Интегральная теорема Коши: формулировка, формула и следствия

Интегральная теорема Коши - стартовый результат всего комплексного анализа. Она утверждает простую вещь: интеграл от голоморфной функции по замкнутому контуру в односвязной области равен нулю. Из этого одного факта дальше вытекает почти всё содержание курса: интегральная формула Коши, бесконечная дифференцируемость голоморфных функций, теорема Лиувилля, основная теорема алгебры, принцип максимума модуля и, в конечном счёте, теорема о вычетах. Доказана Огюстеном Луи Коши в 1825 году в работе о определённых интегралах между мнимыми пределами; современную форму без условия дал Эдуард Гурса в 1900 году.
Постановка
Пусть - односвязная область, - голоморфная функция, - замкнутый кусочно-гладкий контур (положительной ориентации). Утверждение теоремы:
Голоморфность означает существование комплексной производной в каждой точке - это требование сильнее обычной дифференцируемости в , потому что предел отношения не должен зависеть от направления . Эквивалентная форма - выполнение уравнений Коши-Римана для :
Односвязность области означает, что любой замкнутый контур в ней можно стянуть в точку без выхода из . Без этого условия теорема ломается - классический контрпример на кольце показывает, что интеграл по окружности равен .
Доказательство через теорему Гурса
Историческое доказательство Коши опиралось на формулу Грина и неявно требовало . Гурса показал, что условия можно не требовать: одной голоморфности достаточно. План - индукция по разбиению треугольника.
Шаг 1. Достаточно доказать для произвольного треугольника . Любой кусочно-гладкий контур аппроксимируется ломаной, а ломаная триангулируется.
Шаг 2. Разбиваем треугольник на четыре подобных треугольника (соединяем середины сторон). Интеграл по равен сумме интегралов по - внутренние стороны проходятся дважды в противоположных направлениях и сокращаются. Хотя бы один из четырёх по модулю не меньше , где . Берём его, обозначаем , повторяем процедуру.
Шаг 3. Получаем вложенную последовательность треугольников с диаметрами и периметрами . По теореме о вложенных компактах есть общая точка . В ней используем голоморфность:
Линейная часть имеет первообразную, её интеграл по замкнутому контуру равен нулю. Остаётся хвост: . С другой стороны, , то есть . Устремляем , , получаем .
Доказательство Гурса важно тем, что не привлекает ни формулы Грина, ни оператора Лапласа, ни предположения - пользуется только определением голоморфности. Из теоремы потом автоматически следует, что бесконечно гладкая (см. ниже), и круг замыкается. Обратное утверждение - если интеграл по любому замкнутому контуру равен нулю, то функция голоморфна - даёт теорема Морера.
Подставь свою функцию и контур ниже - соберём задачу и проверим: голоморфна ли в нужной области, односвязна ли область, чему равен интеграл, какое следствие нужно применить.
Интегральная формула Коши
Из основной теоремы выводится её главное прикладное следствие - формула, выражающая значение голоморфной функции внутри контура через её значения на самом контуре.
Теорема (интегральная формула Коши). Пусть голоморфна в области , - замкнутый кусочно-гладкий контур, - точка внутри . Тогда
Идея вывода. Рассмотрим - она голоморфна везде в , кроме точки . Окружим малой окружностью радиуса . По интегральной теореме Коши, применённой к области между и (срезанной разрезом), интеграл по равен интегралу по . На малой окружности , и прямое вычисление даёт нужное равенство при .
Смысл формулы: голоморфная функция полностью определяется своими значениями на границе. Это резкий контраст с вещественным анализом, где значения функции внутри и на границе связаны слабо. В нет «свободы» - задал значения на контуре, получил всё внутри.
Производные любого порядка
Дифференцируя формулу Коши по под знаком интеграла (это можно делать, потому что подынтегральное выражение гладко зависит от параметра), получаем формулу для производных:
Это и есть знаменитое следствие: всякая голоморфная функция бесконечно дифференцируема в комплексном смысле. В вещественном анализе - это разные классы. В комплексном анализе -голоморфная функция автоматически -голоморфна, и больше того - аналитична (раскладывается в локальный степенной ряд ). Получаем равенство классов: голоморфная = бесконечно дифференцируемая комплексная = аналитическая.
Из формулы для выводятся неравенства Коши для коэффициентов разложения. Если голоморфна в круге и на , то
Эти неравенства - рабочий инструмент для оценок поведения голоморфных функций.
Теорема Лиувилля
Теорема Лиувилля. Ограниченная целая функция (голоморфная во всей плоскости и ) постоянна.
Доказательство в одну строку. Берём неравенство Коши для первой производной: при любом . Устремляем - получаем в каждой точке. Значит постоянна.
В вещественном анализе аналог откровенно ложный: ограничен и бесконечно дифференцируем, но не постоянен. Голоморфность даёт настолько жёсткие связи между значениями функции в разных точках, что глобальная ограниченность форсирует константу.
Основная теорема алгебры
Теорема. Всякий многочлен с , , имеет хотя бы один корень в .
Доказательство. Пусть корней не имеет. Тогда - целая функция (голоморфна везде). Ограниченность: при имеем , значит , то есть ограничена в окрестности бесконечности. На любом компакте непрерывна и ограничена. Итого - ограниченная целая. По теореме Лиувилля , значит и . Противоречие с .
