Matematika A3a 2008/6. gyakorlat
Tartalomjegyzék |
C-differenciálhatóság
A komplex differenciálhatóság az előző észrevételekkel szoros kapcsolatban lesz. Egyfelől
mutaja, hogy ha a Jacobi-mártix hasonlóképpen viselkedik a komplex számok mátrixreprezentációjában, mint az egyváltozós valós derivált. Másrészt a
mutatja, hogy nem minden valósan deriválható függvény lesz komplex deriválható. Nézzük akkor az egyváltozós valós mintájára a definíciót majd lássuk a komplex differenciálhatóság jellemzését.
Definíció - Komplex differenciálhatóság, komplex derivált - Legyen f a z0 egy környezetében értelmezett függvény. Azt mondjuk, hogy f C-deriválható z0-ban és deriváltja a w szám, ha
Jelölése: f'(z0).
Azt, hogy az f a z0-ban komplex deriválható még úgy is jelöljük, hogy
- .
Pontbeli deriváltra példa a következő.
Példa. Milyen n egész számokra deriválható a 0-ban az alábbi függvény?
Mo. Ha n>0, akkor a különbségi hányados:
- ha z 0.
Ha n = 0, akkor
aminek nincs határértéke a 0-ban (az egységkörön mozog a végpont).
Ha n < 0, akkor
ami a 0-ban a komplex végtelenbe tart, mert a hossza a végtelenbe tart.
Tehát n > 0-ra a függvény komplex deriválható a 0-ban, más n < 1-re nem deriválható.
Tétel. - A komplex differenciálhatóság jellemzése - Legyen f a z0 = x0 + iy0 egy környezetében értelmezett függvény. Ekkor az alábbiak ekvivalensek:
- 1)
- 2) és .
Bizonyítás. Legyen f a z0 = x0 + iy0 egy környezetében értelmezett függvény és w' komplex szám. Tekintsük a következő határértéket:
Ha ez létezik, akkor ekvivalens a következővel:
Azaz
Itt (z-z0)/|z-z0| a komplex egységkörön "futó" függvény, ezért a fenti ekvivalnes a következővel:
Ami viszont ugyanakkor igaz mint:
Ha a következtetésben felfelé vizsgálódunk, tehát feltesszük a komplex deriválhatóságot ahol w a komplex derivált, akkor azt kapjuk, hogy a w mátrixreprezentációjával való mátrixszorzás alkalmas lineáris leképezés a valós derivált számára, azaz létezik [df(z0)]=[w].
Másfelől, ha f valósan deriválható és a deriváltja a w komplex számot reprezentálja, akkor komplexen is deriválható.
Cauchy--Riemann-egyenletek A fenti tételben a [df(z)] ∈ C feltétel (természetesen a totális deriválhatóság esetén) ekvivalens az alábbiakkal. Ha f = u + iv és z = x +iy, akkor
Komplex deriváltfüggvény Ahol egy f komplex függvény komplex deriválható, ott a deriváltja:
Definíció - Regularitás - Az f komplex függvény reguláris a z pontban, ha f a z egy egész környezetén értelmezett, és a teljes környezetben komplex deriválható.
Feladat. Legyen f(x+iy)=|x|+i|y|. Hol komplex deriválható és hol reguláris f?
Feladat. Legyen f(x + iy) = x2 + iy3. Hol komplex deriválható és hol reguláris f?
Harmonikus társ keresése
Azt mondjuk, hogy a kétszer differenciálható u=u(x,y) valós függvény harmonikus, ha
itt Δ a Laplace-operátor (nem a Laplace-transzformátor!, hanem a vektoranalízisbeli vektormezőre Hesse-mátrix nyoma).
A C--R-egyenletek mutatják, hogy ha f=u+iv reguláris, akkor u és v harmonikus függvények. Ugyanis:
- és
De u és v Hesse-mátrixa is szimmetrikus, ezért:
azaz
- és fordítva.
Általában az a feladat, hogy ha adott u, akkor keressük az ő harmonikus társát, v-t, mellyel u+iv reguláris. Ha tehát adott u, akkor van F és G, hogy
Ami az egzakt differenciálegynlet megoldásánál tanult parciális differenciálegyenlet megoldását igényli v-re, mint potenciálfüggvényre (ekkor f-et komplex pontenciálnak nevezzük, mármint a (v'x(x,y),vy'(x,y)) síkbeli vektormező komplex pontenciáljának; a v valódi pontenciálja lenne. Ennek szükséges utánanézni máshol is!)
1.. Keressünk harmonikus párt az
függvényhez!
Mo. Van neki, ha Δ=0. Ezt ellenőrizni kell, majd az előző módszerrel megkeresi v-t, amivel u+iv reguláris.
Komplex integrál
Görbék a komplex síkon
Ha G:[a,b]C, tz(t) folytonosan differenciálható, akkor G-t görbének nevezzük. (Esetleg a folytonos, véges sok helyen nem folytonosan differenciálható előbbi G-ket is görbéknek nevezzük.) A G görbe egyszerű, ha nem metszi át saját magát, azaz minden t1, t2-re, ha z(t1) = z(t2), akkor t1 = t2. G zárt, ha z(a) = z(b). A görbe t-beli irányvektorán a
komplex számot értjük.
Példák
1. Legyen t∈[a,b]-re z(t) = x(t) + iy(t) olyan, hogy x(t) = x0 + w1t és y(t) = y0 + w2t, azaz z(t) = z0 + wt. Ekkor z(t) egy egyenes szakasz.
És ekkor:
2. Az origó középpontú R sugarú kör:
- z(t) = Reit t∈[0,2π]
És ekkor
hiszen
Komplex vonalmenti integrál
Definíció. Ha G:[a,b]C görbe és f olyan komplex függvény, melyre Ran(G)⊆Dom(f), és f folytonos, akkor belátható, hogy létezik a
határérték, mely egy speciális Riemann-közelítőösszeg határértéke. Itt a görbén kijelöltük a véges sok zi pontot, melyek a szigorúan monoton (ti)-khez tartoznak a zi = z(ti) definícióval. Ezen [z(ti),z(ti + 1)] görbeszakaszokon belül felvettük tetszőlegesen a ζi közbülső pontokat, és a Δzi=[z(ti),z(ti + 1)] szakaszokkal elkészítettük az f(ζi)Δzi komplex szorzatokat. A határérték ezek görbére vett összegének határértéke. Ez a határérték az f függvény G-re vett komplex integrálja.
Kiszámítási formula. Belátható, hogy a fenti integrál a következőkkel egyenlő:
Példa
1. Legyen G a komplex egységkör pozitívan irányítva.
Ahol a valós Newton--Leibniz-formulát alkalmaztuk a komponensfüggvényekre.
2. Legyen G a z(t)=(1+2i)t, ahol t∈[0,1].
3. Legyen G a komplex egységkör felső fele, pozitívan irányítva.
Komplex Newton--Leibniz-formula
Ha az f komplex függvény, olyan, hogy van olyan komplex differenciálható F, melyre F'=f, akkor azt mondjuk, hogy a F az f primitív függvénye.
Komplex Newton--Leibniz-formula. Ha a nyílt halmazon értelmezett f komplex függvénynek primitív függvénye az F és f folytonos, akkor minden az f értelmezési tartományában haladó G:[a,b]C görbére:
Például:
4. Legyen . Mi az egységkörre az integrálja?
primitívfüggvénye f-nek, ezért
hiszen zárt a görbe, azaz a pr. fv. a kezdő és végpontban ugyanannyi.
Cirkulációmentesség
Visszavezetés valós vonalintegrálra. Az integrál kifejezhető vonalintegrállal. Ha ugyanis f= u + iv, akkor az f=(u,v) vektormezőnek olyan differenciálforma szerinti integrálja a komplex pályamenti integrál, mely az f=(u,v) vektor és a dz=(dx,dy) infinitezimális elmozdulásvektor komplex szorzásaként jön létre:
Ebben a felírásban az (u,-v) és (v,u) olyan segédvektormezők, melyek vonalintegráljai adják meg a komplex integrál valós és képzetes részét. Tehát az integrált a
- és
segédvektormezők síkbeli vonalintegráljai, vagy a
- és
segédvektormezők síkbeli felületi integráljai szolgáltatják.
