EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Теорема Руше: подсчёт нулей аналитической функции

21 февраля 2026Время чтения: 7 минут
#теорема Руше#комплексный анализ#нули аналитической функции#аргумент-принцип#локализация корней
Теорема Руше: подсчёт нулей аналитической функции

Теорема Руше - рабочий инструмент комплексного анализа, который позволяет считать нули аналитической функции не вычисляя их, а сравнивая «доминирующий» член ff с «возмущением» gg. На контуре проверяют одно неравенство ∣g(z)∣<∣f(z)∣|g(z)| < |f(z)| - и сразу получают, что f+gf+g имеет внутри ровно столько нулей, сколько ff. Это коренное свойство используется в новом доказательстве основной теоремы алгебры, в локализации корней многочленов в кольцах и в оценках устойчивости спектра.

Формулировка теоремы Руше

Пусть ff и gg голоморфны в области, содержащей замкнутый кусочно-гладкий простой контур CC и его внутренность DD. Если на самом контуре выполнено строгое неравенство

∣g(z)∣<∣f(z)∣для всех z∈C,|g(z)| < |f(z)| \quad \text{для всех } z \in C,

то функции ff и f+gf+g имеют одинаковое число нулей в DD, считая каждый с учётом его кратности. Ноль z0z_0 кратности mm даёт вклад mm в общий счёт.

Условие строгости важно: при ∣g∣=∣f∣|g|=|f| хотя бы в одной точке контура аргумент функции f+gf+g может «зацепить» начало координат, и подсчёт сорвётся. Условие голоморфности - внутри DD, не только на контуре. Полюсов внутри быть не должно (иначе используют обобщение через принцип аргумента с поправкой на полюса).

Набросок доказательства через принцип аргумента

Принцип аргумента утверждает: для голоморфной функции hh без нулей на CC

12πi∮Ch′(z)h(z) dz=Nh,\frac{1}{2\pi i} \oint_C \frac{h'(z)}{h(z)}\, dz = N_h,

где NhN_h - число нулей внутри CC с учётом кратности. Геометрически левая часть - это число оборотов кривой h(C)h(C) вокруг нуля.

Рассмотрим семейство ht(z)=f(z)+t g(z)h_t(z) = f(z) + t\,g(z) при t∈[0,1]t \in [0,1]. На контуре ∣ht(z)∣≥∣f(z)∣−t∣g(z)∣≥∣f(z)∣−∣g(z)∣>0|h_t(z)| \geq |f(z)| - t|g(z)| \geq |f(z)| - |g(z)| > 0, значит, hth_t не обращается в нуль на CC ни при каком tt. Следовательно, число NhtN_{h_t} - целочисленная непрерывная функция от tt, то есть константа. При t=0t=0 оно равно NfN_f, при t=1t=1 - равно Nf+gN_{f+g}. Значит, Nf=Nf+gN_f = N_{f+g}.

Как применять: выбор доминирующего члена

Алгоритм решения задач на локализацию корней почти всегда один и тот же.

  1. Зафиксировать контур CC - обычно окружность ∣z∣=R|z|=R.
  2. Разбить исследуемую функцию pp на сумму p=f+gp = f + g так, чтобы один член ff имел понятные нули и доминировал по модулю на CC.
  3. Оценить ∣g(z)∣|g(z)| сверху и ∣f(z)∣|f(z)| снизу на контуре с помощью неравенства треугольника.
  4. Если ∣g∣<∣f∣|g| < |f|, заключить, что pp имеет столько же нулей внутри, сколько ff.

Если разбиение не проходит - пересобрать его (поменять, какой член считать главным, изменить RR, перейти к кольцу как разности двух кругов).

Пример: число корней z4−5z+1z^4 - 5z + 1 в круге ∣z∣<1|z|<1

Берём f(z)=−5zf(z) = -5z, g(z)=z4+1g(z) = z^4 + 1. На окружности ∣z∣=1|z|=1:

∣f(z)∣=5,∣g(z)∣≤∣z∣4+1=2.|f(z)| = 5, \qquad |g(z)| \leq |z|^4 + 1 = 2.

Неравенство ∣g∣<∣f∣|g|<|f| выполнено. У f(z)=−5zf(z) = -5z ровно один нуль внутри ∣z∣<1|z|<1 (это z=0z=0, кратность 1). Значит, z4−5z+1z^4 - 5z + 1 имеет ровно один корень в круге ∣z∣<1|z|<1.

Пример: тот же многочлен в кольце 1<∣z∣<21<|z|<2

Проверим круг ∣z∣<2|z|<2. Возьмём f(z)=z4f(z) = z^4, g(z)=−5z+1g(z) = -5z + 1. На ∣z∣=2|z|=2:

∣f(z)∣=16,∣g(z)∣≤5⋅2+1=11.|f(z)| = 16, \qquad |g(z)| \leq 5\cdot 2 + 1 = 11.

Неравенство выполнено, f(z)=z4f(z)=z^4 имеет 4 нуля в ∣z∣<2|z|<2 (нуль кратности 4 в точке z=0z=0). Значит, во всём круге ∣z∣<2|z|<2 многочлен имеет 4 корня. Вычитая один корень из ∣z∣<1|z|<1, получаем: в кольце 1<∣z∣<21<|z|<2 лежит ровно три корня многочлена z4−5z+1z^4 - 5z + 1.

Новое доказательство основной теоремы алгебры

Пусть p(z)=anzn+an−1zn−1+⋯+a0p(z) = a_n z^n + a_{n-1} z^{n-1} + \dots + a_0, an≠0a_n \neq 0. Выберем f(z)=anznf(z) = a_n z^n, g(z)=an−1zn−1+⋯+a0g(z) = a_{n-1} z^{n-1} + \dots + a_0. На окружности ∣z∣=R|z|=R

∣g(z)∣∣f(z)∣≤∣an−1∣∣an∣R+⋯+∣a0∣∣an∣Rn→0\frac{|g(z)|}{|f(z)|} \leq \frac{|a_{n-1}|}{|a_n| R} + \dots + \frac{|a_0|}{|a_n| R^n} \to 0

при R→∞R \to \infty. Значит, для достаточно большого RR выполнено ∣g∣<∣f∣|g|<|f| на ∣z∣=R|z|=R. У f(z)=anznf(z) = a_n z^n ровно nn нулей в ∣z∣<R|z|<R (нуль кратности nn в точке z=0z=0). По теореме Руше у pp внутри тот же набор - ровно nn нулей в C\mathbb{C}. Это и есть основная теорема алгебры.

Подсчёт нулей zn+p(z)z^n + p(z) при малом возмущении

Если pp - многочлен степени меньше nn и на единичной окружности выполнено ∣p(z)∣<1|p(z)|<1, то zn+p(z)z^n + p(z) имеет ровно nn нулей в ∣z∣<1|z|<1. Берём f(z)=znf(z) = z^n, g(z)=p(z)g(z) = p(z). Условие ∣g∣<∣f∣=1|g| < |f| = 1 на ∣z∣=1|z|=1 задано напрямую, и ff даёт нуль кратности nn в начале. Эту конструкцию используют, чтобы доказывать, что возмущение полинома малой нормой не выкидывает корни за пределы круга.

Симметричная (обобщённая) форма теоремы Руше

Эстерле и Глейзер заметили, что условие ∣g∣<∣f∣|g|<|f| можно ослабить до симметричного

∣f(z)+g(z)∣<∣f(z)∣+∣g(z)∣на C.|f(z) + g(z)| < |f(z)| + |g(z)| \quad \text{на } C.

Это эквивалентно тому, что f(z)f(z) и −g(z)-g(z) нигде на контуре не сонаправлены как векторы. Симметричная форма удобна, когда заранее не ясно, какой из членов «главный»: проверка через сонаправленность часто проще, чем сравнение модулей. Заключение прежнее - ff и f+gf+g имеют одинаковое число нулей внутри.

Отличие от принципа аргумента и теоремы об обратной функции

Теорема Руше - это следствие принципа аргумента в удобной упаковке. Принцип аргумента считает нули и полюса через интеграл от логарифмической производной и работает для функций с полюсами. Руше выгоднее, когда полюсов нет и есть удобное разбиение p=f+gp=f+g: не нужно считать интеграл, достаточно одного неравенства на контуре.

Теорема об обратной функции отвечает на другой вопрос - локальная обратимость в окрестности точки, где f′≠0f'\neq 0. Руше говорит про глобальный счёт нулей в области и не требует ничего знать о производной.

Частые ошибки

  • Берут неравенство нестрогим: ∣g∣≤∣f∣|g|\leq|f|. На границе допустимо обращение f+gf+g в нуль на CC, и подсчёт нулей внутри становится некорректным.
  • Подбирают ff так, что у него самого нет нулей внутри DD, и тогда теорема Руше даёт тривиальный ответ «нулей нет», но при ∣g∣>∣f∣|g|>|f| на части контура заключение неверно - нужно проверять неравенство на всём CC, не в одной точке.
  • Забывают учесть кратность: у f(z)=znf(z)=z^n внутри ∣z∣<R|z|<R не один, а nn нулей.
  • Используют теорему для функций с полюсами внутри контура - нужен принцип аргумента с поправкой N−PN - P, а не Руше в чистом виде.
  • Пытаются применить теорему к функциям, голоморфным только на контуре, но не во всей внутренности - условие голоморфности в D‾\overline{D} обязательно.

FAQ

В чём разница между теоремой Руше и принципом аргумента? Принцип аргумента - общий: считает N−PN-P через интеграл от h′/hh'/h по контуру для мероморфной hh. Теорема Руше - частный случай для голоморфных функций без полюсов, в котором интеграл заменён на простое сравнение модулей ∣g∣<∣f∣|g|<|f|.

Можно ли применять теорему Руше к трансцендентным функциям? Да. Условия - голоморфность в окрестности замкнутого контура и строгое неравенство модулей на нём. Например, для f(z)=zf(z) = z и g(z)=sin⁡zg(z) = \sin z на ∣z∣=1|z|=1 имеем ∣g∣≤sinh⁡1<1=∣f∣|g|\leq \sinh 1 < 1 = |f|, значит, z+sin⁡zz+\sin z имеет один ноль в ∣z∣<1|z|<1.

Что делать, если на контуре ∣g∣=∣f∣|g|=|f| в одной точке? Сдвинуть контур: взять ∣z∣=R±ε|z|=R\pm\varepsilon при малом ε\varepsilon. Если на сдвинутом контуре строгое неравенство выполнено, ответ распространяется по непрерывности (нули pp не лежат точно на ∣z∣=R|z|=R при типичной задаче).

Коротко

Теорема Руше - это компактная переформулировка принципа аргумента: на контуре сравнивают модули двух слагаемых, а внутри получают равенство числа нулей. Главное умение - правильно выбрать «доминирующий» член ff, у которого нули известны, и оценить «возмущение» gg сверху. На этом построены доказательство основной теоремы алгебры, локализация корней многочленов в круге и кольце и оценки устойчивости спектра при возмущении коэффициентов.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Вычет в существенно особой точке: как считать

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.

29 мая 20269 минут
Теорема Морера: обратная к теореме Коши для голоморфности

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.

7 марта 20267 минут
Интегральная теорема Коши: формулировка, формула и следствия

Интегральная теорема Коши: формулировка, формула и следствия

Интегральная теорема Коши для голоморфных функций: доказательство через Гурса, интегральная формула Коши, производные любого порядка, теорема Лиувилля и связь с вычетами.

18 февраля 202611 минут
Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут