22

Разложение мероморфных функций в ряды простейших дробей и в бесконечные произведения

[8/0%]
LaTeX
Задача 22.1

Доказать формулы:

?
(1)

1ez−ea=e−a[−12+1z−a+∑n=1∞2(z−a)(z−a)2+4n2π2]\frac{1}{e^{z}-e^{a}} = e^{-a}\left[-\frac{1}{2}+\frac{1}{z-a}+\sum_{n = 1}^{\infty } \frac{2(z-a)}{(z-a)^{2}+4 n^{2} \pi^{2}}\right];

(2)

πsin⁡πz=∑n=−∞∞(−1)nz−n\frac{\pi }{\sin \pi z} = \sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{(-1)^{n}}{z-n};

(3)

1ch⁡2z−cos⁡2z=14z2+∑n=1∞n(−1)nsh⁡πn2πz24z4+n4π4\frac{1}{\operatorname {ch} 2 z-\cos 2 z} = \frac{1}{4 z^{2}}+\sum_{n = 1}^{\infty } \frac{n(-1)^{n}}{\operatorname {sh} \pi n} \frac{2 \pi z^{2}}{4 z^{4}+n^{4} \pi^{4}}.

Задача 22.2

Доказать формулы:

?
(1)

π2cos⁡2πz=∑n=−∞∞1(z+12−n)2\frac{\pi^{2}}{\cos^{2} \pi z} = \sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{1}{\left(z+\frac{1}{2}-n\right)^{2}};

(2)

1ch⁡z=∑n=1∞(−1)n+1πz2+(n−12)2π2\frac{1}{\operatorname {ch} z} = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{(-1)^{n+1} \pi }{z^{2}+\left(n-\frac{1}{2}\right)^{2} \pi^{2}};

(3)

ez−e−zez+e−z=∑n=1∞2zz2+(n−12)2π2\frac{e^{z}-e^{-z}}{e^{z}+e^{-z}} = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{2 z}{z^{2}+\left(n-\frac{1}{2}\right)^{2} \pi^{2}};

(4)

eazez−1=1z+∑n=1∞2z⋅cos⁡2πna−4πnsin⁡2πnaz2+4n2π2,0<a<1\frac{e^{a z}}{e^{z}-1} = \frac{1}{z}+\sum_{n = 1}^{\infty } \frac{2 z \cdot \cos 2 \pi n a-4 \pi n \sin 2 \pi n a}{z^{2}+4 n^{2} \pi^{2}}, 0 < a < 1.

Задача 22.3

Пусть F(z)F(z) — целая функция, удовлетворяющая неравенству

∣F(z+iy)∣⩽Mea∣y∣,−π<a<π, \left|F(z+i y)\right| \leqslant M e^{a\left|y\right|}, \quad -\pi < a < \pi ,

при всех действительных xx и yy. Доказать, что

πF(z)sin⁡πz=∑n=−∞∞(−1)nF(n)z−n и πF(z)cos⁡πz=∑n=−∞∞(−1)n+1F(n+12)z−n−12. \begin{aligned} \frac{\pi F(z)}{\sin \pi z} & = \sum _{n = -\infty }^{\infty }(-1)^{n} \frac{F(n)}{z-n} \\ \text{ и } \frac{\pi F(z)}{\cos \pi z} & = \sum _{n = -\infty }^{\infty }(-1)^{n+1} \frac{F\left(n+\frac{1}{2}\right)}{z-n-\frac{1}{2}}. \end{aligned}
?
Задача 22.4

Доказать, что

?
(1)

sin⁡azsin⁡πz=2π∑n=1∞(−1)nnsin⁡naz2−n2,−π<a<π;\frac{\sin a z}{\sin \pi z} = \frac{2}{\pi } \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{(-1)^{n} n \sin n a}{z^{2}-n^{2}},-\pi < a < \pi ;

(2)

ch⁡azsh⁡πz=1πz+1π∑n=1∞(−1)n2zcos⁡naz2+n2,−π<a<π;\frac{\operatorname {ch} a z}{\operatorname {sh} \pi z} = \frac{1}{\pi z}+\frac{1}{\pi } \sum_{n = 1}^{\infty }(-1)^{n} \frac{2 z \cos n a}{z^{2}+n^{2}},-\pi < a < \pi ;

(3)

πsin⁡πz=∑n=−∞∞ei(πn+αn−αz)z−n,−π<α<π\frac{\pi }{\sin \pi z} = \sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{e^{i(\pi n+\alpha n-\alpha z)}}{z-n},-\pi < \alpha < \pi;

(4)

∑n=−∞∞(−1)nsin⁡α(z−n)z−n=0,−π<α<π\sum_{n = -\infty }^{\infty }(-1)^{n} \frac{\sin \alpha (z-n)}{z-n} = 0,-\pi < \alpha < \pi;

(5)

π2sin⁡2πz=πα+∑n=−∞∞cos⁡α(z−n)(z−n)2,0⩽α<π\frac{\pi^{2}}{\sin^{2} \pi z} = \pi \alpha +\sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{\cos \alpha (z-n)}{(z-n)^{2}}, 0 \leqslant \alpha < \pi.

