5.2

Геометрия аналитических функций

[22/100%]
Показать
LaTeX
Задача 5.2.1

Найдите взаимно однозначное голоморфное отображение единичного круга {∣z∣<1}\left\{ \left|z\right| < 1\right\} на разрезанный круг {∣w∣<1}−[0,1)\left\{ \left|w\right| < 1\right\} - [0,1).

?
Задача 5.2.2
?
(a)

Найдите функцию ff, конформно отображающую область {z:∣arg⁡z∣<1}\left\{ z : \left|\arg z\right| < 1\right\} взаимно однозначно на область {w:∣w∣<1}\left\{ w : \left|w\right| < 1\right\}. Покажите, что найденная вами функция удовлетворяет требуемым условиям.

(b)

Можно ли потребовать, чтобы f(1)=0f(1) = 0 и f(2)=12f(2) = \frac{1}{2}? Если да, приведите явное отображение; если нет, объясните почему.

Задача 5.2.3
?
(a)

Найдите одно взаимно однозначное конформное отображение ff, переводящее открытый квадрант {(x,y):x>0 и y>0}\left\{ (x,y) : x > 0 \text{ и } y > 0\right\} на открытый нижний полукруг {(x,y):x2+y2<1 и y<0}\left\{ (x,y) : x^2+y^2 < 1 \text{ и } y < 0\right\}.

(b)

Найдите все такие ff.

Задача 5.2.4

Отобразите круг {∣z∣<1}\left\{ \left|z\right| < 1\right\} с разрезами вдоль отрезков [a,1],[−1,−b][a,1], [-1,-b] (0<a<10 < a < 1, 0<b<10 < b < 1) конформно на полный круг {∣w∣<1}\left\{ \left|w\right| < 1\right\} с помощью функции w=f(z)w = f(z) с f(0)=0f(0) = 0, f′(0)>0f'(0) > 0. Вычислите f′(0)f'(0) и длины дуг, соответствующих разрезам.

?
Задача 5.2.5

Пусть 0<ε<π0 < \varepsilon < \pi, пусть γε\gamma_\varepsilon обозначает дугу {eit:ε≤t≤2π−ε}\left\{ e^{it} : \varepsilon \leq t \leq 2\pi -\varepsilon \right\}, и пусть Ωε\Omega_\varepsilon — дополнение γε\gamma_\varepsilon на сфере Римана. Если ff — конформное отображение единичного круга на Ωε\Omega_\varepsilon, f(0)=0f(0) = 0, f′(0)>0f'(0) > 0, опишите ту часть единичного круга, которую ff отображает на {∣z∣>1}\left\{ \left|z\right| > 1\right\}.

?
Задача 5.2.6

Пусть w=f(z)w = f(z) отображает односвязную область GG взаимно однозначно и конформно на круг DrD_r с центром w=0w = 0, радиусом rr, так что f(a)=0f(a) = 0 и ∣f′(a)∣=1\left|f'(a)\right| = 1 для некоторой точки a∈Ga \in G.

?
(a)

Докажите, что радиус r=r(G,a)r = r(G,a) круга DrD_r однозначно определяется GG и aa.

(b)

Определите r(G,a)r(G,a), если GG — область между гиперболой xy=1xy = 1 (x>0,y>0x>0, y>0) и положительными полуосями, и a=1+i2a = 1+\frac{i}{2}.

Задача 5.2.7

Пусть T(z)=az+bcz+dT(z) = \dfrac {az+b}{cz+d} — преобразование Мёбиуса.

?
(a)

Пусть z1,z2∈Cz_1, z_2 \in \mathbb {C} — две различные неподвижные точки TT, т.е. T(zi)=ziT(z_i) = z_i, i=1,2i=1,2. Покажите, что существует константа cc, такая что

T(z)−z1T(z)−z2=c z−z1z−z2. \frac{T(z)-z_1}{T(z)-z_2} = c\, \frac{z-z_1}{z-z_2}.
(b)

Используя (a), найдите выражение для Tn(z)T^n(z), n=1,2,3,…n=1,2,3,\ldots, если

T(z)=1−3zz−3. T(z) = \frac{1-3z}{z-3}.
Задача 5.2.8
?
(a)

Обоснуйте утверждение, что ``кривые

x2a2+λ+y2b2+λ=1 \frac{x^2}{a^2+\lambda } + \frac{y^2}{b^2+\lambda } = 1

образуют семейство софокусных коник''.

(b)

Докажите, что такие софокусные коники пересекаются ортогонально, если вообще пересекаются.

(c)

Покажите, что преобразование w=12(z+1z)w = \frac12\left(z+\frac1z\right) переводит прямые, проходящие через начало координат, и окружности с центром в начале координат в семейство софокусных коник.

Задача 5.2.9

Если f:D(0,1)={∣z∣<1}→Cf : D(0,1) = \left\{ \left|z\right| < 1\right\} \to \mathbb {C} — аналитическая функция, удовлетворяющая f(0)=0f(0) = 0, и если

∣Re(f(z))∣<1для всех z∈D(0,1), \left|\mathrm{Re}\left(f(z)\right)\right| < 1 \quad \text{для всех } z \in D(0,1),

докажите, что

∣f′(0)∣≤4π. \left|f'(0)\right| \leq \frac4\pi .
?
Задача 5.2.10

Пусть Ω={z∈C;−1<\imz<1}\Omega = \left\{ z \in \mathbb {C}; -1 < \im z < 1\right\}, и пусть F\mathcal F — семейство всех аналитических функций f:Ω→Cf : \Omega \to \mathbb {C}, таких что ∣f∣<1\left|f\right| < 1 на Ω\Omega и f(0)=0f(0) = 0. Найдите

sup⁡f∈F∣f(1)∣. \sup _{f \in \mathcal F} \left|f(1)\right|.
?
Задача 5.2.11

Пусть ff — аналитическая функция на D={z;∣z∣<1}D = \left\{ z; \left|z\right| < 1\right\}, такая что f(0)=1f(0) = 1, и пусть ∣1+f(z)∣≤1+∣f(z)∣\left|1+f(z)\right| \leq 1 + \left|f(z)\right| при ∣z∣<1\left|z\right| < 1. Докажите, что ∣f′(0)∣≤4\left|f'(0)\right| \leq 4.

?
Задача 5.2.12

Пусть PP — множество голоморфных функций ff на открытом единичном круге, такое что (i) и вещественная, и мнимая части f(z)f(z) положительны при ∣z∣<1\left|z\right| < 1, (ii) f(0)=1+if(0) = 1+i. Пусть E={f(12):f∈P}E = \left\{ f(\frac12) : f \in P\right\}. Опишите EE явно.

?
Задача 5.2.13

Пусть Ω={z:∣z−4∣<4}\Omega = \left\{ z : \left|z-4\right| < 4\right\}. Если F\mathcal F — семейство всех аналитических функций на Ω\Omega, таких что ∣f∣<1\left|f\right| < 1 в Ω\Omega и lim⁡w→∞f(w)=0\lim_{w \to \infty } f(w) = 0, найдите sup⁡f∈F∣f(8)∣\sup_{f \in \mathcal F} \left|f(8)\right|. Ваш ответ должен быть явным числом, и вы должны доказать своё утверждение.

?
Задача 5.2.14

Пусть DD — верхняя полуплоскость, и пусть f≠idf \neq \mathrm{id} — конформное отображение DD на себя, такое что f∘f=idf \circ f = \mathrm{id}. Докажите, что ff имеет единственную неподвижную точку внутри DD.

?
Задача 5.2.15

Пусть Ω\Omega — выпуклое открытое подмножество C\mathbb {C}, и пусть f:Ω→Cf : \Omega \to \mathbb {C} — аналитическая функция, удовлетворяющая Re(f′(z))>0\mathrm{Re}\left(f'(z)\right) > 0, z∈Ωz \in \Omega. Докажите, что ff взаимно однозначна в Ω\Omega (т.е. ff инъективна).

?
Задача 5.2.16

Покажите, что если многочлен P(z)=anzn+an−1zn−1+⋯+a1z+a0P(z) = a_n z^n + a_{n-1} z^{n-1} + \cdots + a_1 z + a_0, n>1n > 1, взаимно однозначен в единичном круге ∣z∣<1\left|z\right| < 1 и a1=1a_1 = 1, то ∣nan∣≤1\left|na_n\right| \leq 1.

