Дан интеграл по кривой в комплексной плоскости int_C 1/z dz вокруг окружности радиуса 1. Объясните выбор теоремы комплексного анализа для вычисления интеграла и обсудите, как изменится ответ при смещении центра окружности
Выбор теоремы: удобнее всего применить теорему о вычетах (или частный случай — формулу Коши). Функция f(z)=1/zf(z)=1/zf(z)=1/z аналитична всюду, кроме простого полюса в z=0z=0z=0 с вычетом Res(1/z,0)=1\operatorname{Res}(1/z,0)=1Res(1/z,0)=1. По теореме о вычетах ∮C1z dz=2πi∑вычеты внутри C Res=2πi⋅1,
\oint_C \frac{1}{z}\,dz = 2\pi i\sum_{\text{вычеты внутри }C}\! \operatorname{Res} = 2\pi i\cdot 1, ∮Cz1dz=2πiвычетывнутриC∑Res=2πi⋅1,
если 000 лежит внутри кривой CCC. Прямой расчёт на единичной окружности (центр в 000, ориентирована против часовой стрелки): при z=eitz=e^{it}z=eit, dz=ieitdtdz=i e^{it}dtdz=ieitdt, ∮C1z dz=∫02π1eit ieitdt=i∫02πdt=2πi.
\oint_C \frac{1}{z}\,dz = \int_0^{2\pi}\frac{1}{e^{it}}\,i e^{it}dt = i\int_0^{2\pi}dt = 2\pi i. ∮Cz1dz=∫02πeit1ieitdt=i∫02πdt=2πi. Как меняется ответ при смещении центра: для окружности радиуса 111 с центром в aaa
- если ∣a∣<1|a|<1∣a∣<1, то 000 внутри, и ∮C1z dz=2πi\displaystyle \oint_C \frac{1}{z}\,dz = 2\pi i∮Cz1dz=2πi; - если ∣a∣>1|a|>1∣a∣>1, то 000 снаружи, и ∮C1z dz=0\displaystyle \oint_C \frac{1}{z}\,dz = 0∮Cz1dz=0; - если ∣a∣=1|a|=1∣a∣=1, то контур проходит через сингулярность z=0z=0z=0 и интеграл в обычном смысле не определён. Более общо, для произвольно ориентированного замкнутого CCC∮C1z dz=2πi n(C,0),
\oint_C \frac{1}{z}\,dz = 2\pi i\;n(C,0), ∮Cz1dz=2πin(C,0),
где n(C,0)n(C,0)n(C,0) — индекс (оборотов, ориентированный) кривой вокруг нуля.
∮C1z dz=2πi∑вычеты внутри C Res=2πi⋅1, \oint_C \frac{1}{z}\,dz = 2\pi i\sum_{\text{вычеты внутри }C}\! \operatorname{Res} = 2\pi i\cdot 1,
∮C z1 dz=2πiвычеты внутри C∑ Res=2πi⋅1, если 000 лежит внутри кривой CCC.
Прямой расчёт на единичной окружности (центр в 000, ориентирована против часовой стрелки): при z=eitz=e^{it}z=eit, dz=ieitdtdz=i e^{it}dtdz=ieitdt,
∮C1z dz=∫02π1eit ieitdt=i∫02πdt=2πi. \oint_C \frac{1}{z}\,dz = \int_0^{2\pi}\frac{1}{e^{it}}\,i e^{it}dt = i\int_0^{2\pi}dt = 2\pi i.
∮C z1 dz=∫02π eit1 ieitdt=i∫02π dt=2πi.
Как меняется ответ при смещении центра: для окружности радиуса 111 с центром в aaa - если ∣a∣<1|a|<1∣a∣<1, то 000 внутри, и ∮C1z dz=2πi\displaystyle \oint_C \frac{1}{z}\,dz = 2\pi i∮C z1 dz=2πi;
- если ∣a∣>1|a|>1∣a∣>1, то 000 снаружи, и ∮C1z dz=0\displaystyle \oint_C \frac{1}{z}\,dz = 0∮C z1 dz=0;
- если ∣a∣=1|a|=1∣a∣=1, то контур проходит через сингулярность z=0z=0z=0 и интеграл в обычном смысле не определён.
Более общо, для произвольно ориентированного замкнутого CCC ∮C1z dz=2πi n(C,0), \oint_C \frac{1}{z}\,dz = 2\pi i\;n(C,0),
∮C z1 dz=2πin(C,0), где n(C,0)n(C,0)n(C,0) — индекс (оборотов, ориентированный) кривой вокруг нуля.