Это самое короткое из известных доказательств основной теоремы алгебры - и одно из тех мест, где комплексный анализ резко превосходит чисто алгебраические методы. Для подсчёта количества нулей в заданной области применяется родственный инструмент - теорема Руше.
Принцип максимума модуля
Теорема. Если голоморфна и непостоянна в области , то не может достигать локального максимума во внутренней точке . Максимум по замкнутой области достигается на границе.
Идея: если имеет локальный максимум в , то применяем формулу Коши на малой окружности вокруг - получаем, что есть среднее значений по окружности; если все они по модулю , то и среднее не может быть больше, а если оно строго равно - все значения совпадают с .
Принцип максимума - рабочая лошадка в задачах на оценки голоморфных функций. Чтобы оценить $|f|$ внутри области, достаточно оценить его на границе. В частности - на компактном круге максимум всегда находится на окружности.
Связь с вычетами и многосвязные области
Теорема о вычетах (Cauchy residue theorem). Если голоморфна в области за исключением конечного числа изолированных особых точек , лежащих внутри замкнутого контура , то
Это прямое обобщение интегральной теоремы Коши: если особых точек нет, правая часть равна нулю - получаем исходную теорему. Если внутри одна точка и с голоморфной , то - получается интегральная формула Коши.
Для многосвязных областей теорема обобщается через индекс намотки. Если - замкнутая кривая, не проходящая через , то её индекс намотки - число оборотов вокруг , считая ориентацию:
Общая форма интегральной теоремы Коши: если голоморфна в , а цикл гомологичен нулю в (то есть для всех ), то . Это уже не требует односвязности - нужна только согласованность контура с дырками области.
Частые ошибки
- Применяют теорему без проверки голоморфности. непрерывна и гладкая как функция , но не голоморфна - уравнения Коши-Римана не выполняются. Интеграл . Голоморфность - обязательное условие, не «достаточно гладкости».
- Путают интегральную теорему Коши и теорему о вычетах. Первая утверждает обнуление интеграла для голоморфной функции в односвязной области; вторая - связывает интеграл с суммой вычетов в особых точках. Эти теоремы - родственники, но решают разные задачи. Если особых точек нет - обе дают , но если особенность есть, работает только теорема о вычетах.
- Применяют в неодносвязной области. Кольцо не односвязно. Интеграл от по окружности равен , а не нулю, потому что точка - особенность, и стянуть контур через неё нельзя.
- Считают, что вещественная гладкость даёт голоморфность. бесконечно гладкая, но не голоморфна - её комплексная производная не существует ни в одной точке, кроме . Условия Коши-Римана надо проверять отдельно.
- Забывают про ориентацию контура. Положительная ориентация - против часовой стрелки. Поменяете знак ориентации - получите вместо , и формула Коши даст , что обычно интерпретируется как ошибка в знаке.
FAQ
Чем теорема Коши отличается от теоремы Грина? Формально теорема Грина в комплексной форме - это и есть теорема Коши, если : при (что эквивалентно уравнениям Коши-Римана). Но Грин требует , тогда как Коши-Гурса работает с одной только голоморфностью - это слабее. Это разные теоремы по строгости условий.
Зачем нужна односвязность области? Чтобы любой замкнутый контур можно было стянуть в точку, не натыкаясь на «дырки», где функция может быть не голоморфна (особенности). На кольце или проколотом круге односвязности нет - там голоморфная функция, например , даёт ненулевой интеграл по контуру, охватывающему дырку. Многосвязные случаи разбираются через индекс намотки и теорему о вычетах.
Где применяется интегральная формула Коши на практике? Главное применение - вычисление вещественных определённых интегралов через комплексный контур. Интегралы вида , , сводятся к подсчёту вычетов через теорему о вычетах (которая выводится из формулы Коши). Сходимость самих несобственных интегралов перед применением контурных методов обычно проверяют через признак Абеля. В физике - преобразования Гильберта, дисперсионные соотношения, асимптотические разложения. В численном анализе - оценки полиномиальных и аналитических аппроксимаций через неравенства Коши.
Коротко
Интегральная теорема Коши: голоморфная в односвязной области функция даёт нулевой интеграл по замкнутому контуру, . Доказывается без условия через индукцию Гурса по треугольникам. Следствия каскадом: интегральная формула , формула для производных , бесконечная дифференцируемость голоморфных функций, неравенства Коши, теорема Лиувилля, основная теорема алгебры, принцип максимума. Обобщение для особенностей - теорема о вычетах; для многосвязных областей - формулировка через индекс намотки .
Читайте также

Теорема Морера: обратная к теореме Коши для голоморфности
Теорема Морера: если непрерывная в области даёт по любому треугольнику, то голоморфна. Обратная теоремы Коши, применения и доказательство.

Вычет в существенно особой точке: как считать
Вычет в существенно особой точке функции комплексного переменного: ряд Лорана, коэффициент при минус первой степени, теорема Сохоцкого, примеры для exp(1/z) и sin(1/z), типичные ошибки.

Уравнение Бернулли первого порядка: решение
Уравнение Бернулли первого порядка вида y′+p(x)y=q(x)yⁿ: подстановка z=y^(1−n), пошаговый алгоритм сведения к линейному ОДУ, подробный пример и проверка.