EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Интегральная теорема Коши: формулировка, формула и следствия

18 февраля 2026Время чтения: 11 минут
#математика#комплексный анализ#теорема Коши#голоморфные функции#теорема о вычетах
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 C1C^1 дал Эдуард Гурса в 1900 году.

Постановка

Пусть DCD \subset \mathbb{C} - односвязная область, f ⁣:DCf \colon D \to \mathbb{C} - голоморфная функция, γD\gamma \subset D - замкнутый кусочно-гладкий контур (положительной ориентации). Утверждение теоремы:

γf(z)dz=0\oint_\gamma f(z)\, dz = 0

Голоморфность означает существование комплексной производной f(z)f'(z) в каждой точке DD - это требование сильнее обычной дифференцируемости в R2\mathbb{R}^2, потому что предел отношения (f(z+h)f(z))/h(f(z+h) - f(z))/h не должен зависеть от направления hh. Эквивалентная форма - выполнение уравнений Коши-Римана для f=u+ivf = u + iv:

ux=vy,uy=vx.\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}.

Односвязность области означает, что любой замкнутый контур в ней можно стянуть в точку без выхода из DD. Без этого условия теорема ломается - классический контрпример f(z)=1/zf(z) = 1/z на кольце 0<z<20 < |z| < 2 показывает, что интеграл по окружности z=1|z| = 1 равен 2πi02\pi i \neq 0.

Доказательство через теорему Гурса

Историческое доказательство Коши опиралось на формулу Грина и неявно требовало fC1f' \in C^1. Гурса показал, что условия C1C^1 можно не требовать: одной голоморфности достаточно. План - индукция по разбиению треугольника.

Шаг 1. Достаточно доказать Tf(z)dz=0\oint_T f(z)\, dz = 0 для произвольного треугольника TDT \subset D. Любой кусочно-гладкий контур аппроксимируется ломаной, а ломаная триангулируется.

Шаг 2. Разбиваем треугольник TT на четыре подобных треугольника T1,T2,T3,T4T_1, T_2, T_3, T_4 (соединяем середины сторон). Интеграл по T\partial T равен сумме интегралов по Tk\partial T_k - внутренние стороны проходятся дважды в противоположных направлениях и сокращаются. Хотя бы один из четырёх по модулю не меньше I/4|I|/4, где I=TfdzI = \oint_T f\, dz. Берём его, обозначаем T(1)T^{(1)}, повторяем процедуру.

Шаг 3. Получаем вложенную последовательность треугольников TT(1)T(2)T \supset T^{(1)} \supset T^{(2)} \supset \dots с диаметрами dn=d0/2nd_n = d_0 / 2^n и периметрами Ln=L0/2nL_n = L_0 / 2^n. По теореме о вложенных компактах есть общая точка z0z_0. В ней используем голоморфность:

f(z)=f(z0)+f(z0)(zz0)+ε(z)(zz0),ε(z)0.f(z) = f(z_0) + f'(z_0)(z - z_0) + \varepsilon(z)\, (z - z_0), \qquad \varepsilon(z) \to 0.

Линейная часть имеет первообразную, её интеграл по замкнутому контуру равен нулю. Остаётся хвост: T(n)ε(z)(zz0)dzmaxεdnLn=maxεd0L0/4n\bigl|\oint_{T^{(n)}} \varepsilon(z)(z-z_0)\, dz\bigr| \le \max|\varepsilon| \cdot d_n \cdot L_n = \max|\varepsilon| \cdot d_0 L_0 / 4^n. С другой стороны, I4nIn|I| \le 4^n |I_n|, то есть Imaxεd0L0|I| \le \max|\varepsilon| \cdot d_0 L_0. Устремляем nn \to \infty, maxε0\max|\varepsilon| \to 0, получаем I=0I = 0.

Доказательство Гурса важно тем, что не привлекает ни формулы Грина, ни оператора Лапласа, ни предположения fC1f' \in C^1 - пользуется только определением голоморфности. Из теоремы потом автоматически следует, что ff 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 ff 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 ff голоморфна в области DD, γD\gamma \subset D - замкнутый кусочно-гладкий контур, z0z_0 - точка внутри γ\gamma. Тогда

f(z0)=12πiγf(z)zz0dz.f(z_0) = \frac{1}{2\pi i} \oint_\gamma \frac{f(z)}{z - z_0}\, dz.

