Szerkesztő:Mozo/ A3 bizonyítások
Tartalomjegyzék |
Egzakt differenciálegyenlet
Definíció
Legyen U ⊆ R2 nyílt halmaz és P,Q: U R folytonos függvények, Q sehol sem nulla. Azt mondjuk, hogy az
differenciálegyenlet egzakt, ha létezik olyan F: U R folytonosan differenciálható függvény, hogy
Elméleti példa. Minden
alakú szeparábilis differenciálegyenlet egzakt, hiszen ha g integrálfüggvénye G, akkor
Alkalmas tehát az alábbi függvény:
Jelen esetben a G függvény deriváltja (G'=g) sehol sem nulla folytonos függvény, ezért szigorúan monoton. Emiatt kifejezhető y éspedig:
Megjegyzés. A megoldásokat implicit módon adja meg az
egyenlet. Mivel
ezért az implicitfüggvény-tétel miatt y-t "ki lehet fejezni". Érdemes felelevenítenünk magát az implicitfüggvény-tételt:
Implicitfüggvény-tétel -- Ha a Φ: I×J R folytonosan differenciálható függvény az (x0,y0) ∈ int(I×J) pontban teljesíti a ∂Φ/∂y ≠ 0 feltételt, akkor a (x0,y0) pont egy környezetében egyértelműen létezik az Φ(x,y)=Φ(x0,y0) egyenletnek az (x0,y0) ponton áthaladó implicit függvénye, azaz az x0 egy K⊆I környezetében értelmezett, J-beli értékű y deriválható függvény, melyre minden x ∈ K esetén:
- ,
és ennek deriváltja minden x ∈ K-ban:
Egzakt egyenlet egzisztencia- és unicitástétele
Tétel. Legyenek P és Q az U ⊆ R2 nyílt halmazon értelmezett folytonos valós függvények, Q sehol se nulla, grad F = (P,Q) valamely F: U R folytonosan differenciálható függvénnyel és (x0,y0) ∈ U. Ekkor
1) az
- (ex) y'=-P/Q
egyenletnek egyértelműen létezik az y0 = y(x0) kezdeti feltételt kielégítő y lokális megoldása és
2) az
- (impl) F(x,y) = F(x0,y0)
egyenlet (x0,y0)-on áthaladó egyetlen lokális implicit függvénye az (ex) egyenlet y(x0) = y0 kezdeti feltételt kielégítő egyetlen lokális megoldása.
Biz. 1) Egzisztencia. Belátjuk, hogy (impl) egyetlen (x0,y0)-on áthaladó implicit függvénye megoldása az (ex) egyenletnek.
így az implicitfüggvény-tétel szerint, egyértelműen létezik F-nek y=y(x) implicit függvénye az adott pont egy környezetében és ennek deriváltja az értelmezési tartományának minden pontjában:
tehát y az (ex) differenciálegyenletnek is megoldása, és ez kielégíti a kezdeti feltételt.
Unicitás. Tegyük fel, hogy létezik megoldása a kezdeti érték feladatnak. Legyen egy tetszőleges megoldása y, azaz
Ez az egyenlet a grad F = (P,Q) miatt előáll
alakban. Most belátjuk, hogy y (impl)-nek implicit megoldása. Az összetett függvény differenciálási szabálya miatt ( d(FG)(x,y)=dF(G(x,y)) dG(x,y) ) az előző egyenlet a következő formában is írható:
x értékei egy intervallumból kerülnek ki, ezért az integrálszámítás alaptétele szerint az x F(x,y(x)) egy konstans függvény. De a feltétel szerint y(x0) = y0 teljesül, ezért x y(x) egy (x0,y0)-on áthaladó implicit függvénye az F(x,y)=F(x0,y0) egyenletnek. Ez az utóbbi azonban egyértelműen van meghatározva, ezért a kezdeti érték feladat minden megoldása egybeesik ezzel az implicit függvénnyel, azaz a megoldás egyértelmű.
2) Az implicitfüggvény tételében adott egyetlen implicit függvény az 1) egzisztencia része miatt megoldása (ex)-nek és 1) unicitás része miatt ez az egyetlen megoldása (ex)-nek.
Az egzaktság jellemzése
Megjegyzés. Az egzakt differenciálegyenletet még
- ill.
alakban is szokás írni.
Ez utóbbi egyenletről azt is mondják, hogy akkor egzakt, ha a P(x,y)dx + Q(x,y)dy kifejezés "teljes differenciál", amin azt értik, hogy létezik olyan F(x,y) függvény, melynek teljes differenciálja:
Ezt a mai jelölésekkel a következőképpen írjuk. Egy F kétváltozós függvény teljes differenciálja egy lineáris leképezés, mely a sztenderd {(1,0),(0,1)} bázisban felírt koordinátáival nem más, mit a parciális deriváltjainak sormátrixa:
Emiatt a (C) feltétel a következő alakban is írható:
- ill.
Tehát az egzakt egyenletben a (P,Q) vektormező (vektorértékű függvény) potenciálos. Innen hasznos jellemzést kapunk az egzaktságra a vektoranalízisbeli ismereteinkből.
