..
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
---------------------------
PHẠM THỊ UYÊN
VỀ LÍ THUYẾT HÀM PHỨC
VÀ NGHIỆM CỦA ĐA THỨC
Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp
Mã số: 8 46 01 13
LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Trần Việt Cường
THÁI NGUYÊN - 2019
i
Mục lục
Một số ký hiệu và chữ viết tắt
ii
Lời nói đầu
1
1 Một số kiến thức chuẩn bị
1.1 Số phức . . . . . . . . . .
1.2 Hàm phức . . . . . . . . .
1.3 Giới hạn và liên tục . . . .
1.4 Đạo hàm và hàm giải tích
1.5 Thặng dư . . . . . . . . .
1.6 Đa thức hệ số phức . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2 Áp dụng lí thuyết hàm phức và nghiệm đa
quyết một số bài toán sơ cấp
2.1 Bài toán tính tích phân xác định . . . . . . .
2.2 Bài toán rút gọn biểu thức . . . . . . . . . . .
2.3 Bài toán phủ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Bài toán đếm số . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
3
6
6
7
11
12
thức để giải
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
16
16
19
23
27
ii
Một số ký hiệu và chữ viết tắt
N, N∗
tập các số tự nhiên và các số tự nhiên khác không
Z
tập các nguyên
R
tập các số thực
C
tập các số phức
1, n
tập các số tự nhiên {1, 2, ..., n}
z, z̄
số phức z và số phức liên hợp của số phức z
Rez, Imz
phần thực và phần ảo tương ứng của số phức z
kết thúc chứng minh của định lí, hệ quả, và lời giải
1
Lời nói đầu
Giải tích phức cổ điển là lý thuyết về các hàm của một biến phức, là
một trong những nhánh trong toán học, có nguồn gốc từ thế kỷ 18 và chỉ
trước đó. Nó rất hữu ích trong nhiều ngành toán học, bao gồm hình học
đại số, lý thuyết số, tổ hợp phân tích, toán học ứng dụng; cũng như trong
vật lý, bao gồm các nhánh của thủy động lực học, nhiệt động lực học và
đặc biệt là cơ học lượng tử. Bằng cách mở rộng, giải tích phức cũng có ứng
dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật như hạt nhân, hàng không vũ trụ, cơ khí
và kỹ thuật điện. Trong thời hiện đại, nó đã trở nên rất phổ biến với sự ra
đời của hệ động lực phức và hình ảnh của các fractals được tạo ra bởi các
hàm chỉnh hình. Một ứng dụng quan trọng khác của giải tích phức trong
lý thuyết dây là nghiên cứu các bất biến tuân thủ trong lý thuyết trường
lượng tử. Các nhà toán học đã có những đóng góp quan trọng liên quan
đến các số phức bao gồm Euler, Gauss, Riemann, Cauchy, Weierstrass, và
nhiều hơn nữa trong thế kỷ 20.
Trong toán học, đa thức là một biểu thức bao gồm các biến và các hệ
số, chỉ liên quan đến các phép toán cộng, trừ, nhân và lũy thừa số nguyên
không âm của các biến. Đa thức xuất hiện trong nhiều lĩnh vực toán học
và khoa học. Ví dụ, chúng được sử dụng để hình thành các phương trình
đa thức, mã hóa một loạt các bài toán từ cơ bản đến phức tạp trong khoa
học; chúng được sử dụng để xác định các hàm đa thức, xuất hiện trong
hóa học, vật lý đến kinh tế và khoa học xã hội; chúng được sử dụng trong
tính toán và phân tích số để tính gần đúng các hàm khác. Trong toán học
nâng cao, đa thức được sử dụng để xây dựng các vòng đa thức và các đại
số, các khái niệm trung tâm trong đại số và hình học đại số. Một số đa
thức, chẳng hạn như x2 +1, không có nghiệm trong tập số thực. Tuy nhiên,
nếu tập hợp các nghiệm được mở rộng thành các số phức, thì mọi đa thức
khác hằng số có ít nhất một nghiệm phức; đây là định lí có bản của đại số.
