13 a Aula AMIV LEAN, LEC Apontamentos

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1 3 a Aula AMIV LEAN, LEC Apontamentos (Ricardo.Coutinho@math.ist.utl.pt) 3. Singularidades isoladas Para na prática podermos aplicar o teorema dos resíduos com eficiência, precisamos de conhecer técnicas de cálculo de resíduos. Com esse objectivo vamos enunciar algumas definições e proposições elementares que nos permitirão posteriormente introduzir as referidas técnicas de cálculo de resíduos. Definição 3. Seja f uma função complexa de variável complexa e z 0 C. Dizemosque f tem uma singularidade isolada em z 0 se não é analítica (ou não está definida) em z 0, mas existe ε>0 tal que f éanalíticaem{z C :0< z z 0 <ε}. Definição 3.2 Seja f uma função complexa de variável complexa e z 0 C. Se existe ε>0 e m Z tal que para qualquer z satisfazendo 0 < z z 0 <ε,setem = n=m a n (z z 0 ) n, com a m 6=0. Ou dito de outra forma, f admite um desenvolvimento em série de Laurent emtornodopontoz 0 e a sua parte singular é finita, sendo m a ordem da primeira potência do desenvolvimento. Então:. se m > 0 então z 0 éumzero de ordem m da função f. 2. se m > 0 e z 0 é uma singularidade isolada, então z 0 éumasingularidade removível da função f. 3. se m < 0 então z 0 éumpólo de ordem m da função f. Definição 3.3 Se f tem uma singularidade isolada em z 0 que não é nem uma singularidade removível, nem um pólo de certa ordem, então z 0 éumasingularidade essencial de f. Ou dito de outra forma f tem uma singularidade essencial em z 0 sse o seu desenvolvimento emsériedelaurentemtornodopontoz 0 tem uma parte singular infinita. Portanto as singularidades isoladas classificam-se (exclusivamente) em singularidades removíveis, pólos ou singularidades essenciais. Dizemos que uma série de Laurent = + P conjunto de inteiros {n N : a n 6=0} éinfinito. n= a n (z z 0 ) n tem uma parte singular infinita se o

2 3 a AULA AMIV LEAN, LEC APONTAMENTOS (RICARDO.COUTINHO@MATH.IST.UTL.PT) 2 Exemplo 3.. a) = z z3 3! + z5 5! simples) de.... ; z =0éumzerodeprimeiraordem(ouumzero b) z 3 = z 4 z6 3! + z8 5!... ; z =0éumzerode4a ordem de z a) = z2 z 3! + z4... ; z =0é uma singularidade removível de. z 5! 3 b) = z 2 z8 z 3! + z4... ; z =0é uma singularidade removível e um zero de 5! 2 a 3 ordem de z. 3. a) = z 2 z z 3! + z3 5!... ; z =0éumpólodea ordem (ou um pólo simples) de ;oresíduode em z =0é. (Res =) z 2 z 2 z=0 z 2 b) = z 6 z 5 3! z + 3 5! z 7! z + 9! z3... ; z =0éumpólode5 a ordem de ; z 6 oresíduode em z =0é.(Res = ) z 6 5! z=0 z 6 5! c) = z 7 z 6 3! z + 4 5! z 2 7! + 9! z2... ; z =0éumpólode6 a ordem de ;o z 7 resíduo de em z =0é 0. (Res =0) z 7 z=0 z 7 4. a) z 3 sen z = z2 3! + 5!z 2 7!z... ; z =0é uma singularidade essencial de 4 z3 sen ; z oresíduodez 3 sen em z =0é 0. (Res z z 3 sen z=0 z =0) b) z 5 sen z = 2 z3 3! z + 5! z... ; z =0é uma singularidade essencial de 5 7!z9 z 5 sen ;oresíduodez 5 sen em z =0é.(Res z 2 z 2 3! z 5 sen z=0 z = ) 2 3! Quando não é fácil (ou possível) determinar o desenvolvimento de Laurent em torno de um ponto, a seguinte proposição é de grande utilidade na classificação de singularidades isoladas. Proposição 3. Se f é analítica em {z C :0< z z 0 <ε} para certo ε>0, então. f tem um zero de ordem m em z 0 sse (z z 0 ) m C\{0}. 2. f tem uma singularidade removível em z 0 sse C. 3. f tem um pólo de ordem m em z 0 sse (z z 0 ) m C\{0}.

3 3 a AULA AMIV LEAN, LEC APONTAMENTOS (RICARDO.COUTINHO@MATH.IST.UTL.PT) 3 Demonstração.. Se f tem um zero de ordem m em z 0,então = n=m X+ X+ a n (z z 0 ) n =(z z 0 ) m a n (z z 0 ) n m =(z z 0 ) m a n+m (z z 0 ) n, pelo que hipóteseafunçãodefinida por n=m (z z 0 ) m = a m 6=0. Reciprocamente se = (z z 0 ) m se 0 < z z 0 <ε, (z z 0 ) m se z = z 0 (z z 0 ) m C\{0}, então por é analítica em 0 < z z 0 <εecontínuaemz 0. Pelo Corolário 2.2 concluímos que é analítica em todo o círculo z z 0 <ε. Então pelo Teorema de Taylor = ã n (z z 0 ) n e g (z 0 )=ã 0 = (z z 0 ) m 6=0. Portanto, = P + ãn (z z 0 ) n+m temumzerodeordemm em z Se f tem uma singularidade removível em z 0,então = P + a n (z z 0 ) n, pelo que =a 0. Reciprocamente se C, então por hipótese a função definida por ( se 0 < z z0 <ε = se z = z, 0 é analítica em 0 < z z 0 <εecontínuaemz 0. Pelo Corolário 2.2 concluímos que P é analítica em todo o círculo z z 0 <ε. Então pelo Teorema de Taylor = = + a n (z z 0 ) n. 3. Se f tem um pólo de ordem m em z 0,então = n= m a n (z z 0 ) n = (z z 0 ) m n= m a n (z z 0 ) n+m = (z z 0 ) m a n m (z z 0 ) n pelo que (z z 0 ) m =a m 6=0. Reciprocamente se (z z 0 ) m C\{0}, entãoporhipótese afunçãodefinida por ( (z z0 ) m se 0 < z z 0 <ε = (z z 0 ) m se z = z, 0 é analítica em 0 < z z 0 <εecontínuaemz 0. Pelo Corolário 2.2 concluímos que é analítica em todo o círculo z z 0 <ε. Então pelo Teorema de Taylor = ã n (z z 0 ) n e g (z 0 )=ã 0 = (z z 0 ) m 6= 0. Portanto, = P + ãn (z z 0 ) n m temumpólodeordemm em z 0.

4 3 a AULA AMIV LEAN, LEC APONTAMENTOS (RICARDO.COUTINHO@MATH.IST.UTL.PT) Classificação de singularidades isoladas Por vezes, para obter enunciados mais sucintos para as propriedades de pólos e zeros de funções, são convenientes, de acordo com a proposição anterior, as seguintes convenções: Definição 3.4 Dado m Z, positivo, negativo ou nulo e uma função analítica na região definida por 0 < z z 0 <ε(i. e. numa vizinhança perfurada de z 0 ),. f tem um zero de ordem m sse 2. f tem um pólo de ordem m em z 0 sse (z z 0 ) m C\{0}. (z z 0 ) m C\{0}. Portanto, de acordo com esta definição, tem um zero de ordem m ssetemumpólode ordem m. Emparticularumafunçãotemumzerodeordem zero em z 0 (ouoqueéo mesmo, um pólo de ordem zero em z 0 ) sse é analítica numa vizinhança de z 0 enão se anula neste ponto (e portanto também não se anula numa vizinhança do ponto). Como resultado imediato, mas importante do ponto de vista prático, temos a seguinte: Proposição 3.2 Se tem um zero de ordem m em z 0 e um zero de ordem n no mesmo ponto, então. A função temumzerodeordemm + n em z = z A função tem2 : (a) um zero de ordem m n, sem > n. (b) uma singularidade removível, se m > n. (c) um pólo de ordem n m, sem < n. Exemplo 3.2 Considere-se a função sen2 z 9. Como z = π éumzerosimplesde (z π) (porque = ), concluímos, de acordo com a proposição anterior, que z π z π sen2 z tem sen 2 z um zero de segunda ordem e 9 um pólo de ordem 7 no mesmo ponto. (z π) 2 Se (é analítica e) tem um zero de ordem finita (i. e. não é identicamente nula) em z 0 então existe uma vizinhança de z 0 onde z 0 é o único zero de g. Pois neste caso g (z) = (z z 0 ) m éumafunção analítica que não se anula em z 0 ; por continuidade o mesmo acontece numa vizinhança deste ponto; então =(z z 0 ) m g (z) também não se anula numa vizinhança de z 0 (excluindo o ponto z 0 ).

5 3 a AULA AMIV LEAN, LEC APONTAMENTOS (RICARDO.COUTINHO@MATH.IST.UTL.PT) 5 Proposição 3.3 Se tem um zero de ordem m em z e um zero de ordem n > 0 no ponto z 0,entãof (z + ) temumzerodeordemmn em z = z 0. Demonstração. Uma vez que (z + ) = z,temos µ m f (z + ) f (z + ) (z z 0 ) mn = (z z 0 ) n (z + z ) m µ m = (z z 0 ) n z z (z z ) m C\{0} 3 Exemplo 3.3 Considere-se a função sen ( 2 ) 3. Como z =0éumzerosimplesde, concluímos, de acordo com a proposição anterior, que 3 temumzerodeterceiraordem e sen ³(sen 3 z 2 3 ) tem um zero de sexta ordem no mesmo ponto. Portanto sen ( 2 ) 3 tem um pólo de terceira ordem em z = Cálculo de ites Quer na classificação das singularidades isoladas quer na determinação do resíduos de pólos (como veremos mais à frente) é essencial calcular ites de funções analíticas, obtendo-se frequentemente indeterminações 0. É pois importante saber lidar com estas situações. A 0 próxima proposição dá-nos o resultado prático frequentemente usado na resolução de tais dificuldades. Pode ser visto como uma generalização da regra de Cauhy da análise real, contudo, embora agora se considerem funções de variável complexa, as condições impostas às funções são mais restrictivas: as funções têm de ser analíticas. As conclusões também são ligeiramente mais fortes: não é necessário, apriori, admitir a existência de um ite. Proposição 3.4 Sejam f e g não identicamente nulas e analíticas em z z 0 <εetais que f (z 0 )=g (z 0 )=0. Então (onde a não existência de um dos ites implica a não existência do outro 3 ) = f 0 (z) g 0 (z) e = µ µ 3 De facto, nestas condições, os ites em causa existem sempre em C { } (esfera de Riemann) verificando-se também a igualdade dos ites neste contexto generalizado, em que = significa por definição =0. 0 0

6 3 a AULA AMIV LEAN, LEC APONTAMENTOS (RICARDO.COUTINHO@MATH.IST.UTL.PT) 6 Demonstração. Como f e g não são identicamente nulas e são analíticas numa vizinhança de z 0, estão bem definidas como números naturais as ordens dos zeros de f e g. Sejam então m aordemdozerodef e n a ordem do zero de g; por hipótese m e n são inteiros positivos. Então existem funções f e g analíticas em z z 0 <εtais =(z z 0 ) m f (z) e f (z 0 ) 6= 0, Portanto =(z z 0 ) n g (z) e g (z 0 ) 6= 0. f 0 (z) =m (z z 0 ) m f (z)+(z z 0 ) m f 0 (z). Daqui concluímos f 0 (z)(z z 0 ) m m (z z 0 ) m f (z)+(z z 0 ) m+ f 0 (z) = m (z z 0 ) m f (z) µ = + (z z 0) f 0 (z) mf (z) =. Então, utilizando este resultado para a função f e para a função g, e µ µ 0 = m f 0 (z)(z z 0 ) = n m f 0 (z) g 0 (z) 0 = = n m g 0 (z)(z z 0 ) n f 0 (z)(z z 0 ) m. g 0 (z)(z z 0 ) n nf 0 (z) mg 0 (z) n m = n m Basta agora verificar que no caso m>n, sem perca de generalidade 4,setem =0. De facto, para m>n, (z z 0 ) m f (z) = (z z 0 ) n g (z) = (z z 0 ) m n f (z) g (z) =(z 0 z 0 ) m n f (z 0 ) g (z 0 ) = 0. 4 Ocason>mreduz-se ao caso m>ntrocando os papeis de f e g. Isto é, se n>m,entãovem f(z) g(z) z z g(z) =, oquesignifica por definição 0 z z f(z) = f(z) =0. 0 g(z)