Идея вывода. Рассмотрим f(z)zz0\dfrac{f(z)}{z - z_0} - она голоморфна везде в DD, кроме точки z0z_0. Окружим z0z_0 малой окружностью CρC_\rho радиуса ρ\rho. По интегральной теореме Коши, применённой к области между γ\gamma и CρC_\rho (срезанной разрезом), интеграл по γ\gamma равен интегралу по CρC_\rho. На малой окружности f(z)f(z0)f(z) \approx f(z_0), и прямое вычисление Cρdzzz0=2πi\oint_{C_\rho} \frac{dz}{z - z_0} = 2\pi i даёт нужное равенство при ρ0\rho \to 0.

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 C\mathbb{C} нет «свободы» - задал значения на контуре, получил всё внутри.

Производные любого порядка

Дифференцируя формулу Коши по z0z_0 под знаком интеграла (это можно делать, потому что подынтегральное выражение гладко зависит от параметра), получаем формулу для производных:

f(n)(z0)=n!2πiγf(z)(zz0)n+1dz.f^{(n)}(z_0) = \frac{n!}{2\pi i} \oint_\gamma \frac{f(z)}{(z - z_0)^{n+1}}\, dz.

Это и есть знаменитое следствие: всякая голоморфная функция бесконечно дифференцируема в комплексном смысле. В вещественном анализе C1C2CC^1 \neq C^2 \neq C^\infty - это разные классы. В комплексном анализе C1C^1-голоморфная функция автоматически CC^\infty-голоморфна, и больше того - аналитична (раскладывается в локальный степенной ряд an(zz0)n\sum a_n (z - z_0)^n). Получаем равенство классов: голоморфная = бесконечно дифференцируемая комплексная = аналитическая.

Из формулы для f(n)f^{(n)} выводятся неравенства Коши для коэффициентов разложения. Если ff голоморфна в круге zz0<R|z - z_0| < R и fM|f| \le M на zz0=r<R|z - z_0| = r < R, то

f(n)(z0)n!Mrn.|f^{(n)}(z_0)| \le \frac{n!\, M}{r^n}.

Эти неравенства - рабочий инструмент для оценок поведения голоморфных функций.

Теорема Лиувилля

Теорема Лиувилля. Ограниченная целая функция (голоморфная во всей плоскости C\mathbb{C} и fM|f| \le M) постоянна.

Доказательство в одну строку. Берём неравенство Коши для первой производной: f(z0)M/r|f'(z_0)| \le M/r при любом r>0r > 0. Устремляем rr \to \infty - получаем f(z0)=0f'(z_0) = 0 в каждой точке. Значит ff постоянна.

В вещественном анализе аналог откровенно ложный: sinx\sin x 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 P(z)=anzn++a0P(z) = a_n z^n + \dots + a_0 с an0a_n \neq 0, n1n \ge 1, имеет хотя бы один корень в C\mathbb{C}.

Доказательство. Пусть PP корней не имеет. Тогда f(z)=1/P(z)f(z) = 1/P(z) - целая функция (голоморфна везде). Ограниченность: при z|z| \to \infty имеем P(z)|P(z)| \to \infty, значит f(z)0|f(z)| \to 0, то есть ff ограничена в окрестности бесконечности. На любом компакте ff непрерывна и ограничена. Итого ff - ограниченная целая. По теореме Лиувилля fconstf \equiv \text{const}, значит и PconstP \equiv \text{const}. Противоречие с n1n \ge 1.

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 ff голоморфна и непостоянна в области DD, то f(z)|f(z)| не может достигать локального максимума во внутренней точке DD. Максимум по замкнутой области достигается на границе.

Идея: если f|f| имеет локальный максимум в z0z_0, то применяем формулу Коши на малой окружности вокруг z0z_0 - получаем, что f(z0)f(z_0) есть среднее значений ff по окружности; если все они по модулю f(z0)\le |f(z_0)|, то и среднее не может быть больше, а если оно строго равно - все значения совпадают с f(z0)f(z_0).

