§1,2. Компл-е числа. Послед

Download Report

Transcript §1,2. Компл-е числа. Послед

Slide 1

Математический анализ

Раздел: Теория функций комплексного переменного

Тема: Комплексные числа. Последовательности
комплексных чисел

Лектор Пахомова Е.Г.

2011 г.


Slide 2

Глава.

Теория функций комплексного
переменного

§1. Комплексные числа (повторение)
1. Определение
Выражение вида x + iy (где x,yℝ) называется комплексным
числом (в алгебраической форме).
Обозначают: { z = x + iy | x,yℝ} = ℂ .
Называют: x – действительная часть z (обозначают: Rez )
y – мнимая часть z (обозначают: Imz ).
Если x = 0 , то к.ч. называют чисто мнимым.
Если y = 0 , то z = x – действительное число.
 ℝ  ℂ (говорят: множество комплексных чисел является
расширением множества действительных чисел)


Slide 3

2. Арифметические действия над к.ч.
Пусть z1 = x1 + iy1 , z2 = x2 + iy2 .
а) Сложение (вычитание) к.ч.:
z1 + z2 = ( x1 + x2 ) +i( y1 + y2 )
z1 – z2 = ( x1 – x2 ) +i( y1 – y2 )
б) Умножение к.ч.:
z1  z2 = ( x1  x2 – y1  y2 ) +i( x1  y2 + x2  y1 )
Частный случай – возведение в степень n ( nℕ ):
zn = ( x + iy )n = ( x + iy )  ( x + iy )  …  ( x + iy )
в) Деление к.ч:
т.е.

z1
z2



x1  iy 1
x 2  iy 2

z1
z2





( x1 x 2  y 1 y 2 )
2
x2

z1  z 2
z2  z2



2
y2

i

( y 1 x 2  y 2 x1 )

,

где z2 = x2 – iy2 – комплексно сопряженное к z2

x2  y2
2

2


Slide 4

3. Геометрическая интерпретация к.ч.
Имеем:

z = x + iy ↔ M(x ;y)
y

M ( x; y )

x

Комплексная плоскость


Slide 5

Пусть на комплексной плоскости введена полярная система
координат
y

M ( x; y )
M ( r ; )

r
O

Тогда


x

x = rcos , y = rsin
 z = x + iy = r  (cos + i sin ) – тригонометрическая
форма записи к.ч.
НАЗЫВАЮТ: r – модуль к.ч. z ,  – аргумент к.ч. z
ОБОЗНАЧАЮТ:
| z | – модуль к.ч. z ;
argz – главное значение аргумента
(т.е. [0;2) или (–; ] );
Argz – все значения аргумента (т.е Argz = argz + 2k , kℤ ).


Slide 6

z1 = r1  (cos1 + i sin1 ) ,

Пусть

z2 = r2  (cos2 + i sin2 ) .

Тогда: 1) z1  z2 = r1r2  [cos(1 + 2) + i sin(1 + 2) ] ,
2)

z1



z2

r1
r2

 [cos(  1   2 )  i sin(  1   2 )]

3) zn = [r  (cos + i sin )]n = rn  [cos(n) + i sin(n) ]
(где nℕ )
4)

n

z 

k 

n

n

r (cos   i sin  )  { 0 ,  2 , ... ,  n  1} , где

   2 k 
   2 k
r  cos 
  i sin 
n
n






  , k  0; n  1



Slide 7

4. Переход от алгебраической формы записи к.ч.
к тригонометрической
y

  arctg

Пусть z = x + iy .
Тогда

z  r 

y



x

x  y
2

x

2

x

  arctg

y



x



  arctg

y

y

arctg ,
åñëè x

x

y
  , åñëè x
 arctg

x
arg z    


,
åñëè x
2



 ,
åñëè x

2

0;
0;
 0, y  0 ;
 0, y  0 .

  arctg

y
x


Slide 8

§2. Последовательности комплексных чисел
1. Определения и основные утверждения
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1. Последовательностью к.ч. называется
перенумерованное множество комплексных чисел.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2. Последовательностью к.ч. называется
функция, заданная на множестве натуральных чисел и имеющая множеством значений некоторое множество комплексных чисел, т.е zn : ℕ  Z , где Zℂ .
Принято обозначать:
n (или k) – аргумент последовательности
zn, wn – значения функции
Записывают последовательность:
{ z1, z2, …, zn, …} – развернутая запись;
{ zn } – короткая запись (где zn – общий член)


Slide 9

Пусть задана последовательность {zn} = {xn + iyn}
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Число z0 = x0 + iy0ℂ называется пределом
последовательности { zn } если >0 Nℕ такое, что
| zn – z0 | < , n>N.
Записывают:

lim z n  z 0 ,

n

zn  z0

Говорят: последовательность {zn} сходится (стремиться) к z0.
Последовательность, имеющую предел, называют сходящейся
(сходящейся к z0)
Последовательность, не имеющую предела, называют
расходящейся.


Slide 10

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
ПРЕДЕЛА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ К.Ч.
Имеем: z0 = x0 + iy0 ↔ M0(x0 ,y0)
-окресностью числа z0 называют открытый
круг с центром в M0 и радиуса  .
Обозначают: U(z0, )

 если z = x + iy U(z0, ), то | M0M | <  (где M(x ,y) )


( x  x0 )  ( y  y0 )
2

2



 |z – z0| < 
Таким образом U(z0, ) = { zℂ | |z – z0| <  } (алгебраическое
определение -окрестности точки z0)


Slide 11

Если z 0  lim z n , то с геометрической точки зрения это означаn
ет, что в любой -окрестности точки z0 находятся все члены
последовательности {zn}, за исключением может быть
конечного их числа. (Геометрическая интерпретация предела
последовательности комплексных чисел).
 z0 – точка «сгущения» последовательности { zn }.

Пусть задана последовательность {zn} = {xn + iyn}.
Имеем: {zn} ↔ {xn} , {yn} .
ТЕОРЕМА 1 (о связи сходимости последовательностей {zn},
{xn} , {yn} ).
Последовательность {zn} = {xn + iyn} сходится к z0 = x0 + iy0
 сходятся последовательности {xn} , {yn} , причем
lim x n  x 0 ,

n

lim y n  y 0 .

n

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО


Slide 12

Из теоремы 1 следует, что часть свойств последовательностей
действительных чисел остаются справедливыми для
последовательностей к.ч.
А именно, справедливы следующие утверждения:
1) Отбрасывание (добавление) конечного числа
последовательности не влияет на ее сходимость.

членов

2) Последовательность может иметь не более одного предела
3) Если { zn }  z0 , то { | zn | }  | z0 | .
4) Сходящаяся последовательность ограничена.


Slide 13

5) Пусть { zn } и { wn } – сходящиеся последовательности и
lim z n  z 0 ,

n

lim w n  w 0 .

n

Тогда их сумма, разность, произведение и частное тоже
являются сходящимися последовательностями, причем
a ) lim ( z n  w n )  z 0  w 0 ;
n

b ) lim ( z n  w n )  z 0  w 0 ;
n

 zn 
z0

c ) lim 
n  w 
 n  w0

( w0  0 ) .

6) Если {zn} сходится к z0, то cℂ последовательность {czn}
тоже сходится, причем
lim ( cz n )  c  lim z n  cz 0 .

n

n

(Следствие свойства 5(b))


Slide 14

Пусть задана последовательность {zn} = {rn  (cosn + i sinn )} .
Имеем: {zn} ↔ {rn} , {n} .
ТЕОРЕМА 2 (достаточное условие сходимости последовательности к.ч.).
Пусть
lim rn  r ,
lim  n   .
n

n 

Тогда последовательность {zn}={rn  (cosn + i sinn )} – сходится, причем
lim z n  r (cos   i sin  ) .

n

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО – самостоятельно


Slide 15

Замечание. Утверждение обратное теореме 2 неверно.
 (  1) n
{zn }  
 n

Например:
но

1
{zn }  
n


i  0 ,


n
n

(  1)  
(  1)  
 cos
 i sin

2
2


(  1)  


 ,



n

lim  n  lim

n 

n 



 .

2

ПРИМЕР. С помощью теоремы 2, найти предел последовательности
n
 
z  
z n    1    , где z = x + iy .
n  
 