Bài giảng Toán chuyên ngành điện - Chương 1: Hàm giải tích
CHƯƠNG 1: HÀM GIẢI TÍCH
§1. SỐ PHỨC VÀ CÁC PHÉP TÍNH
1. Dạng đại số của số phức: Ta gọi số phức là một biểu thức dạng (x + jy) trong đó x
và y là các số thực và j là đơn vị ảo. Các số x và y là phần thực và phần ảo của số
phức. Ta thường kí hiệu:
z = x + jy
x = Rez = Re(x + jy)
y = Imz = Im(x + jy)
Tập hợp các số phức được kí hiệu là C. Vậy:
C = { z = x + jy | x ∈ R , y ∈ R}
trong đó R là tập hợp các số thực.
Nếu y = 0 ta có z = x, nghĩa là số thực là trường hợp riêng của số phức với phần ảo
bằng 0. Nếu x = 0 ta z = jy và đó là một số thuần ảo.
Số phức z = x − jy được gọi là số phức liên hợp của z = x + jy. Vậy Re(z) = Re(z),
Im(z) = −Im(z) , z = z .
Số phức -z = -x - jy là số phức đối của z = x + jy.
Hai số phức z1 = x1 + jy1 và z2 = x2 + jy2 gọi là bằng nhau nếu x1 = x2 và y1 = y2.
2. Các phép tính về số phức:
a. Phép cộng: Cho hai số phức z1 = x1 + jy1 và z2 = x2 + jy2. Ta gọi số phức
z = (x1 + x2 ) + j(y1 + jy2 )
là tổng của hai số phức z1 và z2.
Phép cộng có các tính chất sau:
z1 + z2 = z2 + z1
(giao hoán)
z1 + (z2 + z3) = (z1 + z2) + z3
(kết hợp)
b. Phép trừ: Cho 2 số phức z1 = x1 + jy1 và z2 = x2 + jy2. Ta gọi số phức
z = (x1 - x2 ) + j(y1 - jy2 )
là hiệu của hai số phức z1 và z2.
c. Phép nhân: Cho 2 số phức z1 = x1 + jy1 và z2 = x2 + jy2. Ta gọi số phức
z = z1.z2 = (x1x2-y1y2) + j(x1y2 + x2y1)
là tích của hai số phức z1 và z2.
Phép nhân có các tính chất sau:
z1,z2 = z2.z1
(tính giao hoán)
(z1.z2).z3 = z1.(z2.z3)
(tính kết hợp)
z1(z2 + z3) = z1.z2 + z2.z3 (tính phân bố)
(-1.z) = -z
z.0 = 0. z = 0
j.j = -1
d. Phép chia: Cho 2 số phức z1 = x1 + jy1 và z2 = x2 + jy2. Nếu z2 ≠ 0 thì tồn tại
một số phức z = x + jy sao cho z.z2 = z1. Số phức:
1
x1x2 + y1y2
x22 + y22
y1x2 − y2x1
x22 + y22
z1
z2
z =
=
+ j
được gọi là thương của hai số phức z1 và z2.
e. Phép nâng lên luỹ thừa: Ta gọi tích của n số phức z là luỹ thừa bậc n của z
và kí hiệu:
zn = z.zLz
Đặt w = zn =(x + jy)n thì theo định nghĩa phép nhân ta tính được Rew và Imw theo x
và y.
Nếu zn = w thì ngược lại ta nói z là căn bậc n của w và ta viết:
z = n w
f. Các ví dụ:
Ví dụ 1:
j2 = -1
j3 = j2.j = -1.j = -j
(2+j3) + (3-5j) = 5-2j
Ví dụ 2:
1
= −j
j
2 + 5j (2 + 5j)(1+ j) − 3+ 7j
3 7
=
=
= − + j
1− j
1− j2
2
2 2
Ví dụ 3:
Ví dụ 4:
z + z = (x + jy) + (x − jy) = 2x = 2Rez
Tìm các số thực thoả mãn phương trình:
(3x - j)(2 + j)+ (x - jy)(1 + 2j) = 5 + 6j
Cân bằng phần thực và phần ảo ta có:
20
36
x =
y = −
17
17
Ví dụ 5: Giải hệ phương trình:
z + jε =1
⎧
⎨
⎩
2z + ε =1+ j
Ta giải bằng cách dùng phương pháp Cramer và được kết quả:
1
j
1+ j 1
1 j
2 − j (2 − j)(1+ 2j) 4 + 3j
z =
=
=
=
=
1− 2j
5
5
2 1
1
j
2 1+ j
1 j
j−1 (j−1)(1+ 2j) − 3− j
ε =
=
=
1− 2j
5
5
2 1
Ví dụ 6: Chứng minh rằng nếu đa thức P(z) là một đa thức của biến số phức z với các
hệ số thực:
2
P(z) = a0zn + a1zn-1 + ⋅⋅⋅+ an thì P(z) = P(z)
Thật vậy ta thấy là số phức liên hợp của tổng bằng tổng các số phức liên hợp của từng
số hạng, số phức liên hợp của một tích bằng tích các số phức liên hợp của từng thừa
số. Do vậy:
akzn−k = ak .zn−k
Do đó:
n
n
n
P(z) = a zn−k = a zn−k = a zn−k = P(z)
∑
∑
∑
k
k
k
k=0
k=0
k=0
Từ kết quả này suy ra nếu đa thức P(z) có các hệ số thực và nếu α là một
nghiệm phức của nó tức P(α) = 0 thì α cũng là nghiệm của nó, tức P(α ) = 0.
3. Biểu diễn hình học: Cho số phức z = x + jy. Trong mặt phẳng xOy ta xác định
điểm M(x,y) gọi là toạ vị của số phức z. Ngược lại cho điểm M trong mặt phẳng, ta
biết toạ độ (x,y) và lập được số phức z = x + jy. Do đó ta gọi xOy là mặt phẳng phức.
Ta cũng có thể biểu diễn số phức bằng một vec tơ tự do có toạ độ là (x,y).
4. Mođun và argumen của số phức z: Số phức z có toạ vị là M. Ta gọi độ dài r của
vec tơ OMlà mođun của z và kí hiệu là z .
Góc ϕ xác định sai khác 2kπ được gọi là argumen
của z và kí hiệu là Argz:
M
r = z = OM
y
r
Argz =
Ox,OM
= ϕ + 2kπ
ϕ
đặc biệt, trị số của Argz nằm giữa -π và π gọi là giá
trị chính của Argz và kí hiệu là argz. Trường hợp z =
0 thì Argz không xác định.
x
O
Giữa phần thực, phần ảo, mođun và argumen có liên hệ:
x = rcosϕ
y = rsinϕ
r = x2 + y2
y
tgϕ =
x
y
x
⎧
acrtg
khi x > 0
⎪
⎪
⎪
y
x
argz = π + acrtg
khi x < 0,y ≥ 0
khi x < 0,y < 0
⎨
⎪
⎪
y
x
− π + acrtg
⎪
⎩
Với x = 0 từ định nghĩa ta có:
3
π
⎧
khi y > 0
khi y < 0
⎪
⎪
2
argz =
⎨
⎪
π
−
⎪
⎩ 2
Hai số phức bằng nhau có mođun và argumen bằng nhau.
z = z
2
z.z = z
Từ cách biểu diễn số phức bằng vec tơ ta thấy số phức (z1 - z2) biểu diễn
khoảng cách từ điểm M1 là toạ vị của z1 đến điểm M2 là toạ vị của z2. Từ đó suy ra
| z | = r biểu thị đường tròn tâm O, bán kính r. Tương tự | z - z1 | = r biểu thị đường
tròn tâm z1, bán kính r; | z - z1 | > r là phần mặt phức ngoài đường tròn và | z - z1 | < r
là phần trong đường tròn đó.
Hơn nữa ta có các bất đẳng thức tam giác:
| z1 + z2 | ≤ | z1 | + | z2 | ; | z1 - z2 | ≥ || z1 | - | z2 ||
Từ định nghĩa phép nhân ta có:
z1.z2 = r1.r2 [(cosϕ1cosϕ2 - sinϕ1sinϕ2) - j(sinϕ1cosϕ2 + sinϕ2cosϕ2)]
= r1.r2 [cos(ϕ1 + ϕ2) + jsin(ϕ1 + ϕ2)]
Vậy: | z1.z2 | = | z1 |.| z2 |
Arg(z1.z2 ) = Argz1 + Argz2 + 2kπ
Tương tự, nếu z2 ≠ 0 thì:
z1
r
1
= [cos(ϕ1 - ϕ2) + jsin(ϕ1 - ϕ2)]
z2 r2
z1
z2
⎞
z1
=
z2
⎛
z1
z2
⎜
⎜
⎟
⎟
Arg
= Argz1 + Argz2 + 2kπ
⎝
⎠
5. Các ví dụ:
Ví dụ 1: 3+ 2j = 32 + 22 = 13
Ví dụ 2: Viết phương trình đường tròn A(x2 + y2) + 2Bx + 2Cy + D = 0 với các hệ số
A, B, C, D là các số thực trong mặt phẳng phức.
Ta đặt z = x + jy nên z = x − jy .
2
Mặt khác
x2 + y2 =|z| = z.z
2x = z + z
z − z
2y =
= −j(z − z)
j
Thay vào phương trình ta có:
Azz + B(z + z) − Cj(z − z) = 0
4
hay Azz + Ez + Ez + D = 0
6. Dạng lượng giác của số phức: Nếu biểu diễn số phức z theo r và ϕ ta có:
z = x + jy = r(cosϕ + jsinϕ)
Đây là dạng lượng giác số phức z.
Ví dụ: z = -2 = 2(cosπ + jsinπ )
Các phép nhân chia dùng số phức dưới dạng lượng giác rất tiên lợi. Ta có:
z1 = r
(
(
cosϕ + jsin ϕ
)
1
z2 = r2
cosψ + jsin ψ
)
z = z1.z2= r r
[
cos ϕ + ψ
(
)
+ jsin
(
ϕ + ψ
)]
1 2
z1
r
1
z =
=
[
cos
(
ϕ − ψ + jsin
)
(
ϕ − ψ
)]
z2 r2
Áp dụng công thức trên để tính tích n thừa số z, tức là zn. ta có:
[r(cosϕ + jsinϕ)]n = rn(cosnϕ + jsinnϕ)
Đặc biệt khi r = 1 ta có công thức Moivre:
(cosϕ + jsinϕ)n = (cosnϕ + jsinnϕ)
Thay ϕ bằng -ϕ ta có:
(cosϕ - jsinϕ)n = (cosnϕ - jsinnϕ)
Ví dụ: Tính các tổng:
s = cosϕ + cos2ϕ + ⋅⋅⋅+ cosnϕ
t = sinϕ + sin2ϕ + ⋅⋅⋅ + sinnϕ
Ta có jt = jsinϕ + jsin2ϕ + ⋅⋅⋅ + jsinnϕ
Đặt z = cosϕ + jsinϕ và theo công thức Moivre ta có:
s + jt = z + z2 + ⋅⋅⋅ + zn
Vế phải là một cấp số nhân gồm n số, số hạng đầu tiên là z và công bội là z. Do đó ta
có:
zn − 1
z − 1
cos(n + 1)ϕ − cosϕ
z
n+1 − z
z − 1
cos(n + 1)ϕ + jsin(n + 1)ϕ − cosϕ − jsin ϕ
s + jt = z
=
=
cosϕ + jsin ϕ − 1
+ j[sin(n + 1)ϕ − sin ϕ]
(cosϕ − 1) + jsin ϕ
[
]
=
[
cos(n + 1)ϕ − cosϕ
]
+ j[sin(n + 1)ϕ − sin ϕ]
(cosϕ − 1) − jsin ϕ
(cosϕ − 1) − jsin ϕ
=
.
(cosϕ − 1) + jsin ϕ
Như vậy:
cos(n +1)ϕ.cosϕ − cos2 ϕ − cos(n +1)ϕ + cosϕ + sin(n +1)ϕ.sin ϕ − sin2 ϕ
s = Re(s + jt) =
(cosϕ −1)2 + sin2 ϕ
cos(n +1)ϕ.cosϕ + sin(n +1)ϕ.sin ϕ − cos(n +1)ϕ + cosϕ −1
2 − 2cosϕ
=
=
cosϕ − cos(n +1)ϕ + cosnϕ −1
2(1− cosϕ)
5
Tương tự ta tính được
t = Im(s+jt)
Khi biểu diễn số phức dưới dạng lượng giác ta cũng dễ tính được căn bậc n của nó.
Cho số phức z = r(cosϕ + jsinϕ) ta cần tìm căn bậc n của z, nghĩa là tìm số phức ζ sao
cho:
ζn = z
trong đó n là số nguyên dương cho trước.
Ta đặt ζ = ρ(cosα + jsinα) thì vấn đề là phải tìm ρ và α sao cho:
ρn(cosnα + jsinnα) = r(cosϕ + jsinϕ)
Nghĩa là
ρn = r
và
nα = ϕ
ϕ + 2kπ
Kết quả là: ζ = n r ; α =
n
Cụ thể, căn bậc n của z là số phức:
ϕ
n
ϕ
n
⎛
⎝
⎞
⎟
⎠
ζ = n r cos + jsin
⎜
o
ϕ + 2π
ϕ + 2π
⎛
⎝
⎞
⎟
⎠
ζ = n r cos
+ jsin
⎜
1
n
n
. . . . . .