Như một hệ quả, bất kỳ đa thức nào có hệ số phức đều có thể được viết
dưới dạng tích của các đa thức hệ số phức bậc 1 và số nghiệm phức được
tính với bội số của chúng bằng bậc của đa thức.
2
Luận văn được chia làm hai chương với những nội dung chính như sau:
Chương 1, chúng tôi trình bày một số khái niệm và kết quả cơ bản về lí
thuyết hàm phức.
Chương 2, chúng tôi áp dụng lí thuyết hàm phức và nghiệm của đa thức
giải quyết một số bài toán sơ cấp.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực học hỏi của bản thân, em
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ. Với tình cảm chân thành
em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Trường Thanh - người
Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức và kinh
nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận
văn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo của trường Đại học Khoa
học - Đại học Thái Nguyên, những người đã trực tiếp tham gia giảng dạy
lớp Cao học Toán K12 khóa 2018 - 2020, các phòng ban chức năng, Khoa
Toán - Tin trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ
và tạo điều kiện cho em trong thời gian học tập vừa qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể lớp K12, gia đình, bạn
bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập và hoàn thành khóa luận này.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 12 năm 2019
Tác giả luận văn
PHẠM THỊ UYÊN
3
Chương 1
Một số kiến thức chuẩn bị
Chương 1, chúng tôi trình bày một số kiến thức cơ bản về số phức và
hàm phức. Các khái niệm và kết quả trong Chương 1 được tham khảo
trong các tài liệu [1, 2, 3, 6].
1.1
Số phức
Định nghĩa 1.1.1. Số phức là biểu thức dạng a + bi trong đó a, b là số
thực và i2 = −1. Đối với số phức z = a + bi thì ta nói a là phần thực, b là
phần ảo của z, i là đơn vị ảo. Kí hiệu: a = Rez, b = Imz
Tập hợp các số phức kí hiệu là C.
C = {z = a + bi|a, b ∈ R} .
Nhận xét 1.1.2. Mỗi số thực a đều được xem như là số phức với phần ảo
b = 0.
Số phức z = a + bi có a = 0 được gọi là số thuần ảo hay là số ảo.
Số 0 vừa là số thực vừa là số ảo.
Hai số phức bằng nhau:
Hai số phức được gọi là bằng nhau nếu phần thực và phần ảo tương
ứng của chúng bằng nhau.
Mô đun của số phức:
Giả sử M (a; b) là điểm biểu diễn số phức z = a + bi trên mặt phẳng tọa
độ.
−−−→
Độ dài của |OM | chính là mô đun của số phức z. Kí hiệu là |z|.
√
−−−→
Ta có: |z| = |OM | = |a + bi| = a2 + b2
4
Số phức liên hợp:
Cho số phức z = a + bi, ta gọi a − bi là số phức liên hợp của z và kí
hiệu là z = a − bi. Ví dụ: z = 1 + 2i thì z = 1 − 2i.
Một số tính chất của số phức liên hợp:
• z × z = a2 + b2 là một số thực.
• z + z0 = z + z0
• z × z0 = z × z0
Dạng lượng giác của số phức:
Trong mặt phẳng phức cho số phức z với z 6= 0 được biểu diễn bởi
−−→
vector OM với M (a; b).
−→ −−→
Góc lượng giác (Ox, OM ) = ϕ + 2kπ, k ∈ Z.
Số đo của mỗi góc lượng giác trên được gọi là một acgumen của z.
Gọi ϕ là một acgumen và r > 0 là mô đun của số phức z = a + bi khác 0
dạng lượng giác của z là:
z = r(a cos ϕ + i sin ϕ)
√
Với r = a2 + b2 và ϕ định bởi cos ϕ = ar và sin ϕ = br.
Ghi chú:
• |z| = 1 ↔ z = (cos ϕ + i sin ϕ), ϕ ∈ R
• z = 0 thì |z| = r = 0 nhưng acgumen của z không xác định xem như
tùy ý.