Tétel. Legyen U egyszeresen összefüggő nyílt halmaz, P,Q: U R folytonosan differenciálható függvények (Q sehol sem nulla). A Pdx + Qdy = 0 egyenlet pontosan akkor egzakt, ha
Az F függvényt, az Pdx + Qdy = 0 egyenlet integráljának nevezzük.
Ezt a tételt jól ismerjük és a bizonyítását a vektoranalízisben vettük.
Megjegyzés. 1) A feltétel nem más, mint az, hogy a (P,Q) síkbeli vektormező rotációja azonosan nulla. Ugyanis a rotáció a síkbeli (P,Q) vektormező esetén:
2) Bár a szeparábilis egyenlet egzakt, a fenti feltétel az egzaktság ellenőrzésére sokkal szigorúbb mint a szeparábilis egyenlet megoldhatóságának feltétele.
Lineáris differenciálegyenletek
Inhomogén lineáris egyenlet megoldásai
Tétel. Ha V, W tetszőleges lineáris tér, A ∈ Lin(V,W) lineáris operátor, b ∈ W. Ha x0 ∈ V megoldása az Ax = b inhomogén egyenletnek, akkor az
összes megoldásainak halmaza:
Bizonyítás. 1) Ha x ∈ Ker(A), akkor Ax = 0. Ekkor
azaz ekkor x+x0 ∈ M.
2) Ha
- és
akkor
tehát x ∈ Ker(A). QED.
Megjegyzés. Tudjuk tehát akármilyen lineáris térben az inhomogén egyenlet összes megoldását, ha ismert egy megoldása. Ha tehát Ax=b lineáris differenciálegyenlet, akkor a tétel azt a szlogent fejezi ki, hogy inhomogén lineáris differenciálegyenlet általános megoldása egyenlő a homogén egyenlet általános megoldása plusz az inhomogén egyenlet egy partikuláris megoldása.
Elsőrendű inh. lin. diff. egyenlet és az állandó variálása
Állítás. Ha f: I R folytonos függvény akkor az
lineáris operátor a Lin(C1(I),C(I)) téren.
Bizonyítás.
Következmény. A fenti jelölésekkel, tetszőleges g folytonos függvényre, ha y0 a
differenciálegyenlet egy megoldása, akkor az egyenlet általános megoldása egyenlő a
homogén egyenlet általános megoldása plusz y0.
Példa. Oldjuk meg az
egyenletet! A partikuláris megoldást keressük az állandók variálása módszerével!
Másodrendű, áll. ehós hom. egyenlet
Tétel. Ha a,b ∈ R, akkor az
C2(I) C(I) lineáris operátor magja kétdimenziós.
Megoldás. A bizonyítás két részből fog állni. Először is Laplace-transzformációval belátjuk, hogy ha dim Ker(A) legalább kettő, akkor legfeljebb 2. Másodszor pedig mutatunk 2 lineárisan független megoldást.
Bizonyítás nélkül elfogadjuk azt a tényt, hogy ha ezen egyenlet esetén egy adott pontban kezdeti értéket adunk az y-nak és az y'-nek akkor a megoldás (ha van) egyértelmű. Szemléletes képpel, ez azt jelenti, hogy ha a kezdőfázist és a sebességet megadjuk, akkor azzal a teljes hullámformát megkapjuk.
I. Legyen y1 és y2 két lineárisan független megolása az
- A y = 0
egyenletnek és legyen y ∈ Ker(A) tetszőleges. Rögzítsünk egy x0 ∈ I helyet, melyen y(x0) = u és y'(x0) = v. Elő fogjuk állítani ezt a partikuláris megoldást a két előbbi megoldás lineáris kombinációjaként. Legyenek:
azt kívánjuk elérni, hogy az
- αu1 + βu2 = u
- αv1 + βv2 = v
egyenletrendszernek legyen egyértelmű megoldása (α,β)-ra. Ez pontosan akkor van, ha a
determináns (azaz az egyenletrendszer x0-beli Wronsky-determinánsa) nem nulla. Hiszen ekkor a megoldás egyértelműsége miatt (azaz, hogy u és v egyértelműen meghatározza y-t) azt kapjuk, hogy (α,β) "globális konstansok is", azaz αy1 + βy2 = y.
Az egyenlet Laplace-transzformáltja:
- (s2 + as + b)(v2Y1 − v1Y2) + (s + a)(u2v1 − u1v2) = 0
Ennek az egyenletnek minden s-re fenn kell állnia, ezért ha u2v1 − u1v2 = 0 lenne, akkor v2Y1 − v1Y2 = 0 is lenne (minden s-re), azaz Y2 és Y1 lineárisan kifejezhetők lennének egymással, ami ellentmondana a rájuk tett kezdeti feltevésnek.
II. A megoldéskeresési feladatot kicsit bővebb körben, a valós változós, komplex értékű kétszer folytonosan R-differenciálható függvények körében oldjuk meg. Tehát ekkor A a C2(I,C) térből a C(I,C) térbe hat. Ezek között fogunk valós megoldás keresni. A differenciáloperátornak sajátfüggvénye az exponenciális függvény, így tetszőleges λ ∈ C
próbafüggvény behelyettesítésével kapjuk:
Tehát a megoldások:
1. ha λ1 ≠ λ2 valósak, akkor
bázis, mert lineárisan függetlenek és éppen ezért I. miatt előállítják Ker(A)-t:
2. ha λ1 = λ2 valósak, akkor keresnünk kell mégegy az eλx-től lineárisan független megoldást.
