ZADANIA Z FUNKCJI ANALITYCZNYCH

LICZBY ZESPOLONE

1. Obliczy¢:

a) (2 − 7i) − (1 − 9i);

b) (5 − i)(2 + i);

c) 1 ;

4+3i

d) 1−13i;

1−3i

e) pierwiastki kwadratowe z 8 + 6i.

2. Narysowa¢ zbiór tych liczb zespolonych z, które speªniaj¡ warunek: a) 1 < Rez ≤ 2;

b) |z − 1 − i| > 3;

c) |z + 1 − 3i| = |z − 3 − i| .

3. Przedstawi¢ w postaci trygonometrycznej:

√

a) 1 − i; b) 4 − 4 3i.

4. Obliczy¢:

√

a) (1−i 3)14 ;

(−1+i)25

√

b) 6 1;

√

c) 4 16;

√

d) 4p−8 + 8 3i.

5. Pokaza¢, »e:

a) |z|2 = z¯z;

b) z + ¯z = 2Re z;

c) |z + z0| ≥ ||z| − |z0||;

d) |z − z0| ≥ ||z| − |z0||.

FUNKCJE ZESPOLONE

6. Wyrazi¢ funkcj¦ sin 6x przez funkcje sin x, cos x.

7. Pokaza¢, »e:

a) sin x = z−¯z, cos x = z+¯z, gdzie z = cos x + i sin x; 2i

2

b) sin z = eiz−e−iz , cos z = eiz+e−iz ;

2i

2

c) sin3 x = 1(3 sin x − sin 3x);

4

d) sin z, cos z mo»na przedstawi¢ w postaci f(z) = u(x, y) + iv(x, y), gdzie z = x + iy.

1

8. Pokaza¢, »e dla a, b, z ∈ C:

a) |a+b| ≤ max(|a|, |b|);

2

b)z−1 jest liczb¡ urojon¡, gdy |z| = 1 i Im z 6= 0, liczb¡ rzeczywist¡, gdy z+1

Im z = 0;

c) gdy z ∈

z−a

R, to z−¯a = 1 dla a 6= z;

d) |a − b|2 = |a|2 − 2Re (¯ab) + |b|2.

9. Rozwi¡za¢ równanie:

a) sin z = 0;

b) cos z = 0;

√

c) e2z+1 = 3 − i.

10. Pokaza¢, »e równania sin z = w, cos z = w maj¡ maj¡ dla ka»dej warto±ci w niesko«czenie wiele rozwi¡za«.

11. Obliczy¢ promie« zbie»no±ci szeregu:

a) P+∞ in+1z2n;

n=0

b) P+∞ nnz3n+1;

n=0

c) P+∞ (−1)n z2n+1;

n=0 (2n+1)!

d) P+∞(n + an)zn+1, a > 0;

n=0

e) P+∞ n! zn.

n=0 nn

12. ∗ Pokaza¢, »e szereg Lamberta P∞

zn

jest bezwzgl¦dnie zbie»ny, gdy

n=1 1−zn

|z| < 1, a rozbie»ny, gdy |z| > 1.

13. Poda¢ interpretacj¦ geometryczn¡ przeksztaªce« f : C −→ C danych wzorem (a, b ∈ C):

a) f(z) = b;

b) f(z) = az;

c) f(z) = az + b;

d) f(z) = zn;

e) f(z) = azn;

f) f(z) = 1, z 6= 0;

z

g) f(z) = ez;

h) f(z) = log z.

POCHODNA FUNKCJI ZESPOLONEJ. FUNKCJE

HOLOMORFICZNE

14. Pokaza¢, »e funkcja f(z) = |z|2, z ∈ C, ma pochodn¡ zespolon¡ tylko w z = 0.

2

15. Pokaza¢, »e iloraz ró»nicowy f(z)−f(0) funkcji f(x + iy) = xy2(x+iy), z =

z

x2+y4

x + iy ∈ C \ {0}, f (0) = 0, d¡»y do okre±lonej granicy, gdy z → 0 po dowolnej prostej. Pokaza¢, »e funkcja ta nie ma pochodnej w punkcie 0.

16. Sprawdzi¢, czy funkcja f : C −→ C jest holomorczna: a) f(x + iy) = (x2 − y2) + 2ixy

b) f(x + iy) = x − iy , x + iy 6= 0

x2+y2

x2+y2

c) f(z) = ¯z

d) f(z) = Re z

e) f(z) = sinz dla z 6= 0, f(0) = 0

z

17. Czy gaª¡¹ logarytmu dla arg(z)∈ (−π; π) jest funkcj¡ holomorczn¡?

18. Sprawdzi¢, czy funkcja

√

f (x + iy) =

xy speªnia w punkcie 0 równania

Cauchy'ego Riemanna. Czy f posiada pochodn¡ w punkcie 0? Czy jest funkcj¡ holomorczn¡?

19. Wykaza¢, »e je±li w punkcie z0 = x0 + iy0 istnieje sko«czona granica a)

lim

f (z)−f (z0)

f (z)−f (z0)

z→z Re

, b) lim

Im

, to w punkcie tym

0

z−z

z→z

0

0

z−z0

istniej¡ pochodne cz¡stkowe a) ∂u, ∂v oraz ∂u = ∂v, b) ∂u, ∂v oraz

∂x

∂y

∂x

∂y

∂y

∂x

∂u = − ∂v .

∂y

∂x

20. Wykaza¢, »e funkcja holomorczna f : D −→ R (o warto±ciach rzeczy-wistych), gdzie D ⊂ C jest spójny, jest funkcj¡ staª¡.

21. Pokaza¢, »e je»eli f(x + iy) = (ax + by) + i(cx + dy), a, b, c, d ∈ R, jest funkcj¡ holomorczn¡, to istnieje A ∈ C takie, »e f(z) = Az.

22. Pokaza¢, »e je»eli f = u + iv jest funkcj¡ holomorczn¡ oraz f0(z0) 6= 0, z0 = x0 + iy0, to ∂(u,v)(x

∂(x,y)

0, y0) > 0.

23. Pokaza¢, »e je»eli f = u + iv ma w punkcie z0 pochodn¡, to funkcja g = u − iv ma pochodn¡ g0(z0) wtedy i tylko wtedy, gdy f 0(z0) = 0.

24. Pokaza¢, »e je»eli f = u + iv jest funkcj¡ holomorczn¡ oraz u, v s¡

klasy C2, to u, v s¡ funkcjami harmonicznymi (tzn. ∆u = ∂2u + ∂2u = 0

∂x2

∂y2

i ∆v = ∂2v + ∂2v = 0).

∂x2

∂y2

25. Pokaza¢, »e je»eli funkcja u klasy C2 w obszarze jednospójnym jest funkcj¡ harmoniczn¡, to istnieje funkcja v taka, »e f = u + iv jest holomor-

czna.

26. Przy danej funkcji u(x, y) znale¹¢ tak¡ funkcj¦ v(x, y), »eby funkcja f(x+

iy) = u(x, y) + iv(x, y) byªa holomorczna:

a) u(x, y) = xy,

b) u(x, y) = ey cos x.

3

CAŠKI

27. Obliczy¢ caªk¦ z funkcji

a) f(x + iy) = x + iy2;

b) f(z) = z

wzdªu» dróg C1 i C2, gdzie C1 jest odcinkiem ª¡cz¡cym punkty z1 = 0

i z2 = 1 + i, a C2 jest ªaman¡ ª¡cz¡c¡ kolejno punkty z = 0, z0 = 1, z00 = 1 + i. Czy funkcja f jest holomorczna?

28. Obliczy¢ caªk¦ po ªuku paraboli y = x2 od −1 do 1 z funkcji f(z) = Imz.

29. Obliczy¢ caªk¦ a) po odcinku prostoliniowym od i do −i; b) po póªokr¦gu

|z| = 1, Re z > 0 z funkcji |z|.

30. Pokaza¢, »e:

Z

0,

n 6= −1

zn dz =

2πi,

n = −1

|z|=1

dla n ∈ Z.

31. Obliczy¢ caªk¦ wzdªu» drogi γ z funkcji a) f(z) = sin z, b) f(z) = zn, n 6= −1, n ∈ Z.

32. Pokaza¢, »e funkcja f(z) = 1, z 6= 0, nie ma pierwotnej.

z

33. Obliczy¢ caªki z funkcji f(z) = 1, z 6= 0, po:

z

a) ªuku dodatnio skierowanego okr¦gu o promieniu r od k¡ta φ1 do k¡ta φ2, φ2 > φ1;

b) odcinku na póªprostej nachylonej do dodatniej póªosi rzeczywistej pod k¡tem φ, od punktu oddalonego od 0 o r1, do punktu oddalonego od 0 o r2, r2 > r1.

34. Obliczy¢ indeks krzywej γ wzgl¦dem punktów zk.

35. Obliczy¢ caªki z funkcji f(z) = 1 po zadanych drogach: z

a)

b)

4

36. ∗

a) Korzystaj¡c z nierówno±ci sin α ≥ 2α dla 0 ≤ α ≤ π oraz R

f (z) dz ≤

π

2

γ

R β |f (γ(t))||γ0(t)| dt pokaza¢, »e R

eiz2 dz ≤ π (1 − e−R2), gdzie C

α

R

CR

4R

jest ªukiem Reit dla t ∈ [0; π].

4

√

b) Wiedz¡c, »e R ∞ e−x2 dx = 1 π obliczy¢ caªki Fresnela: I cos x2 dx,

0

2

1 = R ∞

0

I2 = R ∞ sin x2 dx.

0

Wsk. Policzy¢ caªk¦ z f(z) = eiz2 wzdªu» brzegu wycinka koªa o ±rodku w 0 i promieniu R o k¡cie π.

4

37. Obliczy¢ caªk¦ R

dz

wzdªu» dodatnio skierowanego konturu zamkni¦-

C z2+4

tego C, który jest brzegiem obszaru:

a) zawieraj¡cego punkt 2i i nie zawieraj¡cego punktu −2i; b) zawieraj¡cego punkt −2i i nie zawieraj¡cego punktu 2i; c) zawieraj¡cego punkt 2i punkt −2i;

d) nie zawieraj¡cego punktu 2i i punktu −2i.

38. Obliczy¢ caªki wzdªu» drogi γ z funkcji:

a) sinz;

z

b) cosz ;

z2−1

c) cosz ;

z2+1

d) ez ;

z2+1

e)

1

.

(z2−1) cos z

10

39. Obliczy¢ caªk¦ R sinz dz .

γ (z− π )2

4

SZEREG TAYLORA

40. Znale¹¢ szereg Taylora dla f(z) = sin2 z o ±rodku w punkcie 0.

41. Znale¹¢ szereg Taylora dla funkcji f(z) o ±rodku w punkcie z0: a) f(z) = 1 , z

z+1

0 = 4;

b) f(z) = 1, z

z

0 = 1;

c) f(z) = 1 , z

1+z2

0 = 0;

d) f(z) = z , z

z+3

0 = i;

e) f(z) = 9z−9 , z

z2+5z−14

0 = 1.

42. Pokaza¢, »e je±li funkcje f, g na obszarze spójnym D s¡ analityczne, to f (z)g(z) ≡ 0 ⇔ f (z) ≡ 0 lub g(z) ≡ 0.

5

ZERA FUNKCJI HOLOMORFICZNYCH

43. Okre±li¢ krotno±¢ zera z0 = 0 funkcji f:

a) z3e4z;

b) z4 sin3 z;

c) sin z6;

d) z2 sin5 z3;

e) cos4 z − 1;

f) cos z4 − 1;

g) sin2 z5 tan3 z3;

h) (ez3 − 1 − z3) sin2 z7.

44. Znale¹¢ krotno±¢ q zera z0 danej funkcji, je±li z0 jest zerem kkrotnym funkcji f i zerem lkrotnym funkcji g, f, g s¡ funkcjami analitycznymi w otoczeniu punktu z0:

a) f2(z)g0(z);

b) f(z) + 7g(z).

45. Pokaza¢, »e je±li f(z) jest analityczna w punkcie z0, to punkt ten jest zerem kkrotnym funkcji f wtedy i tylko wtedy, gdy f(r)(z0) = 0 dla r = 0, 1, . . . , k − 1 i f (k)(z0) 6= 0.

46. Zbada¢, czy istnieje funkcja analityczna w otoczeniu punktu 0, która: a) w punktach 1, 1, 1, 1, 1, . . . przyjmuje warto±ci 1, 4, 9 , 16, 25, . . .; 2

3

4

5

2

5

10

17

26

b) w punktach 1, 1, 1, 1, 1, . . . przyjmuje warto±ci 1, 1, 1, 1, 1, 1, . . .; 2

3

4

5

3

3

5

5

c) dla ka»dego n ∈ N speªnia równanie f( 1 ) = f(− 1 ) = 1 ; n

n

n2

d) dla ka»dego n ∈ N speªnia równanie f( 1 ) = f(− 1 ) = 1 .

n

n

n3

47. Niech funkcja f : D −→ C b¦dzie holomorczna w obszarze D. Pokaza¢, »e je±li funkcja ta nie jest staªa i jest ró»na od 0 w ka»dym punkcie obszaru D, to jej moduª nie osi¡ga minimum w »adnym punkcie we-wn¦trznym obszaru D.

SZEREGI LAURENTA

48. Wyznaczy¢ obszar, w którym zbie»ny jest szereg Laurenta

−1

+∞

X

X

4n(z − 1)n +

(−1)n(z − 1)n

n=−∞

n=0

i znale¹¢ jego sum¦.

49. Wyznaczy¢ maksymalne pier±cienie o ±rodku w z0 = 3, w których funkcja f (z) =

1

rozwija si¦ w szereg Laurenta.

(z2−8z+15)(z2+16)

6

50. W odpowiednich obszarach rozwin¡¢ funkcj¦ f w szereg Laurenta w punkcie z0:

a) f(z) = 1 , z

1−z

0 = 0;

b) f(z) =

5z−9

, z

(z−4)6(z−5)(z−1)

0 = 4;

c) f(z) =

1

, z

(z−1)2(z+2)

0 = 1.

51. Okre±li¢ typ punktu osobliwego z = 0 dla funkcji: a) sinz;

z

b) 1

e z2 ;

c) ez2−1;

z3

d) z5 sin 1;

z

e) ctg3z.

52. Wskaza¢ punkty osobliwe danej funkcji i okre±li¢ ich typ: a)

1

;

(z−1)2z5

b) 1

e z−8 ;

c) sin7 z3 ;

z21

d) 1 .

cos3 z

RESIDUA

53. Obliczy¢ residuum z funkcji f(z) w punkcie z0:

√

a) f(z) =

1

, z

+ i 3 ;

z2+z+1)3

0 = − 1

2

2

b) f(z) = ctgz, z0 = 0;

c) f(z) =

1

, z

(z2+4)3

0 = 2i;

d) f(z) = (z + 6) sin 1 , z

z−1

0 = 1;

e)

1

f (z) = ze z , z0 = 0.

54. Obliczy¢ caªk¦:

a) R 2π sin2 t dt;

0

5+3 cos t

b) R 2π

dt

;

0

13+12 sin t

c) R +∞

t2−t+6

dt;

−∞ (t2+1)(t2−8t+25)

d) R +∞

dt

.

−∞ (t2+t+1)3

55. Obliczy¢ sum¦ szeregu:

a) P+∞ 1 ;

n=1 n2+1

b) P+∞

1

;

n=−∞ n2+n+2

c) P+∞

(−1)n , a ∈

n=−∞ n2+a2

C \ iZ.

7