Cấu trúc đại số và một số tính chất khác của số phức:
1. Phép cộng:
• z1 + z2 = z2 + z1 ,
• (z1 + z2 ) + z3 = z1 + (z2 + z3 ).
2. Phép nhân:
• z1 z2 = z2 z1 ,
• (z1 z2 )z3 = z1 (z2 z3 ),
• (z1 + z2 )z3 = z1 z3 + z2 z3 .
5
3. Phép chia:
Nếu z1 = wz2 , z2 6= 0, w ∈ C, thì chúng ta kí hiệu phép chia giữa 2 số
phức z1 và z2 , là
z1
= w.
z2
4. Phép lấy căn bậc n
Nếu z0 = wn , w ∈ C, thì chúng ta kí hiệu căn bậc n của số phức z0 là
√
n
z0 = w.
5. Dấu bằng
(
Re z1
z1 = z2 ⇔
Im z1
= Re z2 ,
= Im z2 .
6. Một số tính chất khác: giả sử các số phức sau có biểu diễn
z1 = x1 + iy1 = |z1 |(cos ϕ1 + i sin ϕ1 ),
z2 = x2 + iy2 = |z2 |(cos ϕ2 + i sin ϕ2 ),
và các số phức liên hợp
z̄1 = x1 − iy1 , z̄2 = x2 − iy2 .
Khi đó
• z1 + z2 = z̄1 + z̄2 , z1 z2 = z̄1 z̄2 .
• z̄1 = |z1 |(cos ϕ1 − i sin ϕ1 ), z̄2 = |z2 |(cos ϕ2 − i sin ϕ2 ).
• |z1 + z2 | ≤ |z1 | + |z2 |, |z1 z2 | = |z1 ||z2 |, |z1 z̄1 | = |z1 |2 .
• z1 z2 = |z1 ||z2 |(cos[ϕ1 + ϕ2 ] + i sin[ϕ1 + ϕ2 ]).
•
z1 z̄2
|z1 |
z1
=
=
(cos[ϕ1 − ϕ2 ] + i sin[ϕ1 − ϕ2 ]), với z2 6= 0.
z2
|z2 |2
|z2 |
6
1.2
Hàm phức
Định nghĩa 1.2.1. Giả sử S là một tập con của C. Hàm f : S → C là
quy tắc gán với mỗi z trong S một số phức w. Số w được gọi là giá trị của
f tại z và được ký hiệu là f (z).
Tập S được gọi là miền xác định của hàm phức f (z). Khi miền xác định
không được đề cập, chúng ta quy ước đó là tập lớn nhất có thể để hàm xác
định.
Ví dụ 1.2.2. Một số hàm phức cơ bản.
1. Hàm đa thức
P (z) = c0 + c1 z + · · · + cn z n ,
ci ∈ C, cn 6= 0, i = 0, 1, . . . , n.
2. Hàm mũ cơ số e
ez = ex (cos y + i sin y), z = x + iy ∈ C, x, y ∈ R.
3. Hàm lượng giác
ez + e−z
ez − e−z
cos z =
, sin z =
.
2
2i
1.3
Giới hạn và liên tục
Định nghĩa 1.3.1. Giả sử hàm f (z) được xác định tại tất cả các điểm z
trong một lân cận của z0 , có thể không xác định tại z0 . Hàm f (z) được nói
là có giới hạn tại z0 nếu với mỗi ε > 0 tồn tại δ > 0 sao cho
0 < |z − z0 | < δ ⇒ |f (z) − w0 | < ε.
Trong trường hợp này, chúng ta kí hiệu
lim f (z) = w0 .
z→z0
Định nghĩa 1.3.2. Hàm f (z) được gọi là liên tục tại một điểm z0 nếu cả
ba điều kiện sau đây là thỏa mãn:
(i) f (z0 ) xác định,
(ii) lim f (z) tồn tại,
z→z0
7
(iii) lim f (z) = f (z0 ).
z→z0
Hàm f được nói là liên tục trên một tập con nếu nó liên tục tại mỗi điểm
của tập này.
