1.5. Многозначные аналитические функции

Если одному и тому же значению z отвечает не одно, а несколько (или даже счетное множество) значений F(z), то такая функция называется многозначной. Многозначными являются функции , Ln z, Arcsin z и др.

Точка z = z0 называется точкой ветвления многозначной функции F(z), если при обходе контура вокруг z0 по любому замкнутому контуру, лежащему в окрестности z0, значение функции F(z) не возвращается к своему исходному значению. При этом предполагается, что F(z) изменяется непрерывно при движении точки z.

Если с помощью разрезов плоскости комплексной переменной исключить возможность обхода точек ветвления, то многозначная функция F(z) распадается на несколько однозначных ветвей fk(z). Для каждой однозначной аналитической ветви fk(z) основная теорема теории вычетов справедлива в области, не содержащей разрезы. Задание конкретной ветви многозначной аналитической функции осуществляется указанием сделанных разрезов и указанием значения функции в какой-либо одной точке.

Пример 9.

Найдем вычет в точке z = -1 для той ветви функции, которая задана условием и разрезом, проведенным в нижней полуплоскости, например, так, как показано на рис. 2.

Данная функция двузначная. Вычет в простом полюсе также может иметь два значения. Согласно (8) имеем

(31)
Рис 2.

Чтобы решить, какому из этих значений равен вычет указанной ветви функции, необходимо осуществить аналитическое продолжение из точки z = 1 в точку z = -1 по произвольной кривой l, не пересекающей линию разреза. Значение функции в точке z = r e i j даются формулой

(32)

Для того чтобы , надо положить k = 0, тогда при j = 0 и r = 1 получим, что действительно . При движении z по кривой l угол j = arg z увеличивается от значения j = 0 в точке z = 1 до значения j = p в точке z = -1. Таким образом, для указанной ветви

(33)

Если бы разрез был проведен в верхней полуплоскости, то аналогичное рассмотрение привело бы к значению j = -p для z = -1 и res (-1) = -i. В данном случае значение вычета зависит от того, в верхней или нижней полуплоскости выбран разрез, и не зависит от конкретного направления разреза в этих полуплоскостях.

Пример 10.

Найдем вычет в точке z = 0 для той ветви функции, которая на верхнем берегу разреза принимает положительные значения (разрез показан на рис. 3).

Слова "на верхнем берегу разреза" означают, что рассматриваются точки, расположенные в непосредственной близости к линии разреза со стороны верхней полуплоскости, т.е. такие, для которых Im z = + 0. Так как z = 0 простой полюс, то . Но , и надо выяснить, какой знак здесь следует взять.
Положив z - 1 = r1 e j1, z - 2 = r2 e j2, получим

(34)
Рис 3.

где k = 0, 1. В произвольной точке z+ на верхнем берегу разреза j1 = 0, j2 = p и, значит,

(35)

Чтобы это выражение было положительной величиной, необходимо выбрать k = 1. Тогда для данной ветви функции

(36)

Из точки z+ в точку z = 0 можно перейти по кривой l1. В точке z = 0 будем иметь j1 = p, j2 = p, r1 = 1, r2 = 2 и согласно (36)

(37)

Переход из z+ в z = 0 можно осуществить также по пути l2, тогда в точке z = 0, j1 = - p, j2 = - p, но по-прежнему

(38)

Таким образом, при вычислении вычетов от многозначных функций следует обращать особое внимание на правильность выбора ветви функции.


дальше