20

Аналитическое продолжение. Полные аналитические функции.

[23/4%]
Показать
LaTeX
Задача 20.1

Доказать, что функция, регулярная в области GG, является функцией, аналитической в области GG.

?
Задача 20.2

Доказать, что если функция, аналитическая в области GG, не зависит от формы кусочно-гладкой ориентированной кривой, вдоль которой ведется аналитическое продолжение, а зависит только от ее конца, то эта функция регулярна в области GG.

?
Задача 20.3

Пусть F1F_{1} и F2F_{2} — две аналитические функции в области GG. Доказать, что функции F1+F2F_{1}+F_{2} и F1⋅F2F_{1} \cdot F_{2}, определяемые элементами вида (Br(a),f1+f2)(B_{r}(a), f_{1}+f_{2}), (Br(a),f1⋅f2)\left(B_{r}(a), f_{1} \cdot f_{2}\right), где (Br(a),f1)\left(B_{r}(a), f_{1}\right) и (Br(a),f2)\left(B_{r}(a), f_{2}\right) — любые элементы F1F_{1} и F2F_{2}, также являются аналитическими функциями в GG.

?
Задача 20.4

Пусть F1F_{1} и F2F_{2} — две аналитические функции в области GG, определяемые элементами вида (Br(a),f1)(B_{r}(a), f_{1}) и (Br(a),f2)(B_{r}(a), f_{2}), причем для любого элемента (Br(a),f2)\left(B_{r}(a), f_{2}\right) функции F2F_{2} регулярная функция f2(z)≠0,z∈Br(a)f_{2}(z) \neq 0, z \in B_{r}(a). Доказать, что функция F1F2\frac{F_{1}}{F_{2}}, определяемая элементами вида (Br(a),f1f2)\left(B_{r}(a), \frac{f_{1}}{f_{2}}\right), аналитична в области GG.

?
Задача 20.5

Пусть FF — аналитическая функция в области GG, определяемая элементами вида (Br(a),f)(B_{r}(a), f). Пусть g:C→Cg: \mathbb {C} \rightarrow \mathbb {C} — регулярная функция на плоскости C\mathbb {C}. Доказать, что функция, определяемая элементами вида (Br(a),g(f))\left(B_{r}(a), g(f)\right), является аналитической в области GG.

?
Задача 20.6

Определим для всякой точки a∈C\{0}a \in \mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\} и для всякой кусочно-гладкой ориентированной кривой γa\gamma_{a} с началом в точке 1 и концом в точке aa, причем такой, что 0∉γa0 \notin \gamma_{a}, величину

hγa(a)=∫γadζζ h_{\gamma a}(a) = \int _{\gamma a} \frac{d \zeta }{\zeta }

и функцию hγa:B∣a∣(a)→Ch_{\gamma a}: B_{\left|a\right|}(a) \rightarrow \mathbb {C} вида

hγa(z)=hγa(a)+∫azdζζ,z∈B∣a∣(a) h_{\gamma a}(z) = h_{\gamma a}(a)+\int _{a}^{z} \frac{d \zeta }{\zeta }, \quad z \in B_{\left|a\right|}(a)

Доказать, что семейство элементов

(B∣a∣(a),hγa),a∈C\{0} \left(B_{\left|a\right|}(a), h_{\gamma a}\right), \quad a \in \mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\}

образует функцию (обозначаемую Ln⁡z\operatorname {Ln} z), аналитическую во всей комплексной плоскости с выколотой точкой z=0z = 0.

?
Задача 20.7

Пусть α\alpha — произвольное комплексное число. Доказать, что семейство элементов

(B∣a∣(a),eαhγa(z)),a∈C\{0} \left(B_{\left|a\right|}(a), e^{\alpha h_{\gamma a}(z)}\right), \quad a \in \mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\}

где функция hγah_{\gamma a} определена в задаче 6, образует функцию zαz^{\alpha }, аналитическую в C\{0}\mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\}.

?
Задача 20.8

Определим для всякой точки a∈C,a≠i,a≠−ia \in \mathbb {C}, a \neq i, a \neq -i, и для всякой кусочно-гладкой ориентированной кривой γa\gamma_{a} с началом в точке 0 и концом в точке aa, причем такой, что i∉γa,−i∉γai \notin \gamma_{a},-i \notin \gamma_{a}, величину

gγa(a)=∫γadζ1+ζ2 g_{\gamma _{a}}(a) = \int _{\gamma _{a}} \frac{d \zeta }{1+\zeta ^{2}}

и функцию gγa:Bra(a)→Cg_{\gamma_{a}}: B_{r_{a}}(a) \rightarrow \mathbb {C} вида

gγa(z)=gγa(a)+∫azdζ1+ζ2,z∈Bra(a),ra=min⁡{∣a−i∣,∣a+i∣} g_{\gamma _{a}}(z) = g_{\gamma _{a}}(a)+\int _{a}^{z} \frac{d \zeta }{1+\zeta ^{2}}, \quad z \in B_{r_{a}}(a), \quad r_{a} = \min \left\{ \left|a-i\right|,\left|a+i\right|\right\}

Доказать, что семейство элементов

(Bra(a),gγa),a≠±i \left(B_{r_{a}}(a), g_{\gamma _{a}}\right), \quad a \neq \pm i

образует функцию (обозначаемую Arctg⁡z)\operatorname {Arctg} z), аналитическую в C‾\({i}∪{−i})\overline{\mathbb {C}} \backslash (\left\{ i\right\} \cup \left\{ -i\right\} ).

?
Задача 20.9

Пусть функция φ(z)\varphi (z) регулярна в области GG и z0z_{0} — некоторая точка этой области. Для всякой точки a∈Ga \in G и всякой кусочно-гладкой кривой γa⊂G\gamma_{a} \subset G с началом в точке z0z_{0} и концом в точке aa, определим величину

fγa(a)=∫γaφ(ζ)dζ f_{\gamma _{a}}(a) = \int _{\gamma _{a}} \varphi (\zeta ) d \zeta

и функцию fγa:Br(a)→Cf_{\gamma_{a}}: B_{r}(a) \rightarrow \mathbb {C} вида

fγa(z)=fγa(a)+∫azφ(ζ)dζ,z∈Bra(a) f_{\gamma _{a}}(z) = f_{\gamma _{a}}(a)+\int _{a}^{z} \varphi (\zeta ) d \zeta , \quad z \in B_{r_{a}}(a)

где ra>0r_{a} > 0, такое, что Bra(a)⊂GB_{r_{a}}(a) \subset G. Доказать, что семейство элементов

(Bra(a),fγa),a∈G, \left(B_{r_{a}}(a), f_{\gamma _{a}}\right), \quad a \in G,

образует функцию, аналитическую в области GG.

?
Задача 20.10

Доказать, что множество значений, принимаемых элементами аналитической функции Ln⁡z(\operatorname {Ln} z( см. задачу 6) в произвольной точке a∈C\{0}a \in \mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\}, совпадает с множеством значений выражения

Ln⁡a=ln⁡∣a∣+iArg⁡a. \operatorname {Ln} a = \ln \left|a\right|+i \operatorname {Arg} a.
?
Задача 20.11

Доказать, что множество значений, принимаемых элементами аналитической функции zαz^{\alpha } (см. задачу 7) в произвольной точке a∈C\{0}a \in \mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\}, совпадает с множеством значений выражения

{aα}=eαLn⁡a. \left\{ a^{\alpha }\right\} = e^{\alpha \operatorname {Ln} a}.
?
Задача 20.12

Доказать, что множество значений, принимаемых элементами аналитической функции Arctg⁡z\operatorname {Arctg} z (см. пример 8) в произвольной точке aa из области G={z∈C:z≠±i}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq \pm i\right\} совпадает с множеством значений выражения

12iLn⁡1+ia1−ia. \frac{1}{2 i} \operatorname {Ln} \frac{1+i a}{1-i a}.
?
Задача 20.13

Для следующих многозначных выражений и областей GG найти аналитические в области GG функции, которые изображаются этими выражениями:

?
(1)

{zz}\left\{ z^{z}\right\}, где G={z∈C:z≠0}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0\right\};

(2)

{z2Ln⁡2z}\left\{ z^{2} \operatorname {Ln}^{2} z\right\}, где G={z∈C:z≠0}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0\right\};

(3)

Ln⁡(1−z2)\operatorname {Ln}\left(1-z^{2}\right), где G={z∈C:z≠1,z≠−1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 1, z \neq -1\right\};

(4)

{1+z23}\left\{ \sqrt[3]{1+z^{2}}\right\}, где G={z∈C:z≠i,z≠−i}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq i, z \neq -i\right\};

(5)

{1−z4}\left\{ \sqrt{1-z^{4}}\right\}, где G={z∈C:z≠±i,z≠±1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq \pm i, z \neq \pm 1\right\};

(6)

Ln z2−1z2+1\frac{z^{2}-1}{z^{2}+1}, где G={z∈C‾:z≠±i,z≠±1}G = \left\{ z \in \overline{\mathbb {C}}: z \neq \pm i, z \neq \pm 1\right\}.

(7)

{z2−1}\left\{ \sqrt{z^{2}-1}\right\}, где G={z∈C:z≠±1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq \pm 1\right\};

(8)

Ln⁡z−1z+1\operatorname {Ln} \frac{z-1}{z+1}, где G={z∈C:z≠±1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq \pm 1\right\}.

Задача 20.14

Пусть функция f:G→Cf: G \rightarrow \mathbb {C} регулярна и отлична от нуля в области GG.

?
(1)

Обязано ли выражение {f(z)}\left\{ \sqrt{f(z)}\right\} изображать функцию, аналитическую в области GG?

(2)

Может ли выражение {f(z)}\left\{ \sqrt{f(z)}\right\} изображать функцию, аналитическую в области GG?

Задача 20.15

Доказать, что если начальные элементы двух аналитических в области GG функций эквивалентны, то эти функции тождественно равны.

?
Задача 20.16

Доказать, что если какой-либо элемент аналитической в области GG функции эквивалентен нулю, то эта функция тождественно равна нулю.

?
Задача 20.17

Пусть начальный элемент (Br(a),f0)(B_{r}(a), f_{0}) порождает в области G⊂CG \subset \mathbb {C} аналитическую функцию. Доказать, что в области GG существует аналитическая функция с начальным элементом

(Br(a),∫azf0(ζ)dζ) \left(B_{r}(a), \int _{a}^{z} f_{0}(\zeta ) d \zeta \right)
?
Задача 20.18

Доказать, что существует функция, аналитическая во всей комплексной плоскости с выколотыми точками z=0z = 0 и z=1z = 1, которая изображается формулой LnLn⁡z\operatorname {LnLn} z.

?
Задача 20.19

Доказать существование функций, изображаемых следующими многозначными формулами и аналитических в данных областях GG:

?
(1)

{(z+1)α(Ln⁡z)β}\left\{ (z+1)^{\alpha }(\operatorname {Ln} z)^{\beta }\right\}, где G={z∈C:z≠0,z≠±1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0, z \neq \pm 1\right\};

(2)

Ln⁡(z+z2+1)\operatorname {Ln}\left(z+\sqrt{z^{2}+1}\right), где G={z∈C:z≠±i}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq \pm i\right\};

(3)

Ln⁡(1−z4)\operatorname {Ln}(1-\sqrt[4]{z}), где G={z∈C:z≠0,z≠1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0, z \neq 1\right\};

(4)

{z+z}\left\{ \sqrt{z+\sqrt{z}}\right\}, где G={z∈C:z≠0,z≠1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0, z \neq 1\right\};

(5)

{πi+Ln⁡z3}\left\{ \sqrt[3]{\pi i+\operatorname {Ln} z}\right\}, где G={z∈C:z≠0,z≠−1}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0, z \neq -1\right\};

(6)

{1+Ln⁡z}\left\{ \sqrt{1+\sqrt{\operatorname {Ln} z}}\right\}, где G={z∈C:z≠0,z≠e}G = \left\{ z \in \mathbb {C}: z \neq 0, z \neq e\right\}.

Задача 20.20

Доказать, что сумма степенного ряда ∑n=0∞z2n\sum_{n = 0}^{\infty } z^{2^{n}} является полной аналитической функцией в круге сходимости B1(0)={z:∣z∣<1}B_{1}(0) = \left\{ z:\left|z\right| < 1\right\}.

?
Задача 20.21

Доказать, что в случае, когда радиус сходимости степенного ряда ∑n=0+∞anzn\sum_{n = 0}^{+\infty } a_{n} z^{n} равен единице и все an⩾0a_{n} \geqslant 0, то такой ряд не может быть продолжен в точку z=1z = 1 (теорема Прингсхейма).

?
Задача 20.22

Доказать, что функция ff, определенная рядом

∑n=0+∞azn(a−z)n+1,a∈C\{0} \sum _{n = 0}^{+\infty } \frac{a z^{n}}{(a-z)^{n+1}}, \quad a \in \mathbb {C} \backslash \left\{ 0\right\}

в круге его сходимости является непосредственным аналитическим продолжением функции gg, определяемой рядом ∑n=0+∞(2za)n\sum_{n = 0}^{+\infty }\left(\frac{2 z}{a}\right)^{n} в круге его сходимости.

?
Задача 20.23

Пусть функция ff регулярна в окрестности точки z=0z = 0, а последовательность {f(n)(z)}\left\{ f^{(n)}(z)\right\} сходится там равномерно и

lim⁡n→∞f(n)(0)=1 \lim _{n \rightarrow \infty } f^{(n)}(0) = 1

Доказать, что предельная функция этой последовательности аналитически продолжается в C\mathbb {C}.

?