Ví dụ 1.3.3. Các hàm đa thức P (z), hàm mũ ez , và hàm lượng giác
cos z, sin z là liên tục trên mặt phẳng phức C.
1.4
Đạo hàm và hàm giải tích
Định nghĩa 1.4.1. Giả sử hàm biến phức f (z) xác định trên một lân cận
của z0 . Hàm f (z) được nói là có đạo hàm tại điểm z0 nếu giới hạn sau tồn
tại hữu hạn
f (z) − f (z0 )
lim
.
z→z0
z − z0
Trong trường hợp này, chúng ta kí hiệu đạo hàm này bởi f 0 (z0 ) và
f (z) − f (z0 )
.
z→z0
z − z0
f 0 (z0 ) = lim
Định nghĩa 1.4.2. Hàm f của biến phức z là giải tích tại điểm z0 nếu nó
có đạo hàm tại mỗi điểm trong của một số lân cận nào đó của z0 .
Tiếp theo, chúng ta giới thiệu điều kiện cần và đủ để tồn tại đạo hàm
của hàm phức tại một điểm.
Định lý 1.4.3 (Điều kiện cần để tồn tại đạo hàm). Giả sử f (z) = u(x, y)+
iv(x, y) và f 0 (z) tồn tại ở điểm z0 = x0 + iy0 . Khi đó, các đạo hàm riêng
bậc nhất của u và v phải tồn tại ở (x0 , y0 ) và chúng phải thỏa mãn các
phương trình Cauchy - Riemann tại (x0 , y0 ),
u0x = vy0 ,
u0y = −vx0 .
Hơn thế,
0
f (z0 ) =
(u0x
+
ivx0 )
.
(x0 ,y0 )
8
Chứng minh. Giả sử f 0 (z0 ) tồn tại. Khi đó, các giới hạn sau tồn tại
f (x0 + ∆x + iy0 ) − f (x0 + iy0 )
∆x→0
x0 + ∆x + iy0 − (x0 + iy0 )
u(x0 + ∆x, y0 ) − u(x0 , y0 )
= lim
∆x→0
∆x
v(x0 + ∆x, y0 ) − v(x0 , y0 )
+ i lim
∆x→0
∆x
= ux (x0 , y0 ) + ivx (x0 , y0 )
f (x0 + i(y0 + ∆y)) − f (x0 + iy0 )
= lim
∆y→0
i∆y
u(x0 , y0 + ∆y) − u(x0 , y0 )
= lim
∆y→0
i∆y
v(x0 , y0 + ∆y) − v(x0 , y0 )
+ i lim
∆y→0
i∆y
= vy (x0 .y0 ) − iuy (x0 .y0 ).
f 0 (z0 ) = lim
Điều này dẫn tới điều kiện Cauchy-Riemann và giá trị của f 0 (z0 ).
Thoả mãn hệ phương trình Cauchy - Riemann tại một điểm z0 = (x0 , y0 )
là không đủ để đảm bảo sự tồn tại của đạo hàm của hàm f (z) tại điểm
đó. Nhưng, với các điều kiện liên tục nhất định, chúng ta có những khẳng
định sau.
Định lý 1.4.4 (Điều kiện đủ để tồn tại đạo hàm). Giả sử f (z) = u(x, y) +
iv(x, y) xác định trên ε− lân cận của z0 và
(i) các đạo hàm riêng bậc nhất của các hàm u và v đối với x và y tồn tại
ở mọi nơi trong vùng lân cận;
(ii) các đạo hàm riêng đó liên tục tại (x0 , y0 ) và thỏa mãn hệ phương trình
Cauchy - Riemann tại (x0 , y0 ),
u0x = vy0 ,
0
0
Khi đó f (z0 ) tồn tại và f (z0 ) =
(u0x
+
u0y = −vx0 .
ivx0 )
.