Задача 22.5

Доказать формулы:

?
(1)

e(α+β)z−1(eαz−1)(eβz−1)=(1α+1β)1z+∑k=1∞(2αzα2z2+4k2π2+2βzβ2z2+4k2π2)\frac{e^{(\alpha +\beta ) z}-1}{\left(e^{\alpha z}-1\right)\left(e^{\beta z}-1\right)} = \left(\frac{1}{\alpha }+\frac{1}{\beta }\right) \frac{1}{z}+\sum_{k = 1}^{\infty }\left(\frac{2 \alpha z}{\alpha^{2} z^{2}+4 k^{2} \pi^{2}}+\frac{2 \beta z}{\beta^{2} z^{2}+4 k^{2} \pi^{2}}\right), αβ≠0,α≠β;\alpha \beta \neq 0, \alpha \neq \beta ;

(2)

ctg⁡(z−a)+ctg⁡a=z∑n=−∞∞1(a−πn)(z−a+πn),sin⁡a≠0\operatorname {ctg}(z-a)+\operatorname {ctg} a = z \sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{1}{(a-\pi n)(z-a+\pi n)}, \sin a \neq 0;

(3)

sin⁡acos⁡z−cos⁡a=∑n=−∞∞2aa2−(z+2πn)2,sin⁡a≠0\frac{\sin a}{\cos z-\cos a} = \sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{2 a}{a^{2}-(z+2 \pi n)^{2}}, \sin a \neq 0;

(4)

cos⁡asin⁡a−sin⁡z=∑n=−∞∞π−2a(z−a+2πn)(z+a+(2n−1)π),cos⁡a≠0\frac{\cos a}{\sin a-\sin z} = \sum_{n = -\infty }^{\infty } \frac{\pi -2 a}{(z-a+2 \pi n)(z+a+(2 n-1) \pi )}, \cos a \neq 0.

Задача 22.6

Пусть f(z)f(z) — мероморфная функция с полюсами a1,a2,…a_{1}, a_{2}, \ldots и нулями b1,b2,…b_{1}, b_{2}, \ldots (каждый нуль пишем столько раз, какова его кратность, а каждый полюс столько раз, каков его порядок), причем точка z=0z = 0 не является ни нулем, и полюсом функции f(z)f(z). Предположим, что

f′(z)f(z)=∑n=1∞1z−bn−∑n=1∞1z−an, \frac{f^{\prime }(z)}{f(z)} = \sum _{n = 1}^{\infty } \frac{1}{z-b_{n}}-\sum _{n = 1}^{\infty } \frac{1}{z-a_{n}},

причем оба ряда равномерно сходятся в каждой ограниченной части плоскости. Доказать, что

f(z)=∏n=1∞(1−zbn)∏n=1∞(1−zan)f(0) f(z) = \frac{\prod _{n = 1}^{\infty }\left(1-\frac{z}{b_{n}}\right)}{\prod _{n = 1}^{\infty }\left(1-\frac{z}{a_{n}}\right)} f(0)

причем оба произведения также равномерно сходятся в каждой ограниченной части плоскости.

?
Задача 22.7

Доказать формулы:

?
(1)

sh⁡z=z∏n=1∞(1+z2n2π2)\operatorname {sh} z = z \prod_{n = 1}^{\infty }\left(1+\frac{z^{2}}{n^{2} \pi^{2}}\right);

(2)

cos⁡z=∏n=1∞(1−z2(n−(1/2))2π2)\cos z = \prod_{n = 1}^{\infty }\left(1-\frac{z^{2}}{(n-(1 / 2))^{2} \pi^{2}}\right);

(3)

th⁡z=z∏n=1∞[1+(z/πn)2][1+(zπ(n−(1/2)))2]\operatorname {th} z = z \prod_{n = 1}^{\infty } \frac{\left[1+(z / \pi n)^{2}\right]}{\left[1+\left(\frac{z}{\pi (n-(1 / 2))}\right)^{2}\right]};

(4)

eaz−ebz=(a−b)ze(1/2)(a+b)z∏n=1∞[1+(a−b)2z24n2π2]e^{a z}-e^{b z} = (a-b) z e^{(1 / 2)(a+b) z} \prod_{n = 1}^{\infty }\left[1+\frac{(a-b)^{2} z^{2}}{4 n^{2} \pi^{2}}\right];

(5)

ez−ea=(z−a)e(z+a)/2∏n=1∞[1+(z−a2πn)2]e^{z}-e^{a} = (z-a) e^{(z+a) / 2} \prod_{n = 1}^{\infty }\left[1+\left(\frac{z-a}{2 \pi n}\right)^{2}\right];

(6)

ch⁡z−cos⁡z=z2∏n=1∞(1+z44n4π4)\operatorname {ch} z-\cos z = z^{2} \prod_{n = 1}^{\infty }\left(1+\frac{z^{4}}{4 n^{4} \pi^{4}}\right);

(7)

cos⁡πz−cos⁡πa=−π22(z2−a2)∏n=1∞[1−(z+a2n)2]∏n=1∞[1−(z−a2n)2]\cos \pi z-\cos \pi a = -\frac{\pi^{2}}{2}\left(z^{2}-a^{2}\right) \prod_{n = 1}^{\infty }\left[1-\left(\frac{z+a}{2 n}\right)^{2}\right] \prod_{n = 1}^{\infty }\left[1-\left(\frac{z-a}{2 n}\right)^{2}\right];

(8)

cos⁡πz=π(2z+1)∏n=1∞(1−z(z+1)n2−(1/4))\cos \pi z = \pi (2 z+1) \prod_{n = 1}^{\infty }\left(1-\frac{z(z+1)}{n^{2}-(1 / 4)}\right);

(9)

cos⁡z−cos⁡a1−cos⁡a∏n=−∞∞(1−z2(2πn+a)2)\frac{\cos z-\cos a}{1-\cos a} \prod_{n = -\infty }^{\infty }\left(1-\frac{z^{2}}{(2 \pi n+a)^{2}}\right);

(10)

sin⁡(z−a)+sin⁡a=z(π+2a−z)π+2a∏n≠0{1+z(π+2a−z)2πn(π(2n−1)−2a)}\sin (z-a)+\sin a = \frac{z(\pi +2 a-z)}{\pi +2 a} \prod_{n \neq 0}\left\{ 1+\frac{z(\pi +2 a-z)}{2 \pi n(\pi (2 n-1)-2 a)}\right\};

(11)

sin⁡(z−a)sin⁡a−sin⁡z=−∏n=0∞1−z(z−2a)π2(2n+1)2−a21−z(z+2a)π2(2n+1)2−a2\frac{\sin (z-a)}{\sin a-\sin z} = -\prod_{n = 0}^{\infty } \frac{1-\frac{z(z-2 a)}{\pi^{2}(2 n+1)^{2}-a^{2}}}{1-\frac{z(z+2 a)}{\pi^{2}(2 n+1)^{2}-a^{2}}};

(12)

ez2+e2z−1=2e(1/2)(z2+2z−1)∏n=1∞(1+(z−1)4π2(2n−1)2)e^{z^{2}}+e^{2 z-1} = 2 e^{(1 / 2)\left(z^{2}+2 z-1\right)} \prod_{n = 1}^{\infty }\left(1+\frac{(z-1)^{4}}{\pi^{2}(2 n-1)^{2}}\right);

(13)

e2ch⁡z−e2sh⁡z=2eez−z∏n=1∞(1+e−2zπ2n2)e^{2 \operatorname {ch} z}-e^{2 \operatorname {sh} z} = 2 e^{e^{z}-z} \prod_{n = 1}^{\infty }\left(1+\frac{e^{-2 z}}{\pi^{2} n^{2}}\right).

Задача 22.8

Доказать равенства:

∑n=1∞1n2+a2=π2a(cth⁡aπ−1aπ)∑n=1∞1(n2+a2)2=14a4(π2a2sh⁡2aπ+aπcth⁡aπ−2) \begin{aligned} \sum _{n = 1}^{\infty } \frac{1}{n^{2}+a^{2}} & = \frac{\pi }{2 a}\left(\operatorname {cth} a \pi -\frac{1}{a \pi }\right) \\ \sum _{n = 1}^{\infty } \frac{1}{\left(n^{2}+a^{2}\right)^{2}} & = \frac{1}{4 a^{4}}\left(\frac{\pi ^{2} a^{2}}{\operatorname {sh}^{2} a \pi }+a \pi \operatorname {cth} a \pi -2\right) \end{aligned}

предполагая, что ни один из знаменателей в этих равенствах не обращается в нуль.

?