ϕ + 2(n −1)π
ϕ + 2(n −1)π
⎡
⎣
⎤
⎦
ζn−1 = n r cos
+ jsin
⎢
⎥
n
n
với k là số nguyên và chỉ cần lấy n số nguyên liên tiếp (k = 0, 1, 2,...,n-1) vì nếu k lấy
hai số nguyên hơn kém nhau n thì ta có cùng một số phức.
7. Toạ vị của số phức tổng, hiệu, tích và thương hai số phức:
a. Toạ vị của tổng và hiệu: Toạ vị của tổng hai số
phức là tổng hay hiệu 2 vec tơ biểu diễn số phức đó.
b. Toạ vị của tích hai số phức: Ta có thể tìm toạ vị
của tích hai số phức bằng phương pháp dựng hình. Cho hai
số phức z1 và z2 như hình vẽ. Ta dựng trên cạnh Oz1 tam
giác Oz1z đồng dạng với tam giác O1z2. Như vậy Oz là tích
của hai số phức z1 và z2.
z2z1=z
z2
1
z1
Thật vậy, do tam giác Oz1z đồng dạng với tam giác
O1z2 nên ta có:
z
z1
z2
1
=
hay z = z1.z2
c. Toạ vị của thương hai số phức: Việc tìm thương hai số phức đưa về tìm tích
1
1
z1. . Vì vậy ta chỉ cần tìm w = . Trước hết ta giả thiết | z | < 1(hình a)
z2
z
Ta tìm w theo các bước sau:
- vẽ đường tròn đơn vị và z
6
- dựng tại z đường vuông với Oz và cắt đường tròn đơn vị tại s
- vẽ tiếp tuyến với đường tròn tại s và cắt Oz tại t.
1
- do ∆Ozs & ∆Ost đồng dạng nên ta có | t |=
| z |
- lấy w đối xứng với t.
Trường hợp | z | > 1 ta vẽ như hình b:
- vẽ đường tròn đơn vị và z
- từ z vẽ tiếp tuyến với đường tròn tại s
- dựng tại s đường vuông với Oz cắt Oz tại t
1
- do Ozs và Ost đồng dạng nên ta có | t |=
| z |
- lấy w đối xứng với t.
z
t
s
s
z
t
O
w
w
a
b
8. Dạng mũ của số phức: Nhờ công thức Euler ejϕ = cosϕ + jsin ϕ ta có thể biểu
diễn số phức dưới dạng số mũ:
z = rejϕ = | z |ejArgz
3π
4
Ví dụ z = −1− j = 2e−j
Biểu diễn số phức dưới dạng mũ rất tiện lợi khi cần nhân hay chia các số phức:
z1 = r ejϕ
z2 = r2ejα
1
z1z2 = r r ej(ϕ+α)
1 2
z1
r
j(ϕ−α)
1
= e
z2 r2
9. Mặt cầu Rieman: Ta xét một mặt cầu S tâm (0, 0, 0.5), bán kính 0.5 (tiếp xúc với
mặt phẳng xOy tại O). Mặt phẳng xOy là mặt phẳng phức z với Ox là trục thực và Oy
là trục ảo. Đoạn thẳng nối điểm z = x + jy có toạ vị là N của mặt phẳng phức với
điểm P(0, 0, 1) của mặt cầu cắt mặt cầu tại điểm M(a, b, c). Ta gọi M là hình chiếu
7
nổi của điểm z lên mặt cầu S với cực P. Phép ánh xạ này lập nên một tương ứng một -
một giữa tất cả các điểm của mặt phẳng z và của mặt cầu S thủng tại P. Vì các điểm P,
M, và N cùng nằm trên một đường thẳng nên ta có:
OT a b PM 1− c
= = =
=
P
ON x y PN
1
a b 1− c
hay
= =
c
x y
1
M
a
b
a + jb
1− c
hay:
x =
;y =
;z =
1− c
1− c
(a2 + b2 )
(1− c)2
2
O
y
b
Từ đó:
z =
a
T
a2 + b2 + c2 - c = 0
x
và do :
suy ra:
N
c
2
z =
1− c
2
z
x
y
hay:
c =
; a =
; b =
2
2
2
1+ z
1+ z
1+ z
Hình chiếu nổi có tính chất đáng lưu ý sau: mỗi đường tròn của mặt phẳng z(đường
thẳng cũng được coi là đường tròn có bán kính ∞) chuyển thành một đường tròn trên
z + z
2
z + z
2j
mặt cầu và ngược lại. Thật vậy để ý x =
;y =
ta thấy mỗi đường tròn của
mặt phẳng z thoả mãn một phương trình dạng:
1
j
Azz + B(z + z) − C(z − z) + D = 0
2
2
Trong đó A, B, C, D là các số thực thỏa mãn A ≥ 0, B2 + C2 > 4AD, đặc biệt đối vơsi
đường thẳng A = 0. Áp dụng các gái trị của z, x, y ta có:
(A - D)c +Ba +Cb + D = 0
đây là một đường tròn trên mặt cầu S.
§2. HÀM MỘT BIẾN PHỨC
1. Khái niệm về miền và biên của miền:
a. Điểm trong của một tập: Giả sử E là tập hợp điểm trong mặt phẳng phức z
và zo là một điểm thuộc E. Nếu tồn tại một số ε lân cận của zo nằm hoàn toàn trong E
thì zo được gọi là điểm trong của tập E.
b. Biên của một tập: Điểm ζ thuộc E hay không thuộc E được gọi là điểm biên
của tập E nếu mọi hình tròn tâm ζ đều chứa cả những điểm thuộc E và không thuộc E.
Tập hợp các điểm biên của tập E được gọi là biên của tập E. Nếu điểm η không thuộc
E và tồn tại hình tròn tâm η không chứa điểm nào của E thì η được gọi là điểm ngoài
của tập E.
8
Ví dụ: Xét tập E là hình tròn | z | < 1. Mọi điểm của E đều là điểm trong. Biên của E
là đường tròn | z | = 1. Mọi điểm | η | > 1 là điểm ngoài của E.
c. Miền: Ta gọi miền trên mặt phẳng phức là tập hợp G có các tính chất sau:
- G là tập mở, nghĩa là chỉ có các điểm trong.
- G là tập liên thông, nghĩa là qua hai điểm tuỳ ý thuộc G, bao giờ cũng có thể
nói chúng bằng một đường cong liên tục nằm gọn trong G.
Tập G, thêm những điểm biên gọi là tập kín và kí hiệu là G . Miền G gọi là bị
chặn nếu tồn tại một hình trong bán kính R chứa G ở bên trong.
a
b
c
Trên hình a là miền đơn liên, hình b là miền nhị liên và hình c là miền tam liên.
Hướng dương trên biên L của miền là hướng mà khi đi trên L theo hướng đó thì phần
của miền G kề với người đó luôn nằm bên trái.
π
6
π
3
Ví dụ 1: Vẽ miền < argz <
π
6
π
3
Ou
Ou
Ox
Ou2
sao cho (
Ox Ou
Ta vẽ tia
sao cho (
,
1 ) = . Sau đó vẽ tia
,
2 ) = .
1
Mọi điểm z nằm trong u1Ou2 đều có argumen thoả mãn điều kiện bài toán. Ngược lại
π
6
π
3
các điểm có argumen nằm giữa và đều ỏ trong góc u1Ou2
π
6
π
3
Vậy miền < argz < là phần mặt phẳng giới hạn bởi hai cạnh Ou1 và Ou2
y
y
u2
u1
x
-1
O
x
O
Ví dụ 2: Vẽ miền Rez > -1
Mọi điểm nằm bên phải đường thẳng x = -1 đều thoả mãn Rez > -1. Ngược lại mọi
điểm z có phần thực lớn hơn -1 đều nằm bên phải đường thẳng x = -1. Vậy miền Rez
> -1 là nửa mặt phẳng phức gạch chéo trên hình vẽ.
9
2. Định nghĩa hàm biến phức:
a. Định nghĩa: Giả sử E là một tập hợp điểm trên mặt phẳng phức. Nếu có một
quy luật cho ứng với mỗi số phức z∈E một số phức xác định w thì ta nói rằng w là
một hàm số đơn trị của biến phức z xác định trên E và ký hiệu:
w = f(z), z∈E
(1)
Tập E được gọi là miền xác định của hàm số. Nếu ứng với một giá trị z∈E ta có nhiều
giá trị của w thì ta nói w là một hàm đa trị. Sau này khi nói đến hàm số mà không nói
gì thêm thì đó là một hàm đơn trị.
