4. Równania Cauchy ego Riemanna. lim. = c.. dz z=a Zauważmy, że warunkiem równoważnym istnieniu pochodnej jest istnienie liczby c C, takiej że

Podobne dokumenty
Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

2. Definicja pochodnej w R n

Notatki z Analizy Matematycznej 3. Jacek M. Jędrzejewski

Definicja punktu wewnętrznego zbioru Punkt p jest punktem wewnętrznym zbioru, gdy należy do niego wraz z pewnym swoim otoczeniem

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Wykład 15. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

1 + iϕ n. = cos ϕ + i sin ϕ. e n z n n n. c M n z n, c n z Mn.

1. Liczby zespolone Zadanie 1.1. Przedstawić w postaci a + ib, a, b R, następujące liczby zespolone (1) 1 i (2) (5)

Pochodna funkcji. Niech f : A R, a A i załóżmy, że istnieje α > 0 taka, że

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Analiza I.2*, lato 2018

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

1 Szeregi potęgowe. 1.1 Promień zbieżności szeregu potęgowego. Wydział Informatyki, KONWERSATORIUM Z MATEMATYKI, 2008/2009.

Rozdział 2. Liczby zespolone

Kurs wyrównawczy - teoria funkcji holomorficznych

Wstęp do metod numerycznych Rozwiazywanie równań algebraicznych. P. F. Góra

6. Punkty osobliwe, residua i obliczanie całek

Funkcje analityczne. Wykład 2. Płaszczyzna zespolona. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Metody numeryczne. Równania nieliniowe. Janusz Szwabiński.

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Analiza Matematyczna I Wydział Nauk Ekonomicznych. wykład XI

Rozdział 2. Liczby zespolone

Rozdział 6. Ciągłość. 6.1 Granica funkcji

Funkcje analityczne. Wykład 12

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Rozdział 7. Różniczkowalność. 7.1 Pochodna funkcji w punkcie

n=0 W tym rozdziale, wyposażeni w wiedzę o zbieżności jednostajnej, omówimy ogólne własności funkcji, które można definiować wzorami typu (8.1).

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

12. Wykład 12: Algebraiczne domkniecie ciała. Wielokrotne pierwiastki wielomianów. Rózniczkowanie wielomianów. Elementy rozdzielcze.

Praca domowa - seria 6

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Analiza matematyczna 1 - test egzaminacyjny wersja do ćwiczeń

Analiza funkcjonalna 1.

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Zasada indukcji matematycznej

Układy równań i równania wyższych rzędów

V. Jednorodne układy równań różniczkowych liniowych o stałych współczynnikach

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

RACHUNEK RÓŻNICZKOWY FUNKCJI JEDNEJ ZMIENNEJ

Przestrzenie wektorowe

FUNKCJE LICZBOWE. Na zbiorze X określona jest funkcja f : X Y gdy dowolnemu punktowi x X przyporządkowany jest punkt f(x) Y.

Rozdział 5. Szeregi liczbowe. 5.1 Szeregi liczbowe. Definicja sumy częściowej ciągu. Niech dany będzie ciąg liczbowy (a n ) n=1.

Temat: Ciągi i szeregi funkcyjne

1 Pochodne wyższych rzędów

n=0 Dla zbioru Cantora prawdziwe są wersje lematu 3.6 oraz lematu 3.8 przy założeniu α = :

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

Funkcje Analityczne, ćwiczenia i prace domowe

Własności wyznacznika

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

SZEREGI LICZBOWE I FUNKCYJNE

= b i M i [x], gdy charf = p, to a i jest pierwiastkiem wielomianu x n i

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Twierdzenie spektralne

Funkcje analityczne. Wykład 1. Co to są i do czego służą funkcje analityczne? Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017)

VIII. Zastosowanie rachunku różniczkowego do badania funkcji. 1. Twierdzenia o wartości średniej. Monotoniczność funkcji.

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Algebra liniowa II. Lista 1. 1 u w 0 1 v 0 0 1

Zagadnienia stacjonarne

Notatki z Analizy Matematycznej 2. Jacek M. Jędrzejewski

Dekompozycje prostej rzeczywistej

Matematyczne Metody Fizyki II

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Spis treści. Rozdział I. Wstęp do matematyki Rozdział II. Ciągi i szeregi... 44

Analiza Matematyczna 2

Rachunek różniczkowy funkcji f : R R

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

1. Funkcje monotoniczne, wahanie funkcji.

Funkcje. Granica i ciągłość.

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Rodzinę F złożoną z podzbiorów zbioru X będziemy nazywali ciałem zbiorów, gdy spełnione są dwa następujące warunki.

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) dla każdego s = (s.

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

11. Pochodna funkcji

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

Układy równań liniowych

Szeregi o wyrazach dodatnich. Kryteria zbieżności d'alemberta i Cauchy'ego

zbiorów domkniętych i tak otrzymane zbiory domknięte ustawiamy w ciąg. Oznaczamy

Skończone rozszerzenia ciał

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

LI Olimpiada Matematyczna Rozwiązania zadań konkursowych zawodów stopnia trzeciego 3 kwietnia 2000 r. (pierwszy dzień zawodów)

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

i=0 a ib k i, k {0,..., n+m}. Przypuśćmy, że wielomian

Analiza matematyczna. 1. Ciągi

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

SIMR 2013/14, Analiza 1, wykład 5, Pochodna funkcji

Przestrzenie liniowe

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Transkrypt:

4. Równania Caucy ego Riemanna Niec Ω C będzie zbiorem otwartym i niec f : Ω C. Mówimy, że f ma w punkcie a Ω pocodną w sensie zespolonym (jest olomorficzna w a równą c C, jeśli f(z f(a lim = c. z a Piszemy wtedy c = f (a = df(z. dz z=a Zauważmy, że warunkiem równoważnym istnieniu pocodnej jest istnienie liczby c C, takiej że f(z f(a c( r(z = 0, z a. Stąd natycmiast wynika, że funkcja olomorficzna w punkcie a jest w tym punkcie ciągła, bo spełnia f(z f(a = (r(z + c (. Przykład. Niec f(z = z, z C. Wtedy czyli f (z =. f(z f(a Przykład. Niec g(z = z, z C. Wówczas więc Weźmy dwa ciągi zbieżne do 0 Mamy n n g(z g(a = = z a, = =, lim z a = lim 0. n = n 0, k n = i n 0. n = = n k n, = i n i = n, n k n n a więc funkcja g(z = z nie jest olomorficzna w żadnym punkcie a C. Przykład. Dla z C jest z = x+iy, gdzie (x, y R 2. Zapiszmy funkcję z poprzedniego przykładu we współrzędnyc rzeczywistyc Oczywiście g : R 2 R 2. Wtedy g(x, y = (x, y = (g (x, y, g 2 (x, y. g (x,y g 2 (x,y g (x,y g 2 (x,y = ( 0 0

Funkcja g ma ciągłe pocodne cząstkowe, więc jest różniczkowalna w sensie rzeczywistym. Twierdzenie (Caucy Riemann. Niec f : Ω C, gdzie Ω jest otwartym podzbiorem C. Jeżeli f = u + iv jest olomorficzna w punkcie a Ω, to jest różniczkowalna jako odwzorowanie z Ω w R 2, a macierzą jej pocodnej jest ( u (a u (a ( u (a (a = (a (a (a u (a. Zacodzą zatem równania u (a = (a, u (a = (a. Odwrotnie, jeśli f jest w sensie rzeczywistym różniczkowalna w a i spełnia równania C-R, to jest olomorficzna oraz f (a = u (a + i (a = (a i u (a. Dowód. Przypomnijmy, że odwzorowanie f : Ω R 2, gdzie Ω jest otwartym podzbiorem R 2 jest różniczkowalne w sensie rzeczywistym w punkcie a Ω i ma pocodną A : R 2 R 2 (która jest odwzorowaniem liniowym, jeśli Niec f(a + f(a A 0 0 ( α β A =, α, β, γ, δ R. γ δ Z drugiej strony rózniczkowalność zespolona f, jako funkcji f : Ω C oznacza, że gdzie f(a + f(a c lim 0 c = α + iβ C. = 0, Zauważmy, że odwzorowanie c jest też liniowe nad R i więc jego macierzą jest c = (α + iβ( + i 2 = (α β 2 + i(β + α 2 ( ( ( α β = 2 α β =, β + α 2 β α 2 Stąd natycmiast wynika nasza teza. ( α β C =. β α W dalszym ciągu wykładu będziemy korzystać z rozmaityc oznaczeń dotyczącyc pocodnyc zespolonyc i rzeczywistyc. Aby się w nic nie pogubić, sporządzimy teraz ic listę, do której można będzie zawsze w razie wątpliwości powrócić. 2

Niec f = u + iv : Ω C będzie olomorficzna w punkcie z = x + iy Ω. Pocodna zespolona f w punkcie z jest liczbą i oznaczamy ją przez f (z = df(z dz = f(z + i f(z. Owzorowanie liniowe f (z możemy też interpretować jako pocodną rzeczywistą odworowania f = (u, v : Ω R 2 o macierzy ( f u(x, y u(x, y (x, y =. v(x, y v(x, y Jak widać liczby zespolone f(z i f(z są kolumnami tej macierzy. Natomiast jej wiersze to gradienty u i v, które będziemy oznaczać przez u(x, y = v(x, y = ( u(x, y, u(x, y ( v(x, y, v(x, y = u(x, y + i u(x, y, = v(x, y + i v(x, y. Jak łatwo zauważyć, powyższa notacja pozwala zapisać równania Caucy ego-riemanna w zwięzłej postaci: v(z = i u(z. Jeszcze inną postacią tyc równań jest Przykład. Niec f(z = z 2. Wtedy czyli Mamy i Otrzymujemy więc oraz f(z = i f(z. f(z = (x + iy 2 = x 2 y 2 + i(2xy, u(x, y = x 2 y 2, u (z + 2 z 2 = 2x =, u = z2 + 2z + 2 z 2 (z 2 = 2z f (z = 2x + i2y = 2z. v(x, y = 2xy. = 2y = = 2z + 0 2z. Niektóre własności różniczkowania zespolonego są analogiczne do własności różniczkowania w R. 3

( Jeśli f, g są olomorficzne, to olomorficzne są również funkcje f + g, fg, f/g (o ile g 0 i (f + g = f + g, (fg = f g + fg, ( f = f g fg. g g 2 (2 Jeśli Ω f Ω2 g C są olomorficzne, to olomorficzne jest g f i (g f (z = g (f(zf (z, z C. (3 Jeśli f : Ω na U (gdzie U, Ω C są otwarte jest olomorficzna, f (z 0 dla z Ω i f jest ciągła, to f jest olomorficzna oraz czyli (f (f(z = f (z, (f (w = Przykład. z =, (z 2 = 2z, (z n = nz n. f (f (w. z Ω z n a n = ((zn + z n 2 a + z n 3 a 2 +... + a n = (z n + z n 2 a + z n 3 a 2 +... + a n z a na n Przykład. Niec f(z =. Dla każdego a 0 z czyli f(a + = a + = a + = a a f(z = ( n n a n = ( n ( n a n+. ( n n a n+ dla < a, Funkcję f na zbiorze otwartym Ω C nazywamy analityczną, jeśli dla każdego a Ω istnieje r > 0, takie że K(a, r Ω i istnieje ciąg współczynników a n, takic że f(a + = a n n dla < r. Funkcja z jest funkcją analityczną, ponieważ w otoczeniu każdego punktu rozwija z się w szereg potęgowy. Twierdzenie 2. Jeśli f jest analityczna na zbiorze otwartym Ω C, to jest na tym zbiorze olomorficzna. 4

Dowód. Niec a Ω, f(a + = a n n, < r oraz a 0 = f(a. Wtedy Zatem f(a + f(a = a 0 f(a + n= a n n = a n n 0 a n= a = f (a. 3. Funkcja zadana szeregiem potęgowym f(z = a n z n, z < r, jest analityczna. = a 0 f(a + n= a n n Dowód. Niec z < r będzie ustalone i niec < r z. Wtedy z + < r i n n f(z + = a n (z + n = a n( z n k k. k=0 k Zauważmy, że szereg podwójny występujący po prawej stronie jest bezwzględnie zbieżny, bo ( n n a n z n k k a n ( z + n <, z + < r, k k=0 i wobec tego wolno zmienić kolejność sumowania, co daje f(z + = α k (z k, gdzie α k (z = n=k k=0 ( n a n z n k. k 4. Jeśli funkcja f zadana jest szeregiem potęgowym f(z = a n z n, z < r, to f (z = α (z = na n z n, z < r. n= Podkreślmy, że promień zbieżności szeregu f (z jest taki sam, jak promień f(z. Widać też, że szereg potęgowy różniczkuje się tak, jak wielomian, czyli wyraz po wyrazie. Widać też, że funkcja a n F (z = n + zn+, z < r, 5

jest funkcją pierwotną dla f, bo oczywiście F (z = f(z dla z < r. Szereg definiujący F ma ten sam promień zbieżności. Z tego, co już wiemy, przez łatwą indukcję wynika, że funkcja zadana szeregiem potęgowym jest nieskończenie wiele razy różniczkowalna w sensie zespolonym wewnątrz koła zbieżności i f n (z = n!α n (z, a w szczególności f n (0 = n!a n. To, co wiemy o szeregac potęgowyc, bez trudu przenosimy na funkcje analityczne. Twierdzenie 5. Niec f : Ω C będzie funkcją analityczną w zbiorze otwartym Ω C. Wówczas dla każdego z Ω f n (z f(z + = n, z < r. n! Innymi słowy, funkcja analityczna jest nieskończenie wiele razy różniczkowalna w sensie zespolonym i rozwija się w szereg Taylora wokół każdego punktu swojej dziedziny. I jeszcze twierdzenie o wartości średniej. Przypomnijmy najpierw twierdzenie Lagrange a: 6. Jeśli ϕ : [α, β] R jest funkcją ciągłą na [α, β] i rózniczkowalną w (α, β, to istnieje punkt t 0 (α, β, taki że ϕ(β ϕ(α = ϕ (t 0 (β α. Niestety twierdzenie Lagrange a nie przenosi się dosłownie na przypadek zespolony. Powodem tego jest, że punkt pośredni dla części rzeczywistej funkcji nie jest na ogół równy punktowi pośredniemu dla części zespolonej. Tym niemniej prawdziwe jest następujące pożyteczne oszacowanie. Twierdzenie 7 (o wartości średniej. Niec Ω C będzie otwarty i niec f = u + iv : Ω C będzie olomorficzna. Jeśli [a, b] Ω, to istnieje c (a, b, takie że Dowód. Niec f(b f(a f (c b a. ϕ(t = u(a + t(b a, ψ(t = v(a + t(b a, 0 t. Na mocy twierdzenia Lagrange a istnieją 0 < t, t 2 <, takie że oraz u(b u(a = ϕ( ϕ(0 = ϕ (t =< u(a + t (b a, b a >=< u(c, b a > v(b v(a = ψ( ψ(0 = ψ (t 2 gdzie c = a + t (b a, c 2 = a + t 2 (b a. 6 =< v(a + t 2 (b a, b a >=< v(c 2, b a >,

Mamy więc f(b f(a = u(b u(a 2 + v(b v(a 2 = u(c 2 + v(c 2 2 b a. Pozostaje zauważyć, że skoro v(z = i u(z, to u(z = v(z i jeśli c jest tym punktem c j, gdzie (c j ma większą wartość, to u(c 2 + v(c 2 2 u(c 2 + v(c 2 = f (c. Wniosek 8. Niec f będzie funkcją olomorficzną na obszarze Ω C. Jeśli f (z = 0 dla z Ω, to f jest funkcją stałą. Dowód. Przypuśćmy nie wprost, że f(a f(b dla pewnyc a, b Ω. Połączmy punkty a i b łamaną Γ = [z 0, z, z 2,..., z n ], a = z 0, b = z n. Istnieje 0 k < n, takie że f(z k f(z k+. Ale na mocy twierdzenia o wartości średniej mamy f(z k+ f(z k f (c z k+ z k, gdzie c (z k, z k+. Skoro jednak f (c = 0, to f(z k+ = f(z k i mamy sprzeczność. 7