?
Задача 5.2.17

Пусть P(z)P(z) — многочлен на комплексной плоскости, не равный тождественно нулю; пусть H={z:\rez>0}H = \left\{ z : \re z > 0\right\}.

?
(a)

Если все корни P(z)P(z) лежат в HH, покажите, что то же верно для корней dP/dzdP/dz.

(b)

Для произвольного не обращающегося в нуль многочлена P(z)P(z), используя результат (a), покажите, что выпуклая оболочка корней P(z)P(z) содержит корни dP/dzdP/dz.

Задача 5.2.18

Пусть f(z)f(z) — ряд Лорана с центром в 00, сходящийся в C∖{0}\mathbb {C} \setminus \left\{ 0\right\}, с вычетом bb в точке z=0z=0.

?
(a)

Покажите, что существует ζ\zeta на {z∈C:∣z∣=1}\left\{ z \in \mathbb {C} : \left|z\right| = 1\right\} такое, что

∣f(ζ)−ζ−1∣≥∣b−1∣. \left|f(\zeta ) - \zeta ^{-1}\right| \geq \left|b-1\right|.
(b)

Охарактеризуйте те функции, для которых

max⁡∣ζ∣=1∣f(ζ)−ζ−1∣=∣b−1∣. \max _{\left|\zeta \right|=1} \left|f(\zeta )-\zeta ^{-1}\right| = \left|b-1\right|.
Задача 5.2.19

Пусть ff аналитична в окрестности \closureD\closure D, ff отображает DD в DD, и ff отображает ∂D\partial D в ∂D\partial D, где D={z:∣z∣<1}D = \left\{ z : \left|z\right| < 1\right\}.

?
(a)

Покажите, что ∀z∈∂D\forall z \in \partial D, f′(z)≠0f'(z) \neq 0.

(b)

Покажите, что ddθ[arg⁡f(eiθ)]≥0\dfrac {d}{d\theta }[\arg f(e^{i\theta })] \geq 0 для θ∈R\theta \in \mathbb {R}.

(c)

Пусть f(0)=f′(0)=0f(0) = f'(0) = 0, и f∣∂Df|_{\partial D} — двулистное отображение ∂D\partial D на ∂D\partial D. Покажите, что f(z)≠0f(z) \neq 0 при 0<∣z∣<10 < \left|z\right| < 1.

Задача 5.2.20

Если f(z)f(z) — однолистная (взаимно однозначная аналитическая) функция с областью определения единичный круг, такая что f(z)=z∑n=2∞anznf(z) = z\sum_{n=2}^{\infty } a_n z^n, докажите, что

g(z)=f(z2) g(z) = \sqrt{f(z^2)}

— однолистная функция в единичном круге.

?
Задача 5.2.21

Рассмотрим единичный круг DD и аналитическую функцию f:D→Df : D \to D. Если f(0)=a≠0f(0) = a \neq 0, покажите, что ff не имеет нуля в круге {z:∣z∣<∣a∣}\left\{ z : \left|z\right| < \left|a\right|\right\}.

?
Задача 5.2.22

Пусть f(z)=z(1+z)2f(z) = \dfrac {z}{(1+z)^2}. Пусть V={z∈C:0<∣z∣<12,34π<arg⁡z<54π}V = \left\{ z \in \mathbb {C} : 0 < \left|z\right| < \frac12, \frac{3}{4}\pi < \arg z < \frac54\pi \right\}.

?
(a)

Покажите, что если z∈Vz \in V, то ∣f(z)∣<∣z∣\left|f(z)\right| < \left|z\right| и f(z)∈Vf(z) \in V.

(b)

Докажите, что если z∈Vz \in V, то lim⁡n→∞f(n)(z)=0\lim_{n \to \infty } f^{(n)}(z) = 0, где f(n)(z)=f∘f∘⋯∘ff^{(n)}(z) = f \circ f \circ \cdots \circ f — nn-кратная композиция ff.