1
Ví dụ: Hàm w = xác định trong toàn bộ mặt phẳng phức trừ điểm z = 0
z
z
z2 +1
Hàm w =
xác định trong toàn bộ mặt phẳng phức trừ điểm z = ±j vì z2+1
= 0 khi z = ±j
Hàm w = z + z +1 xác định trong toàn bộ mặt phẳng phức. Đây là một hàm
đa trị. Chẳng hạn, với z = 0 ta có w = 1 . Vì 1 = cos0 + j sin0 nên w có hai giá trị:
0
0
w1 = cos + jsin =1
2
2
0 + 2π
0 + 2π
w2 = cos
+ jsin
= cosπ + jsin π = −1
2
2
nên ứng với z = 0 ta có hai giá trị w1 = 1 và w1 = -1
b. Phần thực và phần ảo của hàm phức: Cho hàm w = f(z) nghĩa là cho phần
thực u và phần ảo v của nó. Nói khác đi u và v cũng là hai hàm của z. Nếu z= x+jy thì
có thể thấy u và v là hai hàm thực của các biến thực độc lập x và y. Tóm lại. cho hàm
phức w = f(z) tương đương với việc cho hai hàm biến thưc u = u(x, y) và v = v(x, y)
và có thể viết w = f(z) dưới dạng:
w = u(x, y) + jv(x, y)
(2)
Ta có thể chuyển về dạng (2) hàm phức cho dưới dạng (1).
1
Ví dụ 1: Tách phần thực và phần ảo của hàm phức w =
z
Ta có:
1
1
x − jy
x − jy
x
jy
w = =
=
=
=
−
z x + jy (x + jy)(x − jy) x2 + y2 x2 + y2 x2 + y2
Vậy:
x
y
u =
v = −
x2 + y2
x2 + y2
Ví dụ 2: Tách phần thực và phần ảo của hàm w = z3
Ta có: w = z3 = (x + jy)3 = x3 + 3jx2 y + 3j2xy2 + j3y3 = (x3 − 3xy2 ) + j(3x2 y − y3 )
Vậy:u = x3 − 3xy2 v = 3x2y − y3
10
Ví dụ 3: Cho hàm w = x2 − y + j(x + y2 ) . Hãy biểu diễn w theo z = x + jy và z = x -
jy
z + z
2
z − z
2j
Vì
x =
và y =
nên:
2
2
⎡
⎤
⎥
z + z
2
j
z + z
2
z − z
2
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
w =
−
(
z − z
)
+ j
+
⎢
2
⎢
⎣
⎥
⎦
Rút gọn ta có:
1
1
w = (1− j)(z2 + z2 ) + (1+ j)zz + jz
4
2
Ví dụ 4: Cho w = x2 - y2 + 2jxy. Hãy biểu diễn w theo z
2
2
⎛
⎞
z + z
2
z − z
z + z z − z
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
⎛
⎝
⎞
Ta có: w =
Hay: w =
+ j2
+ 2j
⎜
⎟
⎟
⎜
⎟
⎜
2
2
2j
⎠
⎝
⎠
2
2
z + z
2
z − z
2
z + z z − z
⎞⎛
z + z2 z − z2
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
−
+ 2
=
+
= z2
⎟⎜
2
2
2
2
⎠⎝
3. Phép biến hình thực hiện bởi hàm biến phức: Để biểu diễn hình học một hàm
biến số thực ta vẽ đồ thị của hàm số đó. Để mô tả hình học một hàm biến số phức ta
không thể dùng phương pháp đồ thị nữa mà phải làm như sau:
Cho hàm biến phức w = f(z), z∈E. Lấy hai mặt phẳng phức xOy (mặt phẳng z)
và uOv (mặt phẳng w). Ví mỗi điểm z0∈E ta có một điểm w0 = f(z0) trong mặt phẳng
w. Cho nên về mặt hình học, hàm w = f(z0 xác định một phép biến hình từ mặt phẳng
z sang mặt phẳng w. Điểm w0 được gọi là ảnh của z0 và z0 là nghịch ảnh của w0.
Cho đường cong L có phương trình tham số x = x(t), y = y(t). Ảnh của L qua phép
biến hình w = f(z) = u(x, y) + jv(x, y) là tập hợp các điểm trong mặt phẳng w có toạ
độ:
u = u[x(t), y(t)]
v = v[x(t), y(t)]
(3)
Thông thường thì ảnh của đường cong L là đường cong Γ có phương trình tham số (3)
Muốn được phương trình quan hệ trực tiếp giữa u và v ta khử t trong (3). Muốn tìm
ảnh của một miền G ta coi nó được quét bởi họ đường cong L.Ta tìm ảnh Γ của L.
Khi L quét nên miền G thì Γ quét nên miền ∆ là ảnh của G.
4. Các hàm biến phức thường gặp:
a. Ví dụ 1: Hàm w = kz (k > 0)
Đặt z = rejϕ , w = ρejθ = krejϕ . Ta có ρ = kr, θ = ϕ + 2kπ . Vậy đây là một phép co
dãn hay phép đồng dạng với hệ số k
11
y
v
z
w
x
u
k
1
b. Ví dụ 2: w = zejα (α ∈ R)
Đặt z = rejϕ , w = ρejθ = rejϕejα = rej(α+ϕ). Ta có ρ = r, θ = ϕ + α + 2kπ. Như vậy đây là
phép quay mặt phẳng z một góc α.
w
y
v
z
x
u
r
r
c. Ví dụ 3: w = z + b với b = b1 + jb2
Đặt z = x + jy w = u + jv, ta có:
u = x + b1 ; v = y + b2
Vậy đây là một phép tịnh tiến
w
y
z
b
b
x
d. Ví dụ 4: w = az + b với a = kejα là phép biến hình tuyến tính nguyên. Nó là
hợp của ba phép biến hình:
- phép co dãn s = kz
- phép quay t = sjα
- phép tịnh tiến w = t + b
e. Ví dụ 5: w = z2
Đặt z = rejϕ , w = ρejθ ta có: ρ = r2 ; θ = 2ϕ + 2kπ. Mỗi tia z = ϕo biến thành tia argw
= 2ϕo, mỗi đường tròn | z | = ro biến thành đường tròn | w | = r2 . Nếu D = {z: 0 < ϕ <
o
2π } thì f(D) = {-w: 0 < θ < 2π } nghĩa là nửa mặt phẳng phức có Imz > 0 biến thành
toàn bộ mặt phẳng phức w.
12
f. Ví dụ 6: w = | z |. z
Đặt z = rejϕ , w = ρejθ ta có: ρ = r2 ; θ = ϕ + 2kπ. Miền D = {z: 0 < ϕ < π } được biến
đơn diệp lên chính nó, nghĩa là nửa mặt phẳng phức Imz > 0 được biến thnàh nửa mặt
phẳng phức Imw > 0.
g. Ví dụ 7: w = 3 z
Với z ≠ 0 thì w có 3 giá trị khác nhau. Đặt z = rejϕ , w = ρejθ ta có: ρ = 3 r ;
ϕ 2kπ
π
3
⎧
⎩
⎫
⎬
⎭
θk = +
. Miền D = {z: 0 < ϕ < π } có ảnh là ba miền: B = w :0 < θ <
;
⎨
1
3
3
2π
3
2π
3
π
3
⎧
⎩
⎫
⎭
⎧
⎩
⎫
⎬
⎭
B = w :
< θ < π ; B = w : −
< θ < −
⎨
⎬
⎨
2
3
§3. ĐẠO HÀM CỦA HÀM PHỨC
1. Giới hạn của hàm biến phức: Định nghĩa giới hạn và liên tục của hàm biến phức
cũng tương tự như hàm biến thực.
a. Định nghĩa 1: Giả sử f(z) là hàm xác định trong lân cận của zo(có thể trừ zo). Ta
nói số phức A là giới hạn của f(z) khi z dần tới zo nếu khi | z - zo | → 0 thì | f(z)-A→0.
Nói khác đi, với mọi ε > 0 cho trước, luôn luôn tồn tại δ > 0 để khi | z - zo | < δ thì
|f(z)-A| < ε.
Ta kí hiệu: lim f(z) = A
z→z
o
Dễ dàng thấy rằng nếu f(z) = u(x,y) +jv( x,y) ; zo = xo + jyo; A = α+ jβ thì:
lim f(z) = A ⇔ lim u(x, y) = α lim v(x, y) = β
z→z
x→x
x→x
o
o
o
y→y
y→y
o
o
Trong mặt phẳng phức, khi z dần tới zo nó có thể tiến theo nhiều đường khác
nhau. Điều đó khác với trong hàm biến thực, khi x dần tới xo, nó tiến theo trục Ox.
b. Định nghĩa 2: Ta nói số phức A là giới hạn của hàm w = f(z) khi z dần ra vô
cùng, nếu khi | z | → +∞ thì | f(z) - A | → 0. Nói khác đi, với mọi ε > 0 cho trước, luôn
luôn tồn tại R > 0 để khi | z | > R thì | f(z) - A | < ε.
Ta kí hiệu: lim f(z) = A
z→∞
c. Định nghĩa 3: Ta nói hàm w = f(z) dần ra vô cùng khi z dần tới zo, nếu khi |
z - zo | → 0 thì | f(z) | → +∞. Nói khác đi, với mọi M > 0 cho trước lớn tuỳ ý, luôn
luôn tồn tại δ > 0 để khi | z - zo | < δ thì | f(z) | > M.
Ta kí hiệu: lim f(z) = ∞
z→z
o
d. Định nghĩa 4: Ta nói hàm w = f(z) dần ra vô cùng khi z dần ra vô cùng, nếu
khi | z | → +∞ thì | f(z) | → +∞. Nói khác đi, với mọi M > 0 cho trước lớn tuỳ ý, luôn
luôn tồn tại R > 0 để khi | z | > R thì | f(z) | > M.
Ta kí hiệu: limf(z) = ∞
z→∞
13
2. Hàm liên tục: Ta định nghĩa hàm liên tục như sau:
Định nghĩa: Giả sử w = f(z) là một hàm số xác định trong một miền chứa điểm
zo. Hàm được gọi là liên tục tại zo nếu lim f(z) = f(zo )
z→z
o
Dễ thấy rằng nếu f(z ) = u(x, y) + jv(x, y) liên tục tại zo = xo + jyo thì u(x, y) và
v(x, y) là những hàm thực hai biến, liên tục tại (xo, yo) và ngược lại. Hàm w = f(z) liên
tục tại mọi điểm trong miền G thì được gọi là liên tục trong miền G.
Ví dụ: Hàm w = z2 liên tục trong toàn bộ mặt phẳng phức vì phần thực u = x2 - y2 và
phần ảo v = 2xy luôn luôn liên tục.
3. Định nghĩa đạo hàm: Cho hàm w = f(z) xác định trong một miền chứa điểm
z = x + jy. Cho z một số gia ∆z = ∆x + j∆y. Gọi ∆w là số gia tương ứng của hàm:
∆w = f(z + ∆z) - f(z)
∆w
∆z
Nếu khi ∆z → 0 tỉ số
dần tới một giới hạn xác định thì giới hạn đó được gọi là
dw
đạo hàm của hàm w tại z và kí hiệu là f’(z) hay w’(z ) hay
. Ta có:
dz
∆w
∆z
f (z + ∆z) − f (z)
∆z
f '(z) = lim
= lim
(4)
∆z→0
∆z→0
Về mặt hình thức, định nghĩa này giống định nghĩa đạo hàm của hàm biến số thực.
∆w
Tuy nhiên ở đây đòi hỏi
phải có cùng giới hạn khi ∆z → 0 theo mọi cách.
∆z
Ví dụ 1: Tính đạo hàm của w = z2 tại z.
Ta có : ∆w = (z + ∆z)2 - z2 = 2z.∆z + ∆z2
∆w
∆z
= 2z + ∆z
∆w
∆z
Khi ∆z → 0 thì
→ 2z. Do vậy đạo hàm của hàm là 2z.
Ví dụ 2: Hàm w = z = x − jy có đạo hàm tại z không
Cho z một số gia ∆z = ∆x + j∆y. Số gia tương ứng của w là:
∆w = z + ∆z − z = z + ∆z − z = ∆z = ∆x − j∆y
∆w ∆w
∆w
∆x
Nếu ∆y = 0 thì ∆z = ∆x khi đó ∆w = ∆x ;
=
=1 nên lim
=1
∆y→0
∆z ∆x
∆x→0
∆w ∆w
∆z j∆y
∆w
∆x
∆x = 0 thì ∆z = -j∆y khi đó ∆w = -j∆y ;
=
= −1 nên lim
= −1
∆y→0
∆x→0
∆w
∆z
Như vậy khi cho ∆z → 0 theo hai đường khác nhau tỉ số
nhau. Vậy hàm đã cho không có đạo hàm tại mọi z.
có những giới hạn khác
3. Điều kiện khả vi: Như thế ta phải tìm điều kiện để hàm có đạo hàm tại z. Ta có
định lí sau:
14
14 trang
20140
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Toán chuyên ngành điện - Chương 1: Hàm giải tích", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_toan_chuyen_nganh_dien_chuong_1_ham_giai_tich.pdf