Világos, hogy ez az, hiszen a egyenletet eλx-vel leosztva, a polinom balodalú adódna, ami csak akkor lehet a nullapolinom, ha az ehók mind nullák.
3. ha λ = α β nemvalós, akkor
azaz
megoldások, melyek azonban komplexek. De ezeket összeadva, illetve a különbségüket i-vel beszorozva már valós megoldásokat kapunk (ezek az előbbi végzett műveletek lineárisak voltak, így a függvények megoldás mivoltán nem változtattak). Azaz:
a tér pedig:
bázis, mert lineárisan függetlenek és éppen ezért I. miatt előállítják Ker(A)-t.
Geometriai tenzorok
- Lásd erről még Serény jegyzetének (ps.gz/dvi) 30., 34-35., 70-72. oldalán.
A V = R2-ben, vagy R3-ban olyan matematikai objektumokat hozunk létre, melyek V minden bázisában felírva egy-egy mátrixszal jellemezhetők, de invariánsak a koordinátarendszer megváltoztatására nézve, azaz mátrixaik egymással vett szorzata (vagy összege, vagy vektorral, számmal vett szorzata) egyenlő a szorzat mátrixával. Rn-ben ilyet könnyen találunk: ezek az L(Rn,Rn)-beli lineáris operátorok:
Definíció. Az L(Rn,Rn)-beli lineáris operátorokat tenzoroknak, vagy másodrendű tenzoroknak nevezzük.
Minthogy a tenzorok maguk is invariánsak, találhatunk velük kapcsolatos további vektor, tenzor vagy skalárinvariánsokat.
Először is megfogalmazzuk, hogy mitől invariáns egy mennyiség. Legyen B és C az n dimenziós V egy-egy bázisa. Legyen T a B-t a C-re váltó koordinátaváltás transzformációja, azaz a
(tehát ez invertálható tenzor). Tudjuk hogy, ha A tetszőleges tenzor, akkor ő egy lineáris leképezés, és emiatt
Ez a tenzorok invariáns tulajdonsága.
Az f(M) ∈ R (M ∈ Mn×n) skalárfüggvényt akkor nevezzük invariánsnak, ha minden B és C bázisra és A tenzorra:
Másként, minden B bázisra, T a B megváltoztató koordinátaváltó transzformációra és A tenzorra
ahol [.] a B-beli koordinátamátrixot jelenti.
Az m(M) ∈ Mn×n (M ∈ Mn×n) mátrixfüggvényt pedig akkor nevezzük invariánsnak, ha minden B és C bázisra és A tenzorra:
azaz ha m az A mátrixával együtt transzformálódik.
Determináns
Vegyük az M det(M) mátrixleképezést. A determinánsok szorzástétele szerint tetszőleges M és N mátrixra:
Emiatt ha A az A tenzor egy mátrixa és T a koordinátaváltó-mátrix, akkor:
Hiszen T-1T = I az egységmátrix.
Értelmes tehát az A tenzor determinánsának értelmezése úgy, hogy det(A) az A tetszőleges mátrixának determinánsa.
Nyom, trace, spur
Vegyük a következő mátrix leképezést:
azaz a mátrixok főátlóbeli elemeinek összegét. Ez is invariáns, melyet a következőkkel bizonyíthatunk. Először is belátjuk a spur szimmetrikus tulajdonságát. Tetszőleges A, B mátrixra Sp(AB) = Sp(BA). Tudjuk, hogy két mátrix szorzata a következőképpen definiált:
ezért:
Ez a képlet azt mondja, hogy "spur alatt a mátrixok kommutálnak". Az invariancia pedig:
Ez a mennyiség tehát az A tenzor egy skalárinvariánsa.
Szimmetrikus és antiszimmetrikus tenzorok
Vegyük az A lineáris leképezést és ennek az S sztenderd bázisbeli mátrixát A-t. Ekkor világos, hogy az AT transzponált mátrixszal történő AT[v]S szorzás egy lineáris leképezés, tehát tenzor, tenzortranszponálás definíciója tehát az, hogy minden A tenzorhoz hozzárendeljük a következő lineáris leképezést:
ahol a mátrixszorzás.
Ám, ez nem minden bázisban viselkedik úgy, ahogy azt a transzponálástól elvárjuk, azaz ha B egy tetszőleges bázis, akkor az [A]BT már nem feltétlejül a T-1 ATT mátrix, ahogy azt várnánk. Ellenben ortonormált bázisokra és a köztük váltó ortogonális transzformációkra már igen. Ezután a tárgyalást csak ortonormált (azaz páronként merőleges, egységhosszúságú bázisvektorú) bázisokra és az ezek között váltó OT = O-1 egyenlőségnek eleget tévő távolságtartó vagy másként ortogonális transzformációkra szorítkozunk.
Igaz az alábbi invariancia-tulajdonság. Ha B tetszőleges ortonormált bázis, [A]B=A és OT = O-1, akkor
(Felhasználtuk a szorzat transzponálásának (AB)T= BTAT szabályát -- nemdebár a mátrixszorzás nem kommutatív.) Tehát a sztenderd bázisban definiált transzponálás minden ortonormált bázisban transzponálás lesz, így ha csak ezekre szorítkozunk, akkor a AT fenti definíciója invariáns leképezést ad meg.
Lényeges tehát, hogy transzponálást, szimmetria és antiszimmetria vizsgálatokat a tenzorok tekintetében most úgy végezünk, hogy tudatában vagyunk annak, hogy eközben a hagyományos, geometriai |a||b|cos γ definíciójú skaláris szorzást használjuk (illetve ennek komponensenkénti változatát). Ezért nevezzük ezeket néha geometriai tenzoroknak.
Az S tenzor szimmetrikus, ha minden ortonormált bázisban a mátrixa szimmetrikus mátrix. Igaz az, hogy S pontosan akkor szimmetrikus, ha minden u, v vektorra
- u(Sv)=v(Su),
ahol a skaláris szorzás.
Az A tenzor antiszimmetrikus, ha minden ortonormált bázisban a mátrixa antiszimmetrikus mátrix. Igaz az, hogy A pontosan akkor antiszimmetrikus, ha minden u, v vektorra
- u(Av)=-v(Au),
ahol a skaláris szorzás.
Bármely T tenzor egyértélműen előáll S + A alakban, ahol S szimmetrikus, A pedig antiszimmetrikus, éspedig:
Két fontos tétel:
Tétel -- Ha A ∈R3 (illetve R2 ) antiszimmetrikus, akkor létezik olyan a vektor (vagy a skalár), hogy minden v vektorra:
a-t (ill. a-t) az A vektorinvariánsának nevezzük (bár a síkon ez skalár). A tételt elég a sztenderd bázisban igazolni, ott az a×( . ) opertátorral, azonos így A ez az operátor.
Főtengelyétel -- Ha S ∈Rn szimmetrikus, akkor minden sajátértéke valós és létezik a sajátvektorokból álló B ortonormált bázis, amiben S főtengelyre transzformálható, azaz diagonális és az elemei az S sajátértékei:
Ez nehéz, de fontos tétel.
A deriválttenzor invariánsai
Tudjuk, hogy ha v differenciálható vektorfüggvény, akkor az r0 pontbeli differenciálján, vagy deriváltján, vagy deriválttenzorán azt az egyértelműen létező A lineáris leképezést értjük, melyre:
Minthogy az A deriválttenzor maga is tenzor, ezért érdemes külön elnevezni az invariánsait (h tetszőleges vektora a térnek):
azaz A vektorinvariánsának duplája a rotáció. A divergencia a skalárinvariáns:
Világos, hogy ebből úgy lesznek a parciális deriváltakkal definiált alakok, ha az A sztenderd bázisbeli mátrixát, azaz a J Jacobi mátrixot írjuk fel. Ekkor mindkét említett differenciáloperátort a szokásos alakjában kapjuk:
Megjegyzés. A főtengelytételből következik, hogy hogyan jellemezhető az az eset, amikor az A deriváltenzor főtengelyre transzformálható. Ez pontosan akkor van, amikor rot(v)=0.
Potenciál
A továbbiakban feltesszük, hogy a v vektorfüggvény folytonosan differenciálható.
Azt mondjuk, hogy a v vektorfüggvény potenciálos, ha van olyan u skalárfüggvény, mely differenciálható és
A v vektorfüggvény cirkulációja a Γ egyszerű zárt görbén a
vonalintegrál.
A potenciálosság rendkívül szoros kapcsolatban van a cirkulációval és a rotációval:
Tétel. Ha v folyt. diff. vektormező az A egyszeresen összefüggő tartományon. Ekkor az alábbi három kijelentés egymással egyenértékű (v folyt. diff. vektormező):
- v potenciálos,
- v rotációja minden pontban nulla,
- v cirkulációja minden zárt görbére nulla (más kifejezéssel: v konzetvatív).
Bizonyítás.
1. --> 2. Tegyük fel, hogy grad u = v, így rot v = rot grad u. Ekkor formálisan hivatkozhatunk például a vektoriális szorzás azon szabályára, hogy párhuzamos vektorok vektoriális szorzata 0, hisz
De itt végül is a Young-tételről van szó. Komponensenként kiírva:
kétszer folytonsan differenciálható u Hesse-mátrixa szimmertikus, azaz a vegyes másodrendű parciális deriváltak egyenlők, azaz a fenti összeg 0.
2. --> 3. Itt a Stokes-tételre kell hivatkoznunk:
egyszeresen összefüggő tartományban haladó Γ = ∂F görbére és tetszőleges olyan F felületre, melynek ő a pereme. De rot v mindenhol 0. így a jobb oldal 0, azaz cirkuláció is.
3. --> 1. Belátjuk, hogy van potenciál. Legyen a rögzített pont és b tetszőlegesen választott. Legyen Γ1 és Γ2 két tetszőleges görbe, mely a-ból b-be megy. Ekkor az egyszeres összefüggőség miatt a Γ2 -t visszfelé irányítva:
az a zárt görbe, mely az a-ból megy a Γ1 mentén a b-be és a b-ből megy a Γ2 mentén, de ellenkezőleg irányítva az a-ba. De v minden körintegrálj eltűnik, így
azaz
Tehát az
skalárfüggvény független az úttól és a felső határ szerinti gradiense ugyanúgy az integrandus, mint az egyváltozós valós függvények esetén. QED.
Az előbb említett, az integrálfüggvény deriválhatóságának tételének megvan a párja is. Ez az első gradientétel, mely végül is nem más, mint a Newton--Leibniz-formula többdimenziós általánosításai közül a legelső verzió:
Tétel.
(ha u folyt. diff. és egysz. öf. tartományon ért.)
A tétel beleillik a "nagy integrálátalakító tételek" sorába (Stokes-tétel, Gauss--Osztrogradszkij-tétel és most az I. gradienstétel), melyek alapszlogenje, hogy "integrál a peremen = a derivált integrálja belül", persze itt a perem az {a,b} véges halmaz, a derivált a gradiens, a "belül" pedig a Γ görbe. (S.-t-nél felület a belső, a határán futó zárt görbe a perem és rot a derivált, G--O-t nél térrész a belső, az őt határoló zárt felület a perem és div a derivált).
Potenciálkeresés.
- lásd: egzakt differenciálegyenlet megoldása (un. pancsolásos módszer), komplex potenciál keresése és harmonikus társ.
- grad u = rnr típusú differenciálegyenletek megoldása
Analitikus függvény reguláris
Komplex nemnegatív kitevőjű hatványsorok
Definíció – Legyen (an) komplex számsorozat és z0 ∈ C. Ekkor a
- ∑(an(idC-z0)n)
függvénysort hatványsornak nevezzük és összegét, az
hozzárendelési utasítással értelmezett, a
- {z ∈ | ∑(an(z-z0)n) konvergál }
halmazon értelmezett függvényt a hatványsor összegének nevezzük. Középpontja z0, együtthatósorozata (an).
A továbbiakban csak a ∑(anzn) alakú, azaz a 0 körüli hatványsorokkal foglalkozunk (ezzel nem csorbítjuk az általánosságot, mert eltolással megkaphatjuk a többit is).
Tétel – Cauchy–Hadamard-tétel – Ha (an) komplex számsorozat, és
akkor ∑(anzn) abszolút konvergens a BR(0) gömbön és divergens a B1/R(∞) gömbön.
Bizonyítás. Nyilvánvaló, hogy a Cauchy-féle gyökkritériumot kell használni a valós értékű abszolútérték-sorozatokra. Komplex sor konvergens, ha abszolút konvergens, mert igaz, hogy minden Cauchy-sorzat konvergál C-ben.
Megjegyzés. A tételbeli R sugarat a hatványsor konvergenciasugarának nevezzük. R-et másként is kiszámíthajuk. Ha azt tudjuk, a hányadoskritérium alapján, hogy
akkor létezik és ezzel egyenlő az n-edik gyökök sorozata is:
ahol az idézőjel azt jelzi, hogy a konvergenciasugár lehet végtelen vagy 0 is.
Példa. Az alábbi mértani sor konvergens, ha |z|<1 és összege a szokásos:
Példa.Minden z ∈ C-re konvergens az
sor, mert konvergenciasugara ∞. Ezt legegyszerűbben a hányadoskritéruimmal és a fenti megjegyzéssel állapíthatjuk meg:
A tétel
Reguláris egy függvény, ha egy nyílt halmazon komplex differenciálható. A hatványsorok ilyenek.
Tétel – Ha (an) komplex számsorozat, akkor az ∑(anzn) hatványsor összegfüggvénye komplex differenciálható a konvergenciakör belsejében.
Másként fogalmazva:
Analitikus függvény reguláris. Hiszen, ha f analitikus, akkor lokálisan hatványsor.
Bizonyítás. Belátjuk, hogy a hatványsor a középpont körüli elég kis körben mindenütt differenciálható. Legyen R a konvergenciasugár, egyelőre legyen r < R (később erre adunk becslést) és legyen
továbbá Δz olyan, hogy
még mindig teljesüljön.
A következő függvény z-beli komplex differenciálhatóságát kell belátni:
Nem árulunk zsákbamacskát, formális tagonkénti deriválással megkapható az a sor, mely ennek a függvénynek a majdani deriváltja lesz:
Világos, hogy ez utóbbi sor is konvergens a konvergenciakör belsejében. Erről a Cauchy--Hadamard-tétellel győződhetünk meg, ha |z|< R, így:
Képezzük a különbségi hányadost és vonjuk le belőle ezt a kifejezést!
ekkor a kéttagú összeg négyzetére vonatkozó
algebrai azonossággal alakítjuk át a hatványt, majd amivel lehet leosztunk és amit lehet kiemelünk:
Azt kell ellenőrizni, hogy második tényezőben lévő sor konvergens-e, hiszen ekkor a véges összeget a nullához tartóval összeszorozva nullához tartót kapunk. Ezt a gyökkritériummal látjuk be:
itt |z|-t korlátoztuk 1-nél kisebbre, |Δz|-t pedig nemnulla, de |z|-nél kisebbre (z=0 triviális eset). A konvergencia ekkor
amennyiben az |Δz| < |z| < r olyan, hogy r < 1/(2R).