Itt érdemes feleleveníteni, hogy az S = (s1, s2) síkvektormező felületi integrálja nem más, mint a ( − s2, s1) vektormező vonalintegrálja (a megfelelő irányítással).
megfelelő módon irányítva az F felületet, ill ennek "F" görbe mivoltát.
(Azaz a s_2dx - s_1 dy differenciálforma integrálja. Differenciálforma -- nemes egyszerűséggel -- egy olyan kifejezése, ahol dx, dy, dz-k és egy vektormező komponensei vannak összeszorozva-összeadva.)
Tétel. Ha a D tartományon értelmezett f függvénynek van primitív függvénye, akkor a körintegrál minden a D-ben haladó folytonosan differenciálható (ill. ilyenek véges összekapcsolásain) zárt görbén eltűnik:
További információhoz akkor jutunk, ha a többváltozós analízis cirkuálciómentességi feltételeit vizsgáljuk. Ehhez a vissza kell vezetni a komplex integrált a vonalintegrálra.
Legyen f(z) = f(x,y) = u(x,y) + iv(x,y). Ekkor f felfogható R2 R2 függvényként, melynek vonalintegrálja a
vonal mentén:
amiben az
- és
vektorterek integráljai szerepelnek.
Vagy kétdimenziós felületi integrálként:
- és
Ugyanis a komplex vonalintegrált síkbeli felületi integrállá lehet alakítani:
Green-tétel
Nehany topologiai fogalom.
Egy D nyilt halmaz C-ben egyszeresen osszefuggo, ha benne minden zart gorbe pontra deformalhato. Ez utobbi a kovetkezot jelenti. Azt mondjuk, hogy a γ:[a,b]D zart gorbe a z0 D-beli pontra deformalhato a D tartomanyban, ha letezik olyan Γ:[0,1] D[a,b] gorbe erteku fuggveny, melyre Γ(1)=γ, Γ(0)=z0 konstans gorbe es Γ az [a,b] es D[a,b] terek kozott hato folytonos lekepezes a szupremumnorma szerint.
Csillagszeru egy H halmaz C-ben, ha van olyan H-beli pont c pont, hogy barmely H-beli z pontra a [cz] szakasz H-ban van.
Pelda. Egy csillagszeru tartomany egyszeresen osszefuggo, mert a csillagpontra valo [0,1]-beli aranyszammal parameterezett kozeppontos kicsinyites kepei alkotta parameteres gorbesereg ilyen.
Differencialformak
Emlekezzunk arra, hogy egy valos ereteku parcialisan ketszer derivalhato fuggveny ketszeres derivalhatosaga a kovetkezokkel volt ekvivalens. Letezik olyan ε valos fuggveny, mely folytonos az u pontban, ε(u)=0 es
ahol J a Jacobi-matrix, H a Hesse-matrix. Az ebben a kepletben szereplo linaris ill. bilinearis lekepezesek olyan olyan jellegzetes alakok, amik alkalmasak arra, hogy altalanositsuk oket.
Tekintsuk az ω=Pdx + Qdy alaku formalis kifejezest, ahol P, Q folytonosan differencialhato fuggvenyek. Ertelmezzuk ennek a derivaltjat a kovetkezokeppen. A a (P,Q) fuggvenypar Jacobi-matrixanak antiszimmetrikus resze:
Ez eltunne, ha szendvicselnenek xAx-kent. Ezert a
Gauss-tétel
Lássuk először Gauss-tételle, hogyan következtethetünk a körintegrál eltűnésére.
Gauss-tétel (R3-ra) Legyen v nyílt halmazon értelmezett C1-függvény, V egyszeresen összefüggő, mérhető térrész és legyen ennek ∂V határa kifelé irányított felület. Ha V a határával együtt Dom(v)-ben van, akkor
Az itt szereplő fogalmak közül néhányról beszélnünk kell.
Felület. Legyenek a φi:Di R3 függvények folytonosan differenciálhatóak és injektívek int(Di)-n, melyek mérhető tarományok R2-ben. Ha a képeik egymásba nem nyúlók, azaz int(φi(Di)) ∩ int(φj(Dj)) üres, ha i ≠ j, és a képek uniója összefüggő halmaz, akkor U Ran(φi)-t előállítottuk paraméteres felületként.