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 ff голоморфна в области DD за исключением конечного числа изолированных особых точек z1,,zkz_1, \dots, z_k, лежащих внутри замкнутого контура γD\gamma \subset D, то

γf(z)dz=2πij=1kreszjf.\oint_\gamma f(z)\, dz = 2\pi i \sum_{j=1}^{k} \operatorname{res}_{z_j} f.

Это прямое обобщение интегральной теоремы Коши: если особых точек нет, правая часть равна нулю - получаем исходную теорему. Если внутри одна точка z0z_0 и f(z)=g(z)/(zz0)f(z) = g(z)/(z - z_0) с голоморфной gg, то resz0f=g(z0)\operatorname{res}_{z_0} f = g(z_0) - получается интегральная формула Коши.

Для многосвязных областей теорема обобщается через индекс намотки. Если γ\gamma - замкнутая кривая, не проходящая через z0z_0, то её индекс намотки Indγ(z0)\operatorname{Ind}_\gamma(z_0) - число оборотов вокруг z0z_0, считая ориентацию:

Indγ(z0)=12πiγdzzz0Z.\operatorname{Ind}_\gamma(z_0) = \frac{1}{2\pi i} \oint_\gamma \frac{dz}{z - z_0} \in \mathbb{Z}.

Общая форма интегральной теоремы Коши: если ff голоморфна в DD, а цикл γ\gamma гомологичен нулю в DD (то есть Indγ(z)=0\operatorname{Ind}_\gamma(z) = 0 для всех zDz \notin D), то γfdz=0\oint_\gamma f\, dz = 0. Это уже не требует односвязности - нужна только согласованность контура с дырками области.

Частые ошибки

  • Применяют теорему без проверки голоморфности. f(z)=zˉf(z) = \bar z непрерывна и гладкая как функция (x,y)(x, y), но не голоморфна - уравнения Коши-Римана не выполняются. Интеграл z=1zˉdz=2πi0\oint_{|z|=1} \bar z\, dz = 2\pi i \neq 0. 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 00, но если особенность есть, работает только теорема о вычетах.
  • Применяют в неодносвязной области. Кольцо {0<z<2}\{0 < |z| < 2\} не односвязно. Интеграл от 1/z1/z по окружности z=1|z| = 1 равен 2πi2\pi i, а не нулю, потому что точка z=0z = 0 - особенность, и стянуть контур через неё нельзя.
  • Считают, что вещественная гладкость даёт голоморфность. f(z)=z2=x2+y2f(z) = |z|^2 = x^2 + y^2 бесконечно гладкая, но не голоморфна - её комплексная производная не существует ни в одной точке, кроме z=0z = 0. Условия Коши-Римана надо проверять отдельно.
  • Забывают про ориентацию контура. Положительная ориентация - против часовой стрелки. Поменяете знак ориентации - получите 2πi-2\pi i вместо 2πi2\pi i, и формула Коши даст f(z0)-f(z_0), 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 fC1f \in C^1: fdz=2izˉfdA=0\oint f\, dz = 2i \iint \partial_{\bar z} f\, dA = 0 при zˉf=0\partial_{\bar z} f = 0 (что эквивалентно уравнениям Коши-Римана). Но Грин требует fC1f' \in C^1, 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 1/z1/z, 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 R(x)dx\int_{-\infty}^{\infty} R(x)\, dx, 02πR(sint,cost)dt\int_0^{2\pi} R(\sin t, \cos t)\, dt, 0xaR(x)dx\int_0^\infty x^a R(x)\, dx 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, γf(z)dz=0\oint_\gamma f(z)\, dz = 0. Доказывается без условия C1C^1 через индукцию Гурса по треугольникам. Следствия каскадом: интегральная формула f(z0)=12πif(z)zz0dzf(z_0) = \frac{1}{2\pi i}\oint \frac{f(z)}{z - z_0}\, dz, формула для производных f(n)(z0)=n!2πif(z)(zz0)n+1dzf^{(n)}(z_0) = \frac{n!}{2\pi i}\oint \frac{f(z)}{(z-z_0)^{n+1}}\, dz, 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 Indγ(z0)\operatorname{Ind}_\gamma(z_0).

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также