Így a különbségi hányados minusz a majdani derivált abszolút eltérése felülbecsülhető egy nullához tartó szor korlátos függvénnyel, azaz P deriválató z-ben és a deriváltja a formális tagonkénti deriválással kapott sor. A korlátosság onnan adódik, hogy hatványsor összegfüggvénye folytonos és a min{1/(2R),R/2} sugarú zárt körön, mint kompakt halmazon korlátos.
Feladat. Legyen g:[a,b]C differenciálható görbe a komplex síkon, f komplex reguláris függvény, melyre: Ran(g) ⊆ Dom(f). Igazoljuk, hogy a h: t f(g(t)) is differenciálható és h'(t) = f'(g(t)) g'(t), ahol a komplex szorzás. (Használjuk fel, hogy 1) a komplex diffhatóság jellemzése az, hogy a függvény mint kétváltozós valós vektorfüggvény totálisan differenciálható és a Jacobi-mátrixa komplex számot reprezentál, 2) a reguláris komplex függvény deriváltja olyan komplex szám, melyet az f, mint kétváltozós valós vektorfüggvény Jacobi-mátrixa reprezentál.)
Komplex körintegrálok
Ebben a tételben a komplex körintegrálok kiszámításával foglalkozunk.
Az f folytonos komplex függvény komplex integrálját egy szakaszonként folytonosan differenciálható G: [a,b] C görbe mengtén értelmezhetjük közvetlenül a C síkon a
Riemann-közelítőösszeg határátmenetével vagy a síkbeli vonalintegrálra visszavezetve. Ez utóbbi esetben válik kifehezetten szembetűnővé, hogy a fenti képletben a szorzás a komplex szorzás. 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.)
Primitívfüggvény
A G: [a,b] C görbe zárt görbe, ha G(a)=G(b). A zárt görbére vett integrál a körintegrál.
Az első eszköz a Newton--Leibniz-formulából következik, hisz ha F'=f, akkor ∫zw f = F(w) - F(z).
Tétel. Ha a D tartományon értelmezett f függvénynek van primitív függvénye, akkor a körintegrál minden a D-ben haladó zárt görbén eltűnik:
Példa. Az -nek van primitívfüggvény, így körintegrálja mindenütt eltűnik.
Példa. Paraméteresen kiszámolható, hogy
akrámilyen r > 0 sugárra. Tehát a teljes C \ {0}-n a reciproknak nincs primitívfüggvénye. (De egyszeresen összefüggő, a 0-t nem tartalmazó tartományon már van: a logaritmus.)
A komplex analízis főtétele
A komplex N--L-tétel nem túl hatékony eszköz. A N--L-tétel síkvektoranalízisbeli általánosításához kell folyamodnunk, például a Gauss-tételhez, ha többet akarunk mondani:
Gauss-tétel (R2-re) Legyen D mérhető síktartomány és legyen G : r=r(t) ennek határát paraméterező zárt görbe. Ha v folytonosan R-differenciálható a D lezártján, akkor
Így tehát a komplex vonalintegrál kiszámításához csak a P ' és Q ' felületi integrálját kell kiszámítanunk, amihez a Gauss-tétel miatt a divergenciákat ki kell kiszámítanunk:
Ami, a C-R-egyenletek miatt igaz.
Innen
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:
Cauchy-tétel vagy Főtétel. Ha a D tartományon egyszeresen összefüggő tartományon reguláris az f komplex függvény, akkor a tartományban minden zárt G görbén a függvény integrálja nulla:
Cauchy-formula
A Cauchy-formula azért múlhatatlan fontosságú, mert ennek a kifejezetten komplex jellegű állításnak a következménye, hogy egy reguláris függvény nem csak egyszer, de végtelenszer differenciálható, sőt analitikus.
Tétel. Ha f az z_0 egy U környezetén reguláris, akkor tetszőleges az U-ban haladó, a z_0-t egyszer körülhurkoló pozitívan irányított G zárt görbére:
Bizonyítás. Vegyünk a z0 körül egy olyan K kört, mely a pozitívan irányított G belsejében halad és r > 0 sugarú. Definiáljuk azt a görbét melyet a következőkppen kapunk. Metszük át egy befelé menő s sugárral a G és K közötti tartományt. Tegyük fel, hogy G és K kezdőpontjai a sugár metszetei. tákoljuk össze a következő görbét:
Világos, hogy ekkor a Γ-ra vett körintegrál eltűnik, másrész szakaszonként intergálva a Γ-n:
mivel az s-en oda-vissza integrálva az integrálösszeg nulla és a Γ-ban a negatívan irányított K-t kell venni. Emiatt:
Vagy hivatkozva egy a gyakorlaton vett lemmára: egyetlen izolált szinguláris hely körüli görbén az integrál ugyanaz, mint az integrál a pont körüli kis körön.
Márcsak ennek az f(z0)-lal arányos voltát kell belátni:
ebből a tagok:
-
- minthogy a reciprok körintegrálja 2πi (egy egyszerű zárt görbén).
-
másrészt az f függvény z0-beli folytonossága miatt tetszőleges ε > 0 számhoz létezik olyan z0 körüli környezet, hogy ha K abban van, azaz a sugara, az r elég kicsi, akkor |f(z)-f(z0)| < ε; emiatt
Vagyis az utolsó tag nulla így a formulát megkaptuk.
Riemann-tétel
Tétel. Legyen U nyilt tartomány, z0 ∈ U. Ha f az U\{z0}-on reguláris és korlátos, akkor minden U-beli körintegrálja eltűnik.
Bizonyítás. Belátjuk, az f Laurent-sora csak reguláris részből áll a z0 körül. Az Laurent-sor együtthatóformuláiból, k < 0 egészre és Kr r sugarú körre:
hiszen f korlátjához létezik olyan kis környzet, ahol a nullához tartó második tényező K-nál kisebb (vagy 1, és akkor a képletben és a végeredméybencsak K szerepel). Ha pedig r-rel tartunk a 0-hoz, az együttható eltűnik.
f-tehát kiterjeszthető U-n reguláris függvénnyé, így a Cauchy-tétel miatt minden körintegrálja eltűnik. Vagy egyszerűbben: f reziduuma a megszüntethető szingularitási helyen 0.
Feladat. Igazoljuk, hogy az C \ {0}-n értelmezett
függvény integrálja az egységkörre nulla!
Reguláris függvény analitikus, Laurent-sorfejtés
Tétel. -- A Laurent-sor tétele -- Ha az f: C C és a ∈ C szám és 0 ≤ r < R ≤ +∞ olyan sugarak, hogy f az
nyílt körgyűrűben reguláris, akkor egyértelműen léteznek olyan (cn)n∈Z komplex számok, éspedig tetszőleges a T-ben haladó az a-t egyszer pozitív irányban körbehurkoló G görbére:
hogy a
függvénysor konvergens T-ben és minden z ∈ T számra:
Bizonyítás. f-et most nem tudjuk előállítani a Cauchy-integrálformulával, mint a Taylor-sor esetén, mert az a pontban esetleg a függvény nem reguláris. De előállíthatjuk két hasonló formula különbségeként.
Rögzítsük egy tetszőlegesen választott z ∈ T-t. Legyenek k1 és k2 két a középpontú, T-ben haladó, pozitívan irányított kör, úgy, hogy z a k1 és k2 körök közötti nyílt tartományba essen. Ezekből a körökből és az őket elválasztó gyűrűt sugárirányban befelé átmetsző s szakaszból elkészítünk egy olyan zárt görbét, melyre már alkalmazható az integrálformula. Tekintsük úgy, hogy k1 kezdő és végpontja az s kezdőpontja, k2 kezdő és végpontja pedig az s végpontja. Legyen
itt (-s) az s-sel ellenkező irányítású szakaszt jelzi. Ekkor Γ a z-t egy reguláris tartományban hurkolja egyszer, pozitívan körbe, így a Cauchy-integrálformulával:
Node, ebben az integálban az s íven kétszer oda-vissza végezzük el az integrálást, így az erre vett integrál eltűnik. Másrészt a (-k2)-n vett integrál ellenkezője a 'k2-vettének, így végülis:
Hangsúlyozzuk, hogy z és a most konstansok, így a
az értelmezési tartományán analitikus függvény. Ennek -- szikásos módon a mértani sor összegére vonatkozó képlet segítségével -- elvégezhetjük az a középpontú, valamilyen körön belüli hatványsorba fejtését. Természetesen a |w-a| < |z-a| feltételt meg kell követelnünk, hiszen hatványsor konvergenciakörében nem lehet benne a z szakadási pont. Tegyük fel tehát, hogy |w-a| < |z-a|. Ekkor:
Ezzel megvan a sorfejtés minden együtthatója, ugyanis -ra kell alkalmazni a mértani sor formuláját:
1) Világos, hogy ezt a sorfejtést csak a k2-re vonatkozó integrálban használhatjuk fel, mert ott lesz a q < 1 (ill. a w mindig közelebb a-hoz mint z-hez). Ezt az integrált tehát:
az integrál felcserélhető a szummával és a w-től független tagok kihozhatók az integrál elé, ezért
Ekkor egy konvergens, negatív kitevőjű hatványsort kaptunk, melynek csak főrésze van, de érdekes módon nem a középponttal és w-re, hanem a középponttal és z-ra. Ez pont a kívánt sorfejtés, melyet érdemes átindexelni úgy, hogy a szummázás -1-től induljon és -∞-ig menjen:
Már csak azt kell megmagyaráznunk, hogy a k2 helyére most már minden olyan G görbére felírható, mely az a-t pozitívan öleli körbe egyszer és a regularitási tartományban halad. Valóban, a képletbeli integrál már független az 1/(w-z) sorfejtési szituációjától és minden olyan G görbére áttranszformálható melyek folytonosan áttranszformálható k2-be. Ez a T körgyűrű összes a tételi állításban megadott görbéjére áll.
2) Most már az előző számolásból sejthető, hogy a Laurent-sor reguláris része akkor jön ki, ha az 1/(w-z) reciprokfüggvényt a az a körül nem pozitív, hanem negatív kitevőjű hatványsorba, fejtjük -- mint az első példában. Ezt a |w-a| > |z-a| feltétellel tehetjük csak meg, hisz ilyen sor konvergenciatartománya körgyűrű és a z szinguláris pontot nem tartalmazhatja:
Ez a sor valóban akkor konvergens, ha |w-a| > |z-a|. Ezzel az előző pomt számolását elvégezve az f(z)-t előállító Laurent-sor reguláris részét kapjuk. QED
Következmény. Reguláris függvény analitikus.
Következmény. Az izolált szingularitások a sorfejtés szerint osztályozhatóak éspedig. Az f függvény a z0 izolált szinguláris pontja körüli sorfejtésében
- pontosan akkor van csak reguláris tag, ha a szingularitás megszűntethető,
- pontosan akkor van véges sok főrészbeli tag, ha végtelen a határérék z0-ban,
- pontosan akkor van végtelen sok főrészbeli tag (lényeges szingularitás), ha nem létezik a határérék z0-ban.
Felületi integrál, Gauss-tétel
Definíció. Legyen vektormező, mely egy nyílt D tartományán értelmezett. Legyen folytonosan differenciálható függvény, melynek értelmezési tartománya a T mérhető síktartomány. Ekkor a vektorfüggvény integrálját és létezését a felület mentén a következő limesszel definiáljuk:
Itt tehát T-t egymásba nem nyúló, mérhető Ii síktartományokra bontjuk fel, amelyek ármérője egyre csökken. Az integrál létezésére és értékére az alábbi egyszerű kritériumot és tartományi integrált írhatjuk föl. Legyen folytonosan differenciálható függvény, melynek értelmezési tartománya a T mérhető síktartomány. Ekkor az deriváltjai léteznek, a felületi integrál létezik és felírható
Ha a skaláris szorzat invariáns értelmezését vesszük, akkor a fenti formulát még a következőképpen is felírhatjuk:
ahol , azaz a felületi integrál egyenlő a vektormezőnek a felületi érintősík normálisa irányába eső előjeles komponense ugyanazon felületre vonatkozó felszín szerinti integráljával.
Megjegyzendő, hogy a képletben szereplő vegyes szorzat értéke -as determinánsként számítható ki a komponenseiből:
Tétel -- Gauss-Osztrogradszkíj -- Legyen folytonosan differenciálható vektormező, tartomány és legyen V a D-ben lévő mérhető térrész, melynek pereme az zárt felület a térrészből kifelé mutató irányítással. Ekkor
A tétel fontos alkalmazása a gömbszimmetrikus vektormezők felületi integráljának kiszámítása, ezek közül is a legfontosabb a reciproknégyzetes erősségű vektormezők.
Számítsuk ki a
vektormező integrálját a tetszőleges Γ zárt felületre, mely az origót belsejében tartalmazó V kompakt tartomány pereme, kifelé irányítva!
Először kiszámítjuk a vektoremző divergenciáját ott, ahol értelmezve van:
Itt felhasználtuk a divergenciára vontkozó szorzási szabályt.
Az integrál előállítható egy a v értelmezési tartományába eső tartomány peremére és egy másik felületre vonatkozó felületi integrálként. Legyen ugyanis G az origó középpontú olyan R sugarú gömb, mely benne van V belsejében és D az a tartomány pedig legyen V minusz G. Ekkor
azaz
Tehát csak G határára kell kiszámítani a vektormező fluxusát. Ezt az invariáns formulával tesszük:
(Imént lényegében az elektrosztatikus Gauss-törtvény állítását vezettük le a Coulomb-törvényből)
Vonalintegrál, Stokes-tétel
Legyen vektormező, mely egy nyílt D tartományán értelmezett. Legyen folytonosan differenciálható függvény. Ekkor a vektormező integrálját és létezését a görbe mentén a következő limesszel definiáljuk:
Az integrál létezésére és értékére az alábbi egy egyszerű kritériumot és egydimenziós integrált írhatjuk föl. Legyen legfeljebb véges sok pontban nem folytonosan differenciálható függvény. Ekkor az deriváltja véges sok pont kivételével létezik, a vonalintegrál létezik és felírható
Ha a skaláris szorzat invariáns értelmezését vesszük, akkor a fenti formulát még a következőképpen is felírhatjuk:
ahol , azaz a vektormezőnek a görbe érintője irányába eső előjeles vetülete.
Tétel -- Stokes-tétel -- Legyen folytonosan differenciálható vektormező, tartomány és legyen irányított, peremes felület, ennek pereme . Ekkor
Megjegyezzük, hogy a perem irányítása kompatibilis kell hogy legyen a felület irányításával, ellenkező esetben az integrál a fenti ellentettje lesz.
A tétel alkalmazására a következő hengerszimmezrikus esetet nézzük.
Legyen
a vektormező és a felület az [xy] sík egy olyan tetszőleges T mérhető tartománya, mely a belsejében tartalmazza az origót és a pereme a G zárt görbe. Igazoljuk ekkor, hogy G-re az integrál 2π.
Először kiszámítjuk a vektromező rotációját. Ehhez felhasználjuk a rotációra vonatkozókövetkező azonosságot:
A rotáció a deriválttenzor vektorinvariáns kétszerese, mivel lineáris leképezés deriváltja saját maga, ezért a képletbeli rotáció 2k. A képletbeli gradiens alatti skalármező a tengelytől mért távolságtől függ, ezért:
Most felbontjuk a T tartományt egy D lyukas tartományra és egy körlapra. A K körlap sugara legyen olyan R, mely esetén a körlap a T belsejében van benne. Ekkor
Tehát
Innen a vonalintegrál invariáns értelmezése folytán: