \begin{equation} | |
− | + | \rez_{z_0} \frac{f}{g}=\frac{f(z_0)}{g'(z_0)} | |
− | + | \end{equation} | |
− | + | ||
− | + | \hfill \\ | |
− | + | \emph{Důkaz:} | |
− | + | \begin{equation*} | |
− | + | \rez_{z_0} \frac{f(z)}{g(z)}= \underbrace{\lim_{z\to z_0}\frac{(z-z_0)}{g(z)-\underbrace{g(z_0)}_{=0}}}_{=\frac{1}{g'(z_0)}}f(z)=\frac{f(z_0)}{g'(z_0)} | |
− | + | \end{equation*} | |
− | \ | + | |
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | \ | + | |
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | + |
Verze z 7. 6. 2011, 12:47
[ znovu generovat, | výstup z překladu ] | Kompletní WikiSkriptum včetně všech podkapitol. | |
PDF Této kapitoly | [ znovu generovat, | výstup z překladu ] | Přeložení pouze této kaptioly. |
ZIP | Kompletní zdrojový kód včetně obrázků. |
Součásti dokumentu 01VYMA
součást | akce | popis | poslední editace | soubor | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Hlavní dokument | editovat | Hlavní stránka dokumentu 01VYMA | Drtikol | 7. 6. 2011 | 12:40 | ||
Řídící stránka | editovat | Definiční stránka dokumentu a vložených obrázků | Admin | 7. 9. 2015 | 14:47 | ||
Header | editovat | Hlavičkový soubor | Drtikol | 7. 6. 2011 | 12:50 | header.tex | |
Kapitola1 | editovat | Fourierovy řady | Drtikol | 7. 6. 2011 | 12:44 | kapitola1.tex | |
Kapitola2 | editovat | Komplexní čísla, Funkce komplexní proměnné | Johndavi | 19. 6. 2016 | 00:19 | kapitola2.tex | |
Kapitola3 | editovat | Laurentovy řady | Johndavi | 19. 6. 2016 | 00:31 | kapitola3.tex |
Zdrojový kód
%\wikiskriptum{01VYMA} \section{Laurentovy řady} Zobecnění mocniných řad. \subsection{Laurentovy řady} \subsubsection{Definice} Nechť $(a_n)_{n \in \mathbb{Z}}$ je libovolná posloupnost komplexních čísel, pak řada \begin{equation} \label{eq:L_rada} \sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n = \underbrace{\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n}_{\mathrm{regulární \ část}} + \underbrace{\sum_{n=-\infty}^{-1} a_n(z-z_0)^n}_{\mathrm{hlavní \ část}} \end{equation} se nazývá Laurentova řada. \subsubsection{Poznámka} Konverguje-li regulární část pro $|z-z_0|<R$ a konverguje-li hlavní část pro $\left|\frac{1}{z-z_0}\right|<r$, tj. $|z-z_0|>\frac{1}{r}$ pak řada \eqref{eq:L_rada} konverguje pro $\frac{1}{r}<|z-z_0|<R$. \subsubsection{Poznámka - mezikruží} Mezikruží definujeme jako $P(z_0,r,R)=\{z\in \mathbb{C}:\frac{1}{r}<|z-z_0|<R\}$ \\ Speciální případ -- prstencové okolí $P(z_0,0,R)=\{z\in \mathbb{C}:0<|z-z_0|<R\}$ % \subsubsection{Věta - Laurentova} Nechť $f$ je holomorfní na mezikruží $P(z_0,r,R)$. Potom pro všechna $z \in P$ platí, že \begin{equation} \label{eq:L_rada2} f(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \qquad \mathrm{kde} \end{equation} \begin{equation} \label{eq:koeficienty} a_n=\frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{n+1}} \end{equation} pro kladně orientovanou, po částech hladkou Jordanovu křivku $\varphi$, $\langle\varphi\rangle \in P(z_0,r,R) \wedge z_0 \in$ Int$\varphi$. % \subsubsection{Definice} Řadu \eqref{eq:L_rada2} nazýváme Laurentovou řadou funkce $f$ v bodě $z_0$ pro mezikruží $P(z_0,r,R)$. \subsubsection{Poznámka} Koeficienty \eqref{eq:koeficienty} řady \eqref{eq:L_rada2} funkce $f$ pro dané mezikruží $P(z_0,r,R)$ jsou dány jednoznačně. \hfill \\ \emph{Důkaz:} \begin{itemize} \item nejprve dokážeme jednoznačnost sporem \item nechť tedy existují koeficienty $a_n$ dané rovnicí \eqref{eq:koeficienty} a nechť zároveň existují koeficienty $b_n\neq a_n$ takové, že \begin{equation*} f(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \quad \wedge \quad f(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty} b_n(z-z_0)^n \qquad \forall z \in P(z_0,r,R) \end{equation*} \item dosadíme funkci s koeficienty $b_n$ do inegrálu \eqref{eq:koeficienty} pro $a_n$ \begin{equation*} a_n=\frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi \sum_{k=-\infty}^{+\infty} b_k(\xi-z_0)^{k-n-1} \ud \xi \end{equation*} \begin{equation*} a_n=\frac{1}{2\pi\ui} \sum_{k=-\infty}^{+\infty} b_k \underbrace{\int_\varphi (\xi-z_0)^{k-n-1} \ud \xi}_{0 \dots k\neq n \ \lor \ 2\pi\ui \dots k=n} = b_n \end{equation*} což je spor. \item nyní dokážeme existenci \item okraje mezikruží posuneme o $\varepsilon$ dovnitř a budeme vyšetřovat integrály přes tyto nové křivky $\psi_{1,2}$. \item použijeme Cauchyho vzorec, který budeme dál upravovat \begin{align*} f(z) & = \frac{1}{2\pi\ui}\int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z)}-\frac{1}{2\pi\ui}\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z)} \\ & = \frac{1}{2\pi\ui}\left( \int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)(1-\frac{z-z_0}{\xi-z_0})}-\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)(1-\frac{\xi-z_0}{z-z_0})} \right) \\ & = \frac{1}{2\pi\ui}\left( \int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)}\cdot\sum_{n=0}^{+\infty}\left(\frac{z-z_0}{\xi-z_0}\right)^n+\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)}\cdot\sum_{n=0}^{+\infty}\left(\frac{\xi-z_0}{z-z_0}\right)^n \right) \\ & = \sum_{n=0}^{+\infty}\frac{1}{2\pi\ui} \int_{\psi_1} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{n+1}}(z-z_0)^n+\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{1}{2\pi\ui}\int_{\psi_2} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{-n}}(z-z_0)^{-n-1} \\ & = \sum_{n=0}^{+\infty}a_n(z-z_0)^n+\sum_{n'=-\infty}^{-1} \underbrace{\frac{1}{2\pi\ui}\int_{\varphi} \frac{f(\xi) \ud\xi}{(\xi-z_0)^{n'+1}}}_{a_n'}(z-z_0)^{n'} \end{align*} \end{itemize} % \subsubsection{Příklad} Mějme funkci $f(z)=\frac{1}{(z-1)(z-2)}$, která je holomorfní $\forall z \in \mathbb{C} \backslash \{1,2\}$. Hledáme Laurentovu řadu $f$ pro mezikruží $P(0,1,2)$. \begin{equation*} f(z)=\frac{1}{z-2}-\frac{1}{z-1} \end{equation*} pro $z \in P(0,1,2): 1<|z|<2$. \begin{align*} \frac{1}{z-2} & =-\frac{1}{2}\frac{1}{1-\frac{z}{2}}=-\frac{1}{2}\sum_{n=0}^{+\infty}\left( \frac{z}{2} \right)^n \\ -\frac{1}{z-1} & =-\frac{1}{z}\frac{1}{1-\frac{1}{z}}=-\frac{1}{z}\sum_{n=0}^{+\infty}\left( \frac{1}{z} \right)^n \end{align*} \begin{equation*} f(z)=-\frac{1}{2}\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{z^n}{2^n} - \sum_{n=0}^{+\infty}\frac{1}{z^{n+1}} \end{equation*} % \subsubsection{Definice - klasifikace singularit} Řekneme, že $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$, je-li $f$ holomorfní na nějakém prstencovém okolí $z_0$ (na celém okolí $z_0$ s vyjímkou bodu $z_0$ samotného). Pokud $z_0$ je izolovaná singularita, pak $z_0$ je \begin{description} \item[odstranitelná singularita] \hfill \\ $\iff$ Laurentův rozvoj funkce $f$ na $P(z_0,0,R)$ má nulovou hlavní část. \item[pól stupně $m$]\hfill \\ $\iff$ Laurentův rozvoj funkce $f$ na $P(z_0,0,R)$ má konečně mnoho nenulových členů v hlavní části. $a_{-m} \neq 0 \ \wedge \ a_k =0 \ \forall k<m$ \item[podstatná singularita]\hfill \\ $\iff$ hlavní část Laurentova rozvoje obsahuje nekonečně mnoho nenulových členů. \end{description} % \subsubsection{Příklady} \begin{itemize} \item $f(z)=\frac{\sin(z)}{z}$, $Dom(f)=\mathbb{C} \backslash \{0\}$ \begin{equation*} f(z)=\frac{1}{z}\sum^{+\infty}_{n=0} \frac{(-1)^n z^{2n+1}}{(2n+1)!}=\sum^{+\infty}_{n=0} \frac{(-1)^n z^{2n}}{(2n+1)!} \end{equation*} $\implies$ 0 je odstranitelná singularita. \item $f(z)=\frac{z}{(z-1)^3}$, holomorfní na $\mathbb{C} \backslash \{1\}$ \begin{equation*} f(z)=\frac{z-1+1}{(z-1)^3}=\frac{1}{(z-1)^3}+\frac{1}{(z-2)^2} \end{equation*} $\implies$ 1 je pól stupně 3. \item $f(z)=e^{\frac{1}{z}}$, holomorfní $\forall z \in \mathbb{C} \backslash \{0\}$ \begin{equation*} f(z)=\sum^{+\infty}_{n=0} \frac{1}{n!z^n}=1+\sum^{-1}_{n=-\infty} \frac{z^n}{(-n)!} \end{equation*} $\implies$ 0 je podstatná singularita. \end{itemize} % \subsubsection{Věta} Nechť $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$. Potom $z_0$ je odstranitelná singularita $\iff$ existuje limita \begin{equation*} \lim_{z \to z_0}f(z) \end{equation*} a je konečná. \hfill \\ \emph{Důkaz:} \begin{itemize} \item dokážeme implikaci "$\Rightarrow$" \begin{equation*} f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \implies \lim_{z \to z_0}f(z)=a_0 \end{equation*} \end{itemize} % \subsubsection{Věta} Nechť $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$. Potom $z_0$ je pólem $k$-tého stupně \begin{equation*} \iff f(z)=\frac{g(z)}{(z-z_0)^k} \end{equation*} na nějakém okolí $z_0$, kde $g$ je holomorfní v $z_0$ a $g(z_0)\neq 0$. \hfill \\ \emph{Důkaz:} \begin{itemize} \item nejprve dokážeme implikaci "$\Rightarrow$" \begin{align*} f(z) & =\frac{\overbrace{a_{-k}}^{\neq 0}}{(z-z_0)^k}+\frac{a_{-k+1}}{(z-z_0)^{k-1}}+ \dots +\frac{a_{-1}}{(z-z_0)^1}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n\\ & = \frac{1}{(z-z_0)^k}[\underbrace{a_{-k}+a_{-k+1}(z-z_0)+\dots+a_{-1}(z-z_0)^{k-1}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n+k}}_{g(z), \ g(z_0)=a_{-k}}] \end{align*} \item zbývá dokázat implikaci "$\Leftarrow$" \begin{align*} f(z) & =\frac{g(z)}{(z-z_0)^k}=\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n-k} \\ & = \frac{\overbrace{a_0}^{\neq 0}}{(z-z_0)^k}+\frac{a_1}{(z-z_0)^{k-1}}+ \dots \\ g(z) & = a_0+a_1(z-z_0)+ \dots \end{align*} \end{itemize} % \subsubsection{Věta} Nechť $z_0 \in \mathbb{C}$ je izolovaná singularita funkce $f$. Bod $z_0$ je pól stupně $k$ funkce $f$ \begin{equation*} \iff \exists \lim_{z\to z_0} (z-z_0)^k f(z) \neq 0 = a_{-k} \end{equation*} % \subsection{Reziduum} % REZIDUUM \subsubsection{Poznámka} Z koeficientů $(a_n)_{n\in \mathbb{Z}}$ Laurentova rozvoje funkce $f$ je v mezikruží $P(z_0,0,R)$, $R>0$ důležitý právě $a_{-1}$. \begin{equation*} a_{-1}=\frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi f(\xi)\ud\xi \end{equation*} kde $\varphi$ je Jordanova křivka, $\langle \varphi \rangle \subset P(z_0,0,R)$ a $z_0 \in$ Int$\varphi$. Pokud totiž známe $a_{-1}$, snadno vypočteme integrál \begin{equation*} \int_\varphi f(\xi)\ud\xi=2\pi\ui\cdot a_{-1} \end{equation*} % \subsubsection{Definice - reziduum} Nechť $z_0$ je singulární bod funkce $f$ a řada \eqref{eq:L_rada2} je Laurentův rozvoj funkce $f$ na mezikruží $P(z_0,0,R)$, kde $R>0$. Koeficient $a_{-1}$ rozvoje v $z_0$ funkce $f$ nazýváme reziduem funkce $f$ v bodě $z_0$. % \subsubsection{Věta - metody výpočtu rezidua} \begin{enumerate} \item $z_0$ je podstatná singularita $\implies$ problém, nutno umět sestrojit Laurentův rozvoj. \item $z_0$ je odstranitelná singularita ($f$ je holomorfní v $z_0$) $\implies$ rez$_{z_0}f=0$. \item $z_0$ je pól stupně 1 \begin{align*} \implies f(z) & =\frac{\overbrace{a_{-1}}^{\neq 0}}{(z-z_0)}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \quad /\cdot(z-z_0) \\ (z-z_0)f(z) & = a_{-1} + \sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n+1} \quad /\lim_{z\to z_0} \end{align*} \begin{equation} \lim_{z\to z_0} (z-z_0)f(z)=a_{-1} \end{equation} \item $z_0$ je pól stupně $m>1$ \begin{align*} \implies f(z) & =\frac{\overbrace{a_{-m}}^{\neq 0}}{(z-z_0)^m}+\frac{a_{-m+1}}{(z-z_o)^{m-1}}+ \dots +\frac{a_{-1}}{(z-z_0)}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^n \quad /\cdot(z-z_0)^m \\ (z-z_0)^mf(z) & =a_{-m}+a_{-m+1}(z-z_0)+\dots+ a_{-1}(z-z_0)^{m-1} + \sum_{n=0}^{+\infty} a_n(z-z_0)^{n+m} \quad /\frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}} \\ \frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}}(z-z_0)^mf(z) & =a_{-1}(m-1)!+\sum_{n=0}^{+\infty} a_n\frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}}(z-z_0)^{n+m} \quad /\lim_{z\to z_0} \end{align*} \begin{equation} \lim_{z\to z_0}\frac{1}{(m-1)!}\frac{\ud^{m-1}}{\ud z^{m-1}}\left[(z-z_0)^m f(z)\right]=a_{-1} \end{equation} \end{enumerate} % \subsubsection{Věta - Cauchyho-reziduová} Nechť funkce $f(z)$ je holomorfní na oblasti $\Omega \in \mathbb{C}$ s vyjímkou konečného počtu bodů (tj. $\exists M \subset \Omega$ konečná tak, že $f$ je holomorfní na $\Omega\backslash M$). Nechť $\varphi$ je uzavřená, po čátech hladká křivka, $\langle \varphi \rangle \subset \Omega$. Potom \begin{equation} \label{eq:reziduova_veta} \int_\varphi f(z)\ud z=2\pi\ui \sum_{w\in M} \ind_\varphi w \cdot \rez_w f \end{equation} % \subsubsection{Poznámka} Díky ind$_\varphi w$ si zahrajou jen body uvnitř křivky $\varphi$. Je-li $\varphi$ kladně orientovaná, pak \begin{equation*} \int_\varphi f(z)\ud z=2\pi\ui \sum_{w\in M} \rez_w f \end{equation*} % \subsubsection{Věta - rozvoj funkce v okolí $\infty$} Nechť funkce $f$ je holomorfní na okolí $\infty$, tj. $\forall z, |z|>R$. Zavedeme substituci $z=\frac{1}{w}$, $f(z)=f\left(\frac{1}{w}\right):=g(w) \implies g(w)$ je holomorfní na okolí 0. \subsubsection{Poznámka} Studujeme hlavní část Laurentova rozvoje funkce $g(w)$ v okolí 0 (záporné mocniny $w \implies$ kladné mocniny $z$). $f(z)$ je holomorfní v $\infty \iff g(w)$ je holomorfní v 0. Pokud toto platí, definuji $f(\infty)=g(0)=\lim_{z\to\infty}f(z)$. Charakter singularity funkce $f(z)$ v $\infty$ je stejný jako $g(w)$ v 0. \begin{enumerate} \item odstranitelná singularita: \begin{equation*} g(w)=\sum_{n=0}^\infty a_n w^n \quad \implies \quad f(z)=\sum_{n=0}^\infty a_n z^{-n} \end{equation*} \item pól stupně $m$ \begin{align*} g(w) & =\frac{a_{-m}}{w^m}+\frac{a_{-m+1}}{w^{m-1}}+ \dots +\frac{a_{-1}}{w}+\sum_{n=0}^{+\infty} a_nw^n \\ f(z) & =a_{-m}z^m+a_{-m+1}z^{m+1}+\dots+ a_{-1}z + \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{a_n}{z^n} \end{align*} \item podstatná singularita \begin{align*} g(w) & =\sum_{n=0}^{+\infty} a_nw^n + \sum_{n=-\infty}^{-1} a_nw^n \\ f(z) & =\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{a_n}{z^n}+\sum_{n=-\infty}^{-1} \frac{a_n}{z^n} \end{align*} \end{enumerate} % \subsubsection{Příklady} \begin{itemize} \item $f(z)=\frac{1}{z}$ \begin{equation*} \lim_{z\to\infty} \frac{1}{z}=0 \qquad f(\infty)=0 \end{equation*} $\implies \infty$ je odstranitekná singularita. \item $f(z)=a_nz^n+a_{n-1}z^{n-1}+\dots+a_1z+a_0$ \\ $\implies \infty$ je pól stupně $n$. \item $f(z)=e^z$ \begin{equation*} f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{z^n}{n!} \end{equation*} $\implies \infty$ je podstatnou singularitou funkce $f(z)$. \item $f(z)=e^{\frac{1}{z}}$ \begin{equation*} f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{n!z^n} \end{equation*} $\implies$ 0 je podstatná singularita, funkce $f(z)$ je holomorfní v $\infty$ (s odstranitelnou singularitou), $f(\infty)=e^0=1$. \end{itemize} % \subsubsection{Definice} Nechť funkce $f$ je holomorfní pro $|z|>R$. Reziduem v $\infty$ funkce $f$ nazveme \begin{equation} \label{eq:reziduum_nekonecna} \rez_\infty f= \frac{1}{2\pi\ui} \int_\varphi f(z)\ud z \end{equation} kde $\varphi(t)=\varrho e^{-\ui t}$ je {\bf záporně} orientovaná kružnice, $0\leq t\leq 2\pi$, $\varrho>R$. % \subsubsection{Poznámka} Vzpomeňte \begin{equation*} \rez_{z_0}f = \frac{1}{2\pi\ui}\int_\varphi f(z)\ud z \end{equation*} $ = a_{-1}$ v Laurentově rozvoji funkce $f$ na $P(z_0,0,R)$, $\varphi$ je kladně orientovaná. \\ Obdobně rez$_\infty f =$ \eqref{eq:reziduum_nekonecna} $=-a_{-1}$ v Laurentově rozvoji funkce $f$ v okolí $\infty$. $\varphi$ je záporně orientovaná. % \subsubsection{Příklad} $f(z)=\frac{1}{z}$, $\infty$ je odstranitelná singularita. \begin{equation*} \frac{1}{2\pi\ui} \int_\varphi f(z)\ud z=\frac{1}{2\pi\ui} \underbrace{\int_\varphi \frac{\ud z}{z}}_{=-2\pi\ui}=-1 \end{equation*} protože $\varphi$ je záporně orientovaná. % \subsubsection{Věta - zobecněná reziduová} Má-li funkce $f$ v $\mathbb{C}^*$ konečně mnoho singularit, je součet jejich reziduí roven 0. \hfill \\ \emph{Důkaz:} \begin{itemize} \item vyjdeme z reziduové věty \eqref{eq:reziduova_veta}. \begin{equation*} \int_\varphi f(z)\ud z=2\pi\ui \sum_{k=1}^p \rez_{z_k} f \end{equation*} kde $\varphi$ je kladně orientovaná Jordanova křivka, která obkrouží všechny konečné singulární body. \item předchozí rovnici vydělíme $2\pi\ui$ a převedeme integrál na druhou stranu čímž důkaz dokončíme \begin{equation*} \sum_{k=1}^p \rez_{z_k} f-\underbrace{\frac{-1}{2\pi\ui}\int_{\dot{-}\varphi} f(z)\ud z}_{\rez_\infty f}=0 \end{equation*} \end{itemize} % \subsubsection{Příklad} \begin{equation*} f(z)=\int_{|z|=2} \frac{1}{z^{10}+1}\ud z \end{equation*} Integrál můžeme počítat dvěma způsoby \begin{enumerate} \item najdeme singulární body funkce $f(z)$. Řešíme rovnici $z^{10}=-1$, ta má celkem 10 kořenů rozložených na kružnici $|z|=1$. Museli bychom tedy najít všech 10 reziduí a spočítat integrál pomocí reziduové věty \eqref{eq:reziduova_veta}. \item použijeme zobecněnou reziduovou větu a integrál spočteme přímo. \begin{equation*} \sum_{k=1}^p \rez_{z_k} f=-\rez_\infty f \end{equation*} \begin{align*} \frac{1}{z^{10}+1} & =\frac{1}{z^{10}}\cdot \frac{1}{1+\frac{1}{z^{10}}}=\frac{1}{z^{10}}\sum_{n=0}^{+\infty}\left( -\frac{1}{z^{10}} \right)^n = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \frac{1}{z^{10(n+1)}} \\ & = \frac{1}{z^{10}}-\frac{1}{z^{20}}+\frac{1}{z^{30}}-\dots \end{align*} koeficient $a_{-1}$ se tedy rovná 0 = rez$_\infty f \implies \int_{|z|=2} \frac{1}{z^{10}+1}\ud z=0$. \end{enumerate} % \subsubsection{Věta} Nechť $f$ je holomorfní v $z_0$ a $g$ má v $z_0$ pól prvního stupně. Potom \begin{equation} \rez_{z_0} f\cdot g=f(z_0)\cdot \rez_{z_0}g \end{equation} \hfill \\ \emph{Důkaz:} \begin{align*} \rez_{z_0} f\cdot g & = \lim_{z\to z_0} (z-z_0) f(z)g(z) \\ & = \underbrace{\lim_{z\to z_0}f(z)}_{=f(z_0)}\cdot \underbrace{\lim_{z\to z_0} (z-z_0)g(z)}_{=\rez_{z_0}g} \end{align*} % \subsubsection{Věta} Nechť $f$, $g$ jsou holomorfní v $z_0$, $g(z_0)=0$, $g'(z_0)\neq 0$. Potom \begin{equation} \rez_{z_0} \frac{f}{g}=\frac{f(z_0)}{g'(z_0)} \end{equation} \hfill \\ \emph{Důkaz:} \begin{equation*} \rez_{z_0} \frac{f(z)}{g(z)}= \underbrace{\lim_{z\to z_0}\frac{(z-z_0)}{g(z)-\underbrace{g(z_0)}_{=0}}}_{=\frac{1}{g'(z_0)}}f(z)=\frac{f(z_0)}{g'(z_0)} \end{equation*}