(x0 ,y0 )
Chứng minh. Từ công thức Taylor bậc một và điều kiện Cauchy-Riemann
9
tại z0 , ta thấy,
f (x0 + ∆x + i(y0 + ∆y)) − f (x0 + iy0 )
x0 + ∆x + i(y0 + ∆y) − (x0 + iy0 )
u(x0 + ∆x, y0 + ∆y) − u(x0 , y0 )
=
∆x + i∆y
v(x0 + ∆x, y0 + ∆y) − v(x0 , y0 )
+i
∆x + i∆y
ux (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y)∆x + uy (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y)∆y
=
∆x + i∆y
vx (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y)∆x + vy (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y)∆y
+i
∆x + i∆y
ux (x0 , y0 )∆x + vy (x0 , y0 )i∆y uy (x0 , y0 )∆y + vx (x0 , y0 )i∆x
=
+
∆x + i∆y
∆x + i∆y
ε1 ∆x + iε4 ∆y ε2 ∆y + iε3 ∆x
+
+
∆x + i∆y
∆x + i∆y
ε1 ∆x + iε4 ∆y ε2 ∆y + iε3 ∆x
= ux (x0 , y0 ) + ivx (x0 , y0 ) +
+
,
∆x + i∆y
∆x + i∆y
trong đó t1 ∈ (0, 1),
ε1 = ux (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y) − ux (x0 .y0 ),
ε2 = uy (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y) − uy (x0 .y0 ),
ε3 = uy (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y) − uy (x0 .y0 ),
ε4 = vy (x0 + t1 ∆x, y0 + t1 ∆y) − vy (x0 .y0 ).
Bên cạnh đó, tính liên tục của các đạo hàm riêng u, v tại (x0 , y0 ), ta có
∆x2 + ∆y 2 → 0
dẫn tới
ε21 + ε22 + ε23 + ε24 → 0.
Ngoài ra,
ε ∆x + iε ∆y 2 ε2 ∆x2 + ε2 ∆y 2
1
4
4
≤ sup ε2i ≤ ε21 + ε22 + ε23 + ε24 → 0,
= 1 2
2
∆x + i∆y
∆x + ∆y
i
ε ∆y + iε ∆x 2 ε2 ∆y 2 + ε2 ∆x2
2
3
3
≤ sup ε2i ≤ ε21 + ε22 + ε23 + ε24 → 0.
= 2 2
∆x + i∆y
∆x + ∆y 2
i
Từ đây và các biểu thức trên, ta thu được sự tồn tại của giới hạn
f (z) − f (z0 )
= ux (x0 , y0 ) + ivx (x0 , y0 ).
z→z0
z − z0
lim
10
Điều này hoàn tất chứng minh định lí.
Định lý 1.4.5 (Định lí Liouville). Nếu hàm f là giải tích và bị chặn trên
C, thì f (z) là hàm hằng trên C.
Ví dụ 1.4.6. Xét hàm f (z) = z 2 và số phức z0 = 1 + i. Chúng ta kiểm tra
sự tồn tại của đạo hàm hàm f (z) tại điểm z0 .
Lời giải. Ta thấy, với z = x + iy,
f (z) = z 2 = (x + iy)2 = x2 − y 2 + i2xy = u + iv,
trong đó u = x2 − y 2 , v = 2xy. Dễ dàng thấy rằng, các đạo hàm riêng bậc
nhất
u0x = 2x, u0y = −2y, vx0 = 2y, vy0 = 2x
liên tục tại lân cận điểm (1, 1) và điều kiện Cauchy - Riemann thỏa mãn
tại điểm z0 ,
0
0
0
0
ux = vy = 2, uy = −vx = −2.
z0
z0
z0
z0
Theo định lí về điều kiện đủ để tồn tại đạo hàm, hàm f (z) tồn tại đạo hàm
tại z0 . Hơn thế,
0
0
0
f (z0 ) = (ux + ivx ) = 2 + i2 = 2z0 .
z0
Bằng lập luận tương tự, ta chứng minh được sự tồn tại đạo hàm của hàm
f (z) trên tập số phức C,
f 0 (z) = 2z, ∀z ∈ C.
Ví dụ 1.4.7. Xét hàm f (z) = z + Imz và số phức bất kì z0 . Chúng ta kiểm
tra sự tồn tại của đạo hàm hàm f (z) tại điểm z0 .
Lời giải. Ta thấy, với z = x + iy,
f (z) = z + Imz = (x + iy) + y = x + y + iy = u + iv,
trong đó u = x+y, v = y. Dễ dàng thấy rằng, điều kiện Cauchy - Riemann
của các hàm u, v không thỏa mãn tại z0 ,
u0y = 1 6= −vx0 = 0.
Nói cách khác, hàm f (z) không tồn tại đạo hàm tại mọi điểm z0 ∈ C.
Ví dụ 1.4.8. Các hàm đa thức P (z), hàm mũ ez , hàm lượng giác cos z, sin z
là hàm giải tích trên C. Hơn thế, trên tập này chúng ta có
P 0 (z) = c1 + 2c2 z + · · · + ncn z n−1 ,
[cos z]0 = sin z,
[ez ]0 = ez ,
[sin z]0 = cos z.
11
1.5
Thặng dư
Định nghĩa 1.5.1. Giả sử hàm phức f (z) xác định tại một lân cận V của
z0 , có thể không xác định tại z0 . Khi đó, biểu thức
Z
1
Res[f, z0 ] :=
f (z)dz,
2πi
L(z0 )
được gọi là thặng dư của hàm f (z) tại z0 , trong đó L(z0 ) là đường cong
bao quanh z0 nằm trong lân cận V .
Định nghĩa 1.5.2. Số phức z0 được gọi là là cực điểm cấp m của hàm
f (z), nếu hàm f (z) có khai triển Laurent tại lân cận z0
f (z) =
∞
X
an (z − z0 )n .
n=−m
Định lý 1.5.3. Giả sử hàm phức
f (z) =
Q(z)
,
P (z)
trong đó Q là hàm giải tích trên C, và P (z) là hàm đa thức có các nghiệm
phức z1 , z2 , ..., zk với bội tương ứng là m1 , m2 , ..., mk . Khi đó f (z) có đúng
k cực điểm z1 , z2 , ..., zk với cấp tương ứng là m1 , m2 , ..., mk .
Định lý 1.5.4 (Cách tính thặng dư). Giả sử z0 là cực điểm cấp m của
hàm f (z). Khi đó,
0
nếu m = 0,
lim (z − z0 )f (z)
nếu m = 1,
Res[f, z0 ] = a−1 = z→z0
(m−1)
1
m
lim
(z − z0 ) f (z)
nếu m ≥ 2.
z→z0 (m − 1)!
Đặc biệt trong trường hợp m = 1, nếu
f (z) =
thì
A(z)
, A(z0 ) 6= 0, B(z0 ) = 0, B 0 (z0 ) 6= 0,
B(z)
A(z)
A(z0 )
Res[f, z0 ] = 0
= 0
.
B (z) z=z0 B (z0 )
12
Ví dụ 1.5.5. Tìm các thặng dư của hàm số f (z) =
1
.
(z − 1)z 2
Lời giải. Ta thấy đa thức
(z − 1)z 2
có hai nghiệm z1 = 1, z2 = 0 với bội nghiệm tương ứng là m1 = 1; m2 = 2.
Nói cách khác, hàm f (z) có hai cực điểm z1 = 1 cực điểm cấp 1, z2 = 0
cực điểm cấp 2. Từ đây,
1
1
=
lim
= 1,
Res[f, z1 ] = lim (z − z1 )f (z) = lim(z − 1)
z→z1
z→1
(z − 1)z 2 z→1 z 2
0
1 2
1
−1
Res[f, z2 ] = lim
z
=
lim
= −1.
z→0 1!
z→0 (z − 1)2
(z − 1)z 2
Định lý 1.5.6. Giả sử hàm f (z) giải tích trên miền đóng D trừ một số
hữu hạn điểm z1 , z2 , . . . , zn ∈ D. Khi đó,
Z
n
X
f (z)dz = 2πi
Re[f, zk ].
k=1
∂D+
1.6
Đa thức hệ số phức
Định lý 1.6.1 (Định lí cơ bản của đại số). Đa thức khác hằng với hệ số
phức
P (z) = c0 + c1 z + · · · + cn z n , (cn 6= 0),
luôn có ít nhất một nghiệm phức.
Chứng minh. Chúng ta sẽ chứng minh bằng phản chứng. Giả sử P (z)
không bằng 0 đối với bất kỳ giá trị nào của z. Khi đó, hàm
f (z) =
1
P (z)
là hàm giải tích trên toàn bộ mặt phẳng phức C. Tiếp theo, chúng ta chỉ
ra hàm f (z) cũng bị chặn trên toàn bộ mặt phẳng phức.
Để cho thấy rằng f bị chặn, trước tiên chúng ta viết
P (z) = (cn + w)z n ,
13
trong đó
w=
c1
cn−1
c0
+
+
·
·
·
+
.
z n z n−1
z
Với R đủ lớn, ta có
|w| <
|cn |
,
2
khi |z| > R.
Từ đây,
|c |
n
|cn + w| > |cn | − |w| >
,
2
khi |z| > R.
Hơn thế,
|P (z)| = |cn + w||z|n >
|cn | n
R ,
2
khi |z| > R.
Rõ ràng, khi đó,
|f (z)| =
1
1
<
,
|P (z)| |cn |Rn
khi |z| > R.
Vì vậy, f (z) bị chặn ở bên ngoài khu vực vào đĩa |z| > R. Nhưng f (z) liên
tục trong đĩa đóng, |z| ≤ R, và điều này có nghĩa là f (z) cũng bị chặn ở
đó. Nói cách khác, f (z) là bị chặn trong toàn bộ mặt phẳng phức. Bây giờ
áp dụng Định lý Liouville, ta có f (z) là hằng số. Nhưng P (z) không phải
là hằng số và mâu thuẫn chỉ ra điều phải chứng minh.
Định lý 1.6.2. Đa thức khác hằng với hệ số phức
P (z) = c0 + c1 z + · · · + cn z n , (cn 6= 0),
luôn có đúng n nghiệm phức z1 , z2 , . . . , zn , kể cả nghiệm bội. Khi đó, chúng
ta biểu diễn được
P (z) = cn (z − z1 )(z − z2 ) · · · (z − zn ).
Chứng minh. Theo Định lí cơ bản của đại số, tồn tại z1 ∈ C sao cho
P (z1 ) = 0.
Tiếp theo, từ các đẳng thức
z k − z1k = (z − z1 )(z k−1 + z k−2 z1 + · · · + z1k−1 ), ∀k = 1, 2, . . . , n,
14
chúng ta thu được
P (z) = P (z) − P (z1 ) = (z − z1 )Q1 (z),
trong đó Q1 (z) là đa thức bậc n − 1. Do Q1 (z) là đa thức, lặp lại lập luận
như trên, tồn tại z2 ∈ C sao cho
Q1 (z2 ) = 0,
Q1 (z) = (z − z2 )Q2 (z),
trong đó Q2 (z) bậc (n − 2). Bằng cách này, tồn tại một tập z1 , z2 , . . . , zn
sao cho
P (z) = (z − z1 )(z − z2 ) . . . (z − zn )Qn (z),
trong đó Qn (z) là đa thức bậc 0. Nói cách khác, tồn tại hằng số A sao cho
P (z) = A(z − z1 )(z − z2 ) . . . (z − zn ), ∀z ∈ C.
Đồng nhất hệ số, ta thu được cn = A. Điều này kết thúc chứng minh của
Định lí.
Định lý 1.6.3 (Công thức Viète). Giả sử đa thức hệ số phức
P (z) = c0 + c1 z + · · · + cn z n , cn 6= 0,
có n nghiệm phức z1 , z2 , . . . , zn kể cả bội. Khi đó, các đẳng thức sau là đúng
X
cn−k
zi1 · · · zik = (−1)k
, ∀k = 1, n.
c
n
1≤i
- Xem thêm -