無限級数・広義積分に関する定理#2


無限級数・広義積分の計算でよく用いる定理のうち,複素積分や留数定理に関連するものをまとめた.

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べき級数,一様収束,Fourier 級数に関連するものは以下にまとめた:

5. 複素積分と留数定理

 

定理 5.1:Cauchy-Goursat の定理

f(z) を領域 D で正則な関数とする.単純閉曲線 C に囲まれた領域が D に含まれるとき
Cf(z)dz=0
が成り立つ.

 

この定理は Cauchy の積分定理ともよばれる.

 

定理 5.2:Cauchy の積分公式

f(z) を円 C およびその内部を含む開集合で正則な関数とする.正の整数 nC の内部の点 z0 に対して
f(n)(z0)=n!2πiCf(z)(zz0)n+1dz
が成り立つ.

 

定義 5.3:留数

aC とする.a を除く a の近傍で正則な関数 f(z)
f(z)=+a2(za)2+a1za+a0+a1(za)+a2(za)2+
と Laurent 展開されるとき,1/(za) の係数 a1f(z)a における留数といい
Resz=af(z),Res[f,a]
などと表す.

 

定理 5.4:留数の計算

af(z)m 位の極であるとき
Resz=af(z)=1(m1)!limzadm1dzm1((za)mf(z))
が成り立つ.

 

定理 5.5:留数定理

D を単純閉曲線 C で囲まれた領域とする.f(z)D に含まれる孤立特異点 a1,a2,,an を除いて DC で正則であるとき
Cf(z)dz=2πik=1nResz=akf(z)
が成り立つ.

 

命題 5.6:三角関数を含む定積分

02πf(cosθ,sinθ)dθ=|z|=1f(12(z+1z),12i(z1z))1izdz

 

 系 5.7:留数定理の広義積分への応用(1)

P(x) 及び Q(x) は互いに素な多項式で,次の条件を満たすとする:

  • 方程式 Q(x)=0 は実数解を持たない.
  • degQdegP2.
  • このとき,Q(z) の上半平面 {Im(z)>0} に含まれる零点 a1,a2,,an に対して
    P(x)Q(x)dx=2πik=1nResz=akP(z)Q(z)
    が成り立つ.

     

     系 5.8:留数定理の広義積分への応用(2)

    P(x) 及び Q(x) は互いに素な多項式で,次の条件を満たすとする:

  • 方程式 Q(x)=0 は実数解を持たない.
  • degQdegP1.
  • このとき,Q(z) の上半平面 {Im(z)>0} に含まれる零点 a1,a2,,anλ>0 に対して

    P(x)Q(x)cosxdx=Re(2πik=1nResz=ak(P(z)Q(z)eiλz)),P(x)Q(x)sinxdx=Im(2πik=1nResz=ak(P(z)Q(z)eiλz))

    が成り立つ.

     

     系 5.9:留数定理の広義積分への応用(3)

    P(x) 及び Q(x) は互いに素な多項式で,次の条件を満たすとする:

  • 方程式 Q(x)=0x0 に実数解を持たない.
  • degQdegP1.
  • このとき,Q(z) の原点及び実軸を除いた複素平面 C[0,) に含まれる零点 a1,a2,,an0<α<1 に対して
    P(x)Q(x)xαdx=2πi1eαπik=1nResz=ak(P(z)Q(z)zα)
    が成り立つ.

     

     系 5.10:留数定理の広義積分への応用(4)

    P(x) 及び Q(x) は互いに素な実数係数多項式で,次の条件を満たすとする:

  • 方程式 Q(x)=0x0 に実数解を持たない.
  • degQdegP2.
  • このとき,Q(z) の原点及び実軸を除いた複素平面 C[0,) に含まれる零点 a1,a2,,an に対して
    0P(x)Q(x)logxdx=12Re(k=1nResz=ak(P(z)Q(z)(logz)2))
    が成り立つ.

     

    注意:logz の偏角 θ0<θ<2π にとる.

     

    補題 5.11

    aC とする.0R1<R2 に対して,領域 D={zR1<|za|<R2} で正則な関数 f(z)
    f(z)=+a2(za)2+a1za+a0+a1(za)+a2(za)2+
    と Laurent 展開されるとき,任意の R1<R<R2 に対して
    n=|an|2R2n=12π02π|f(a+Reiθ)|2dθ
    が成り立つ.

     

    この結果は Gutzmer の不等式を示すために用いられる.

     

     系 5.12:留数定理の無限級数への応用(1)

    P(x) 及び Q(x) は互いに素な多項式で,次の条件を満たすとする:

  • 方程式 Q(x)=0 は実数解を持たない.
  • degQdegP2.
  • このとき,f(z)=P(z)/Q(z) の極 a1,a2,,a に対して

    n=f(n)=k=1Resz=ak(πf(z)cotπz),n=(1)nf(n)=k=1Resz=ak(πf(z)sinπz)

    が成り立つ.

     

     系 5.13:留数定理委の無限級数への応用(2)

    P(x) 及び Q(x) は互いに素な多項式で,次の条件を満たすとする:

  • 任意の整数 n に対して方程式 Q(n+1/2)0.
  • degQdegP2.
  • このとき,f(z)=P(z)/Q(z) の極 a1,a2,,a に対して

    n=f(n+12)=k=1Resz=ak(πf(z)tanπz),n=(1)nf(n+12)=k=1Resz=ak(πf(z)cosπz)

    が成り立つ.

     

    20190707 更新


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