Példaként említhetjük a kúp paraméterezését:
- , ha φ ∈ [0,2π] és h ∈ [0,H]
- , ha φ ∈ [0,2π] és r ∈ [0,R]
ahol H a kúp magassága, R az alapkörsugara, θ a félkúpszöge (z a tengelye, O a csúcsa). Tehát itt a paramétertartományok [0,2π] × [0,H] és [0,2π] × [0,R].
C1-ség. Ez azért kell, mert a térfogati integrált a D paramétertartományon a
képlettel számoljuk és ahhoz, hogy ez lézetten, ahhoz pl az kell, hogy ne csak az r = r(u,v,w) legyen folytonosan diff.-ható, de a divergencia is folytonos legyen.
Egyszeresen összefüggő tartomány. A G1: [a,b] R3 és a G2: [a,b] R3 görbék homotópak, ha létezik olyan F: [0,1] × [a,b] R3 folytonos függvény, hogy F(0,.) ≡ G1 és F(1,.) ≡ G2.Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a G1 a G2-be folytonos transzformációval átvihető. Egyszeresen összefüggő egy tartomány, ha benne minden zárt görbe homotóp a konstans görbével.
Az egyszeres összefüggőség lényeges feltétel. Gondoljunk a v(r) = r/r3 vektortérre. Ennek divergenciája 0, de az origó körüli zárt gömbfelület integrálja 4π.
Gauss-tétel (R2-re) Legyen D egyszeresen összefüggő, mérhető síktartomány és legyen G ≡ r(t) ennek határát paraméterező zárt görbe. Ha v folytonosan R-differenciálható a D lezártján, akkor
Így tehát a komplex vonalintegrál kiszámításához csak a v ' és w ' felületi integrálját kell kiszámítanunk, amihez a Gauss-tétel miatt beli divergenciákat kell kiszámítanunk:
Ami, a C-R-egyenletek miatt igaz.
Innen
Stokes-tétel
Nézzük meg Stokes-tétellel is a bizonyítást.
Stokes-tétel (R3-ra) Legyen a nyílt halmazon értelmezett v vektorfüggvény folytonosan differenciálható, a Dom(v)-beli F felület pereme legyen a szintén Dom(v)-beli G zárt, F-nek megfelelően irányított görbe. Ekkor
A térbeli cirkulációmentességre vonatkozó nevezetes tétel ezzel a tétellel kapcsoltos. Ebben az esetben, bár az egyszeres összefüggőség nincs megkötve Dom(v)-re vonatkozólag, előjön a következményében:
Következmény. Ha az egyszeresen összefűggő D nyílt halmazon értelmezett v vektortér folytonosan differenciálható, akkor az alábbi három kijelentés ekvivaléens egymással:
- rot v eltűnik D-n.
- minden D-ben haladó zárt görbén a v körintegrálja nulla
- létezik v-nek D-n potenciálja, azaz olyan Φ : D R3 függvény, melyre grad Φ = v.
Itt az egyszeres összefüggőség azért kell, mert annyit biztosan tudunk, hogy ilyen esetben a zárt görbéhez található olyan felület, mely a tartományban halad és pereme a görbe.
Stokes-tétel (R2-re) Legyen a D síkbeli felület határán a G zárt görbe ( r(t) ). Ha v folytonosan R-differenciálható, akkor
Világos, hogy a D tartománynak egyszeresen összefüggőnek kell lennie ahhoz, hogy a G a határa legyen a D-nek. Ekkor csak a rotációt kell kiszámítanunk:
Ami, a C-R-egyenletek miatt igaz.
Goursat-lemma, Cauchy-féle integráltétel
Goursat ennél is mélyebb eredményt talált:
Goursat-lemma. A T háromszöglapon reguláris f komplex függvény integrálja a háromszög határán nulla:
Innen már könnyen adódik a komplex analízis főtétele, melyet először Cauchy modott ki ugyan csak folytonosan diffható komplex függvényre, de Goursat ezt megfejelte a gyengített feltételével:
Főtétel. Ha a D tartományon egyszeresen összefüggő tartoányon reguláris az f komplex függvény, akkor a tartományban minden zárt G görbén a függvény integrálja nulla: