Matematika A3a 2008/8. gyakorlat

A MathWikiből
(Változatok közti eltérés)
(Eltávolította a lap teljes tartalmát)
1. sor: 1. sor:
''<sub><[[Matematika A3a 2008]]</sub>''
 
  
 
 
==Komplex sorozatok==
 
Minthogy '''C''' &equiv; '''R'''<sup>2</sup> (mint normált vektortér), a komplex sorozatok azon tulajdonságai, melyek a vektortérműveletekkel és az | . | &equiv; || . ||<sub>2</sub> euklideszi normával kapcsolatosak mind '''R'''<sup>2</sup>-ből ismertnek tekinthetők. A sorozatok konvergenciáját ugyanúgy definiáljuk, mint  '''R'''<sup>2</sup>-ben:
 
:<math>
 
\begin{matrix}
 
(z_n)\in\mathbf{C}^{\mathbf{Z}^+}\mbox{ konvergens }\\
 
\\
 
\Updownarrow\mathrm{def}\\
 
\\
 
\exists z\in \mathbf{C}\quad \forall \varepsilon\in\mathbf{R}^+\quad \exists N\in \mathbf{Z}^+\quad \forall n\in\mathbf{Z}^+ \quad(n> N\;\Rightarrow\;|z_n-z|<\varepsilon)
 
\end{matrix}</math>
 
Ekkor a fenti ''z'' egyértelmű, és ez a sorozat határértéke (lim(''z''<sub>n</sub>))
 
 
A legfontosabb jellemzése tehát a konvergenciának az '''R'''<sup>2</sup>-ből kölcsönzött, a komponensekre vonatkozó kritérium:
 
 
'''Tétel''' – A '''C'''-beli (''z''<sub>n</sub>) = (''a''<sub>n</sub> + i''b''<sub>n</sub>) sorozat konvergens akkor és csak akkor, ha
 
:(''a''<sub>n</sub>) konvergens és
 
:(''b''<sub>n</sub>) konvergens.
 
 
Ekkor lim(''z''<sub>n</sub>) = lim(''a''<sub>n</sub>) + i<math>\cdot</math>lim(''b''<sub>n</sub>)
 
 
Fontos látni a kapcsolatot a sorozathatárék és a függvényhatárérték között. Egy (''&zeta;''<sub>n</sub>) komplex sorozat nem más, mint egy
 
:<math>\zeta: \mathbf{Z}^+\to \mathbf{C}</math>
 
függvény. Ha '''Z'''<sup></sup>-t komplex részhalmaznak gondoljuk (ahogy az is), akkor az egyetlen torlódási pontja a &infin;. Ezért egy sorozatnak pontosan akkor létezik határértéke és ez a w szám, ha mint függvénynek létezik határértéke és az a w. Azaz:
 
:<math>\exists\lim\limits_{n\to \infty}z_n=w\in\overline{\mathbf{C}}\quad\Longleftrightarrow\quad\exists\lim\limits_{\infty}\zeta=w\in\overline{\mathbf{C}}</math>
 
Ebből következik, hogy a függvényhatárértékre vonatkozó minden műveleti szabály öröklődik a sorozathatárértékre.
 
===Nullsorozatok===
 
 
A 0 komplex számhoz tartó sorozatok nullsorozatok. Az abszolútérték és a szorzás jó tulajdonságai miatt öröklődnek a valós sorozatok alábbi tulajdonságai.
 
 
'''Állítás''' – Legyen (''z''<sub>n</sub>) komplex számsorozat.
 
# ''abszolútérték:'' ''z''<sub>n</sub> <math>\to</math> 0 akkor és csak akkor, ha |''z''<sub>n</sub>| <math>\to</math> 0
 
# ''eltolás:'' ''z''<sub>n</sub> <math>\to</math> ''z'' akkor és csak akkor, ha (''z''<sub>n</sub> – ''z'') <math>\to</math> 0
 
# ''"K <math> \cdot</math> 0":'' ha (''w''<sub>n</sub>) korlátos és ''z''<sub>n</sub> <math>\to</math> 0, akkor  (''w''<sub>n</sub> <math>\cdot</math> ''z''<sub>n</sub>) <math>\to</math> 0
 
# ''majoráns:'' ha (&delta;<sub>n</sub>) <math>\to</math> 0 valós és |''z''<sub>n</sub>| < &delta;<sub>n</sub>, akkor ''z''<sub>n</sub> <math>\to</math> 0
 
# ''hányadoskritérium:'' ha <math>\limsup\left|\frac{z_{n+1}}{z_n}\right|<1\,</math>, akkor  ''z''<sub>n</sub> <math>\to</math> 0
 
# ''gyökkritérium:'' ha <math>\limsup\sqrt[n]{|z_n|}<1\,</math>, akkor  ''z''<sub>n</sub> <math>\to</math> 0
 
 
 
Ezek közül '''C'''-ben a legjellegzetesebb a ''"K <math> \cdot</math> 0"'', hiszen ez azt állítja, hogy nem csak a &lambda;<sub>n</sub>.''z''<sub>n</sub> skalárral történő szorzás esetén igaz a "korlátos - nullához" tartó kritérium (mindkét változóban), hanem komplex szorzás is ilyen.
 
 
 
'''1. Feladat'''
 
:<math>\left(\frac{\sqrt{2}+i}{\sqrt{3n}}\right)^n\to ?</math>
 
 
''(Útmutatás: hivatkozzunk a "korlátos szor nullához tartó" kritériumra.)''
 
 
:<math>\left(\frac{\sqrt{2}+i}{\sqrt{3n}}\right)^n=\left(\frac{\sqrt{2}+i}{\sqrt{3}}\right)^n\frac{1}{\sqrt{n^n}}</math>
 
 
'''2. Feladat.'''
 
:<math>\frac{\sqrt[n]{n^3+2n}}{i+1}\to ?</math>
 
ahol az ''n''-edik gyök a valós számból vont valós gyök.
 
 
''(Útmutatás: "i-telenítsük" a nevezőt.)''
 
 
:<math>\frac{\sqrt[n]{n^3+2n}}{i+1}=\frac{(i-1)\sqrt[n]{n^3+2n}}{-1-1}=\frac{i\sqrt[n]{n^3+2n}-\sqrt[n]{n^3+2n}}{-2}\to \frac{1}{2}-\frac{1}{2}i</math>
 
ugyanis
 
: <math>1\leftarrow\sqrt[n]{n}^3=\sqrt[n]{n^3}\leq\sqrt[n]{n^3+2n}\leq\sqrt[n]{n^3+\frac{n^3}{2}}=\sqrt[n]{\frac{3}{2}n^3}=\sqrt[n]{\frac{3}{2}}\sqrt[n]{n}^3\to 1</math>
 
 
 
'''3. Feladat.'''
 
:<math>\left(\frac{n+i}{n}\right)^n\to ?</math>
 
 
''(Útmutatás: használjunk trigonometrikus alakot és hatványozzunk.)''
 
 
:<math>\left(\frac{n+i}{n}\right)^n=\left(\sqrt{1+\frac{1}{n^2}}\right)^n\cdot\left(\cos\left(n\,\mathrm{arc\,tg}\left(\frac{1}{n}\right)\right)+i\sin\left(n\,\mathrm{arc\,tg}\left(\frac{1}{n}\right)\right)\right)\to </math>
 
:: <math>\to \cos1+i\sin 1\,</math>
 
Mert a szögfüggvények argumentumában lévő sorozat az 1-hez tart (pl L'Hospital-szabállyal majd átviteli elvvel ellenőrizhető), a első szorzó pedig az 1-ehez tart (rendőrelvvel). Az argumentumokban lévő értéket tertmészetesen radiánban kell venni: nem 1˚, hanem 1 rad.
 
 
==Komplex sorok==
 
 
Minden normált térben definiálhatók sorok és ezek konvergenciája, így '''C'''-ben is. Az (''z''<sub>n</sub>) sorozat
 
: <math>s_n=\sum\limits_{k=1}^n z_k</math>
 
részletösszegeinek (''s''<sub>n</sub>) sorozatát a (''z''<sub>n</sub>) -ből képzett '''sor'''nak nevezzük és &sum;(''z''<sub>n</sub>)-nel jelöljük. Azt mondjuk, hogy a &sum;(''z''<sub>n</sub>) sor konvergens és összege a ''w'' komplex szám, ha (''z''<sub>n</sub>) részletösszegeinek sorozata konvergens és határértéke ''w''. Ekkor az összeget a 
 
:<math>\sum\limits_{n=1}^{\infty}z_n</math>
 
szimbólummal jelöljük.
 
 
===Komponensek===
 
 
Az egyik módja, hogy a komplex sorok konvergenciáját visszavezessük a valósokra, ha a komponenssorozatokat vesszük:
 
:<math>\sum(z_n)=\sum(x_n+iy_n)\,  </math>
 
esetén az összegeket elképzelve, azokból az i kiemelhető, így
 
:<math>\sum(z_n)=\sum(x_n)+i\sum(y_n)\,  </math> 
 
ahol az összeget és a szorzást tagonként végezzük. Ekkor egy sor ponrosan akkor konvergens, ha mindkét komponense konvergens.
 
 
===Cauchy-kritérium és abszolút konvergencia===
 
 
Világos, hogy egy sor, mint részletösszegsorozat pontosan akkor konvergens, ha Cauchy-sorozat. Ez a Cauchy-kritérium sorokra.
 
 
Létezik az abszolút konvergencia fogalmai is. Egy sor abszolút konvergens, ha a tagjai abszolútértékéből képezett sorozat konvergens. Igaz az, hogy egy normált tér akkor és csak akkor teljes, ha minden abszolút konvergens sor konvergens benne. (És '''C''' teljes, mert minden Cauchy-sorozat konvergál benne, ami pont annak a módja, hogy belássuk az előbbi kritériumot.) Persze az előfordul a teljes terekben is, hogy konvergens sorozatok nem lesznek abszolút konvergensek.
 
 
===Kritériumok az abszolút konvergenciára===
 
 
Az abszolút konvergencia fenti kritériumából egy sor komplex sorokra vonatkozó kritérium adódik a valósból.
 
 
'''Tétel''' – Legyen (''z''<sub>n</sub>) komplex számsorozat.
 
# '''Szükséges kritérium:''' Ha  &sum;(''z''<sub>n</sub>) konvergens, akkor (''z''<sub>n</sub>) nulsorozat.
 
# '''Geometriai sor:''' ha |''z''| < 1, akkor <math>\sum\limits_{(0)} (z^n)</math> konvergens és az összege:
 
#:<math>\sum\limits_{n=0}^\infty z^n=\frac{1}{1-z}</math>
 
# '''Összehasonlító kritérium:'''  ha az &sum;(''r''<sub>n</sub>) valós sor konvergens és |''z''<sub>n</sub>| ≤ ''r''<sub>n</sub> majdnem minden ''n''-re, akkor  &sum;(''z''<sub>n</sub>) abszolút konvergens (''majoráns-kritérium''). Ha az &sum;(''r''<sub>n</sub>) pozitív valós sor divergens és  ''r''<sub>n</sub> ≤ |''z''<sub>n</sub>| m.m., akkor &sum;(''z''<sub>n</sub>) divergens (''minoráns-kritérium'').
 
# '''p-edik hatvány próba:''' ha ''p'' > 1  valós, akkor a <math>(\sum\limits_{1}\frac{1}{n^p})</math> valós sor konvergens.
 
#: Ha 0 ≤ ''p'' ≤ 1, akkor a <math>(\sum\limits_{1}\frac{1}{n^p})</math> valós sor divergens.
 
# '''Hányadoskritérium:''' ha <math>\limsup\left|\frac{z_{n+1}}{z_n}\right|<1\,</math>, akkor &sum;(''z''<sub>n</sub>) abszolút konvergens. Ha a "liminf" > 1, akkor divergens
 
# '''Gyökkritérium:''' ha <math>\limsup\sqrt[n]{|z_n|}<1\,</math>, akkor  &sum;(''z''<sub>n</sub>) abszolút konvergens. Ha a "limsup" > 1, akkor divergens.
 
 
 
'''Megjegyezzük,''' hogy ha a gyökök és hányadosok sorozata konvergál, akkor ugyanahhoz a számhoz konvergálnak.
 
 
 
'''4.'''
 
Konvergens-e illetve abszolút konvergens-e?
 
:<math>\sum\left(\frac{i^n}{n}\right)</math>
 
 
'''5.'''
 
#Konvergens-e és mi a határértéke: <math>\frac{n!}{n^n}i^n</math>
 
#Konvergens-e <math>\sum\left(\frac{n!}{n^n}i^n\right)</math>
 
#Milyen ''z''-re konvergens: <math>\sum\left(\frac{n!}{n^n}z^n\right)</math>
 
 
''(Útmutatás: használjuk a hányadoskritériumot, vagy vizsgáljuk, hogy milyen rendben tartanak a végtelenhez az összetevősorozatok.)''
 
 
:<math>\frac{\left|\frac{(n+1)!}{(n+1)^{n+1}}i^{n+1}\right|}{\left|\frac{n!}{n^n}i^n\right|}=\frac{n+1}{\left(1+\frac{1}{n}\right)^n\cdot(n+1)}\to\frac{1}{e}<1 </math>
 
azaz 0-hoz tart-
 
 
 
'''6.'''
 
#Konvergens-e és mi a határértéke: <math>\frac{1}{\left(1+\frac{i}{n}\right)^{n^4}}</math>
 
#Konvergens-e <math>\sum\left(\frac{1}{\left(1+\frac{i}{n}\right)^{n^4}}\right)</math>
 
#Milyen ''z''-re konvergens:<math>\sum\left(\frac{1}{\left(1+\frac{i|z|}{n}\right)^{n^4}}\right)</math>
 
 
''(Útmutatás: használjuk a gyökkritériumot.)''
 
 
:<math>\sqrt[n]{\left|1+\frac{i}{n}\right|^{n^4}}=\left|1+\frac{i}{n}\right|^{n^3}=\left(\sqrt{\left(1+\frac{1}{n^2}\right)^{n^2}}\right)^n\geq (1+\varepsilon)^n\to +\infty</math>
 
Így a reciproka a 0-hoz tart, azaz a limszup < 1.
 
 
==Komplex hatványsorok==
 
 
'''Definíció''' – ''Hatványsor'' – Legyen (''a''<sub>n</sub>) komplex számsorozat és ''z''<sub>0</sub> &isin; '''C'''. Ekkor az  &sum;(''a''<sub>n(</sub>id<sub>'''C'''</sub>-z<sub>0</sub>)<sup>n</sup>) függvénysort hatványsornak nevezzük és összegét, az
 
:<math>z\mapsto \sum\limits_{n=0}^\infty a_n(z-z_0)^n</math>
 
hozzárendelési utasítással értelmezett, a {''z'' &isin; | &sum;(''a''<sub>n</sub>(z-''z''<sub>0</sub>)<sup>n</sup>) konvergál } halmazon értelmezett függvényt a hatványsor '''összegének''' nevezzük. Középpontja ''z''<sub>0</sub>, együtthatósorozata (''a''<sub>n</sub>).
 
 
A továbbiakban csak a  &sum;(''a''<sub>n</sub>z<sup>n</sup>) alakú, azaz a 0 körüli hatványsorokkal foglalkozunk (ezzel nem csorbítjuk az általánosságot, mert eltolással megkaphatjuk a többit is).
 
 
'''Tétel''' – ''Cauchy–Hadamard-tétel'' – Ha (''a''<sub>n</sub>) komplex számsorozat, <math>c= \limsup\limits_{n}\sqrt[n]{|a_n|}</math> és
 
:<math>R=\left\{
 
\begin{matrix}
 
0,& \mathrm{ha} &c=+\infty\\
 
+\infty,& \mathrm{ha} & c=0\\
 
\frac{1}{c},& \mathrm{ha} & 0<c<+\infty
 
\end{matrix}
 
 
\right.</math>
 
akkor  &sum;(''a''<sub>n</sub>z<sup>n</sup>) abszolút konvergens a B<sub>R</sub>(0) gömbön és divergens a  B<sub>1/R</sub>(&infin;) gömbön.
 
 
A tétel minden részletre kiterjedő bizonyítását nem végezzük el, csak utalunk rá, hogy nyilvánvaló, hogy a Cauchy-féle gyökkritériumot kell benne használni. A tételbeli ''R'' sugarat a hatványsor ''konvergenciasugarának'' nevezzük. ''R''-et másként is kiszámíthajuk. Ha azt tudjuk, a hányadoskritérium alapján, hogy 
 
:<math>\exists\lim\limits_{n\to \infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}</math>
 
akkor létezik és ezzel egyenlő az n-edik gyökök sorozata is: 
 
:<math>\exists\lim\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_n|}=\lim\limits_{n\to \infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\,''\,\frac{1}{R}\,''</math>
 
ahol az idézőjel azt jelzi, hogy a konvergenciasugár lehet végtelen vagy 0 is.
 
 
 
'''7. Feladat.''' Mi az alábbi hatványsorok konvergenciaköre és -sugara?
 
#<math>\sum\left((2i)^nn^3(z-i)^n\right)</math>
 
#<math>\sum\left(\mathrm{arc\,sin}\left(\frac{1}{n}\right)(z+1+i)^n\right)</math>
 
#<math>\sum\left(\frac{in^{2008}}{n!}z^n\right)</math>
 
 
 
'''Analitikus'''nak nevezünk egy ''f'' komplex függvényt, a ''z''<sub>0</sub> pontban, ha van olyan &delta; sugarú környezet és &sum;(''a''<sub>n</sub>(z-z<sub>0</sub>)<sup>n</sup>) hatványsor, hogy minden ''z'' &isin; B<sub>&delta;</sub>(''z''<sub>0</sub>)-ra ''f'' érelmezett, &sum;(''a''<sub>n</sub>(z-z<sub>0</sub>)<sup>n</sup>) konvergens és
 
:<math>f(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n(z-z_0)^n</math>
 
Ezt úgy jelöljük, hogy ''f'' &isin; C<sup>&omega;</sup>(''z''<sub>0</sub>).
 
 
'''8. Feladat'''
 
# Van-e olyan <math>\sum\limits_{(0)}(a_n(z-2))</math> hatványsor, mely konvergál a 0-ban, de divergál a 3-ban. Konvergál 2-ben, de divergál az 2,000001-ben?
 
# Igazoljuk, hogy az alábbi függvény analitikus a nullában. Mi sorfejtés a konvergenciaköre?
 
#:<math>f(z) = \frac{1}{4+z^2} \,</math>
 
 
===Hatványsorok összegfüggvényének folytonossága és differenciálhatósága===
 
 
'''Tétel''' – Ha (''a''<sub>n</sub>) komplex számsorozat, akkor az  &sum;(''a''<sub>n</sub>z<sup>n</sup>) hatványsor összegfüggvénye folytonos a konvergenciakör belsejében. Sőt, reguláris is ott.
 
 
Emlékeztetünk arra, hogy egy függvény reguláris egy pontban, ha a pont egy környezetében mindenütt értelmezett és komplex deriválható. A tétel szerint tehát analitikus függvény reguláris. A döbbenetes azonban, hogymint később kiderül: reguláris függvény analitikus: ''f'' &isin; C<sup>&omega;</sup>(''z''<sub>0</sub>) akkor és csak akkr, ha ''f'' &isin; Reg(''z''<sub>0</sub>).
 
 
''Bizonyítás.'' Legyen ''z'' a konvergenciakör egy belső pontja és &Delta;''z'' olyan, hogy még ''z'' + &Delta;''z'' is a konvergenciakör belsejébe esik. Ekkor:
 
: <math>\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n(z+\Delta z)^n-\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nz^n=
 
\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n((z+\Delta z)^n-z^n)=</math>
 
mert mindkét sor konvergens, ekkor algebrai azonosságokkal:
 
:<math>=\Delta z\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n\sum\limits_{k=0}^{n-1}\Delta z^{k}z^{n-1-k}</math>
 
vagy ha tetszik nemnulla &Delta;''z''-vel:
 
:<math>\frac{\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n(z+\Delta z)^n-\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nz^n}{\Delta z}=\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n\sum\limits_{k=0}^{n-1}\Delta z^{k}z^{n-1-k}</math>
 
a jobb oldalon álló sor konvergenciáját a gyökkritériummal láthatjuk be:
 
:<math>\left|a_n\sum\limits_{k=0}^{n-1}\Delta z^{k}z^{n-1-k}\right|\leq|a_n|\cdot n r^n</math>
 
ahol r olyan pozitív szám, hogy | ''z'' + &Delta;''z'' | < r < R (ez  utóbbi a hatványsor konvergenciasugára). És
 
:<math>\limsup\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_n|\cdot n r^n}=\limsup\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_n|}\cdot 1 \cdot r\leq\frac{1}{R}r<1\,</math>
 
Így azt kaptuk, hogy minden olyan  &Delta;''z''-re, melyre | ''z'' + &Delta;''z'' | < r, teljesül és |&Delta;''z''| <&epsilon;/(1+&sum;<sub>n</sub>|a<sub>n</sub>|nr<sup>n</sup>)=:&delta;
 
:<math>\left|\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n(z+\Delta z)^n-\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nz^n\right|\leq|\Delta z|\cdot \sum\limits_{n=0}^\infty|a_n|nr^n<\varepsilon.</math>
 
 
Hosszadalmasabb számolásokkal, de lényegében ugyanígy kimutatható, hogy a hatványsor összegfüggvénye komplex differenciálható is a konvergenciakör belsejében és deriváltja a formális tagonkénti deriválásal kapott sor összegfüggvényével egyenlő, tehát:
 
:<math>\left(\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nz^n\right)'=\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n n z^{n-1}</math>
 
 
 
==Elemi függvények==
 
 
===Hatványfüggvények===
 
A
 
:<math>w=z^n\,</math>
 
típusú függvények komplex hatványfüggvények. ''n'' &isin; '''Z''' esetén, komplex deriváltjuk kiszámítható, ''n'' &ne; -1 esetben komplex primitív függvényük is van a következő értelemben:
 
 
Mivel
 
:<math>(z^n)'=nz^{n-1}\,</math>
 
ezért ''n'' &ne; -1  esetén az az ''F''(''z'') függvény, melyre <math> \scriptstyle{F'(z)=z^n}</math> nem más, mint
 
:<math>F(z)=\frac{z^{n+1}}{n+1}+C\,</math>
 
ahol C komplex konstans. ''n'' &ne; -1-re nincs primitív függvénye, mert a logaritmus nem egyértékű a komplex számok között. 
 
 
Komplex vonalintegrál értelmezhető a G: [a,b] <math>\to</math> '''C''' folytonos függvény, mint görbe esetén azzal a különlegességgel, hogy a szorzás a komplex szorzás:
 
:<math>\int\limits_{G}f(z)\,\mathrm{d}z\,=_{\mathrm{def}}\lim\limits_{n \to \infty}\sum\limits_{i=1}^nf(z_i)\cdot\Delta z_i</math>
 
Feltéve persze, hogy létezik és véges. Itt ''z''<sub>i</sub> mindig a G görbe valamely pontját jelöli, amit az [a,b] egy felosztásának osztópontjainak G általi képeiből kapunk.
 
 
Ekkor fennáll a komplex Newton-Leibniz-formula. Ha a G görbe olyan nyílt halmazban halad, melyben az ''f''-nek van primitív függvénye (egyértékű függvénye!) és ''f'' komplex integrálható, akkor ''z''<sub>1</sub> és ''z''<sub>2</sub> a végpontok esetén (''a'' és ''b'' képe), a komplex integrál kiszámítható így:
 
:<math>F(z_2)-F(z_1)=\int\limits_{G}f(z)\,\mathrm{d}z\,</math>
 
 
Ha a görbe belép az ''f'' értelmezési tartományának olyan részére, melyben a függvénynek nincs egyértelmű primitív függvénye, akkor az integrál értéke függhet a G úttól.
 
 
'''1. Feladat.''' Legyen G a 3 középpontú, 1 sugarú kör felső félköre (pozitív irányítással). Számítsuk ki a
 
:<math>\int\limits_{G}3z^2+1\,\mathrm{d}z\,</math>
 
integrált.
 
 
'''2. Feladat.''' Legyen G az origó körüli 2 sugarú kör vonal. Mennyi az
 
:a) <math>\int\limits_{G}\frac{1}{z^2}\,\mathrm{d}z\,</math> és a b) <math>\int\limits_{G}\frac{z+1}{z}\,\mathrm{d}z\,</math>
 
integrál.
 
 
A hatványfüggvények inverzei szintén nem egyértékű függvények.
 
 
===Exponenciális függvény===
 
:<math>
 
e^z=_{\mathrm{def}}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{z^n}{n!}\,</math>
 
Ebbőkkiderül az exponenciális függvény sok tulajdonsága. Például, ha z = x + iy, akkor
 
:<math>e^{x+iy}=e^x\cdot e^{iy}=e^x\cdot (\cos y + i\sin y)\,</math>
 
Ebből rögtön következik, hogy komplex exponenciális függvény periodikus, periódusa a p = 2&pi;i:
 
:<math>e^{z+2\pi i}=e^z\cdot e^{2\pi i}=e^z\cdot e^0\cdot (\cos 2\pi + i\sin 2\pi)=e^z(1+0i)\,</math>
 
'''3. Feladat.''' Oldjuk meg az
 
:<math>e^z=1+i\;</math>
 
egyenletet!
 
 
Írjuk át 1+i-t exponenciális alakba:
 
:<math>1+i=e^{\ln \sqrt{2}}\cdot e^{i\frac{\pi}{4}}\,
 
</math>
 
így
 
:<math>z=\ln\sqrt{2} +i\frac{\pi}{4}+2\pi i\,</math>
 
 
'''4. Feladat.''' Oldjuk meg az
 
:<math>e^{iz}+ie^{-4iz}=0\,</math>
 
egyenletet!
 
 
===Komplex logaritmus és a reciprok integrálja===
 
 
Tekintsük a
 
:<math>w=e^z\,</math>
 
hozzárendelést! Ha w-t exponenciális alakban írjuk, megfeleltethetjük egymásnak a z algebrai alakját w trigonometrikus alakjával:
 
:<math>w=re^{i\varphi}=e^{x+iy}=e^x\cdot e^{iy}\,</math>
 
azaz
 
:<math>r=e^x\,</math> és <math>\varphi= y\,</math>
 
Ebből is látható, hogy a fordított leképezés végtelen sok értkű, hiszen ha y<sub>1</sub> = 2&pi; + y, akkor w(x+iy)= w(x+iy<sub>1</sub> ). Ekkor a Riemann-felület egy végtelen sok Riemann-levélből áll.
 
 
'''Feladat.''' Számítsuk ki az alábbi integrálokat:
 
:<math>\int\limits_{G_1}\frac{1}{z}\,\mathrm{d}x</math>
 
:<math>\int\limits_{G_2}\frac{1}{z}\,\mathrm{d}x</math>
 
ahol G<sub>1</sub> az egységkör a + irányban i-től -i-ig, G<sub>2</sub> az egységkör a - irányban i-től -i-ig.
 
 
:<math>\int\limits_{i,\,(G_1)}^{-i}\frac{1}{z}\mathrm{d}z=[\mathrm{Log}(z)]_{i}^-i=\mathrm{Log}(e^{i\frac{3}{2}\pi})-\mathrm{Log}(e^{\frac{1}{2}\pi})=i\pi\,</math>
 
 
ahol Log a logaritmus főrésze, hisz a görbe a egy Rieman-levélen belül marad, míg
 
 
:<math>\int\limits_{i,\,(G_2)}^{-i}\frac{1}{z}\mathrm{d}z=[\mathrm{Log}(z)]_{i}^-i=\mathrm{Log}(e^{-i\frac{1}{2}\pi})-\mathrm{Log}(e^{\frac{1}{2}\pi})=-i\pi\,</math>
 
 
mivel itt áthalad a görbe a következő Riemann-levélre.
 
 
Más számítással:
 
 
:<math>\int\limits_{i,\,(G_1)}^{-i}\frac{1}{z}\mathrm{d}z=\int\limits_{t=\frac{\pi}{2}}^{\frac{3\pi}{2}}\frac{1}{z(t)}\cdot\frac{\mathrm{d}z(t)}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t=\int\limits_{t=\frac{\pi}{2}}^{\frac{3\pi}{2}}e^{-it}ie^{it}\mathrm{d}t=[it]_{t=\frac{\pi}{2}}^{\frac{3\pi}{2}}</math>
 
 
===Trigonometikus függvények===
 
 
:<math>\sin z=_{\mathrm{def}}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{z^{2n+1}}{(2n+1)!}\,</math>
 
:<math>\cos z=_{\mathrm{def}}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{z^{2n}}{(2n)!}\,</math>
 
 
Világos, hogy valós &phi;-re:
 
:<math>e^{i\varphi}=\cos(\varphi)+i\sin(\varphi)\,</math>
 
 
A hiperbolikus függvényekhez hasonlóan a trigonometrikus függvények is előállnak de a komplex exponenciális segítségével:
 
 
:<math>\sin z=\frac{e^{iz}-e^{-iz}}{2i}</math>
 
:<math>\cos z=\frac{e^{iz}+e^{-iz}}{2} </math>
 
 
'''5. Feladat.''' Igazoljuk, hogy fennáll
 
:<math>\sin^2 z+ \cos^2z = 1\,</math>
 
 
'''6. Feladat.''' Oldjuk meg az
 
:<math>\sin 4z=0\,</math>
 
egyenletet!
 
 
===Hiperbolikus függvények===
 
 
:<math>\mathrm{sh}\, z=\frac{e^{z}-e^{-z}}{2}</math>
 
:<math>\mathrm{ch}\, z=\frac{e^{z}+e^{-z}}{2} </math>
 
 
'''7. Feladat.''' Határozzuk meg az w = sh(iz) függvény valós és képzetes részét!
 
 
Mo. 
 
:<math>\mathrm{sh}\, iz=\frac{e^{iz}-e^{-iz}}{2}</math>
 
 
'''8. Feladat.''' G az egységkör. Számítsuk ki
 
:<math>\int\limits_{(G)}\frac{e^z}{z}\mathrm{d}z\,</math>
 
:<math>\int\limits_{(G)}\frac{\sin(z)}{z^4}\mathrm{d}z\,</math>
 
Mo.
 
:<math>\int\limits_{(G)}\frac{1}{z}+1+\frac{1}{2}z+...\mathrm{d}z\,=2\pi i</math>
 
:<math>\int\limits_{(G)}\frac{1}{z^3}-\frac{1}{2z}+\frac{1}{4!}z+...\mathrm{d}z\,=-\pi i</math>
 
 
 
 
==Taylor-sor==
 
 
A Cauchy-féle integrálformula következménye a következő tétel, mely a komplex differenciálelmélet egyik megjellegzetesebb eredménye:
 
 
'''Tétel.''' Ha az ''f'': '''C''' <math>\supset\!\to</math> '''C''' függvény az értelmezési tartománya egy <math>z_0</math> pontjában és ennek egy nyílt környezetében komplex differenciálható (azaz <math>z_0</math>-ban ''reguláris''), akkor ''f'' a  <math>z_0</math> pont egy ''V'' = B<sub>&delta;</sub>(z<sub>0</sub>) környezetén mindenhol végtelenszer differenciálható, ''V'' minden pontjában az ''f'' <math>z_0</math>-beli Taylor-sora konvergens és ennek határfüggvénye ''V''-n előállítja ''f''-et:
 
:<math>f(z)=\sum\limits_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(z_0)}{n!}(z-z_0)^n</math>
 
(azaz ''f'' ''analitikus'' <math>z_0</math>-ban).
 
 
A tétel tehét azt mondja ki, hogy "reguláris függvény analitikus".
 
 
 
'''Megjegyezzük,''' hogy 1. mint minden nemnegatív egész hatványokat tartalmazó hatványsor, a Taylor-sor is egy körlap belsején abszolút konvergens, mely körlap sugara a konvergenciasugára, mely
 
:<math>R=\frac{1}{\limsup\limits_{n}\sqrt[n]{|a_n|}}\,</math>
 
ahol a sor a &sum;a<sub>n</sub>(z-<math>z_0</math>)<sup>n</sup>, a körlap középpontja <math>z_0</math>, és ahol a reciprok kivételesen úgy értendő, hogy 1/0 = &infin;, 1/&infin; = 0.
 
 
'''2.''' A legyakrabban használt Taylor-sorok a következők:
 
 
:<math>|z|<1\mathrm{-re:}\quad\quad\frac{1}{1-z}=\sum\limits_{n=0}^{\infty} z^n\,</math>
 
:<math>|z|<\infty\mathrm{-re:}\quad\quad e^z=\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!}z^n\,</math>
 
:<math>|z|<\infty\mathrm{-re:}\quad\quad \sin(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{(2n+1)!}z^{2n+1}\,</math>
 
:<math>|z|<\infty\mathrm{-re:}\quad\quad \cos(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{(2n)!}z^{2n}\,</math>
 
:<math>|z|<\infty\mathrm{-re:}\quad\quad \mathrm{sh}(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{1}{(2n+1)!}z^{2n+1}\,</math>
 
:<math>|z|<\infty\mathrm{-re:}\quad\quad \mathrm{ch}(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{1}{(2n)!}z^{2n}\,</math>
 
:<math>|z|<1\mathrm{-re:}\quad\quad \mathrm{ln}(1+z)=\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n}z^n\,</math>
 
természetesen az utolsónál a z=1 pont 1 sugarú nyílt környezetében értelmezett logaritmusról van szó.
 
 
'''3. ''' Mint minden hatványsor ez is egyenletesen konvergál az összegfüggvényéhez, így tagonként deriválható és integrálható.
 
 
 
==Egész kitevőjű hatványsorok, Laurent-sor==
 
 
'''Definíció.''' Ha adott ''a'' számra és (''c''<sub>n</sub>)<sub>n&isin;'''Z'''</sub> komplex számok komplex számokra a
 
:<math>\sum\limits_{(-\infty)}(c_n(id-a)^n)</math>
 
függvénysort egész kitevőjű hatványsornak, vagy Laurent-sornak nevezzük. Egy ilyen sor összegfüggvénye:
 
:<math>\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}c_n(z-a)^n</math>
 
 
Ugyanúgy, ahogy minden nemnegatív kitevőjű hatványsor egyenlő a saját Taylor-sorával, így az ilyen sorokat egyszerűen csak Laurent-sornak hívjuk, függetelenül attól, hogy a Laurent-sor együtthatóit egy függvény értékeiből számoljuk ki.
 
 
Ahogy a Taylor-sorfejtésben nagyon hasznos a mértani sor összegképlete (és konvergenciafeltétele), úgy ez a Laurent-soroknál is jól alkalmazható:
 
 
'''Példa.''' Mely pontok körül fejthető egész kötevőjű hatványsorba a
 
:<math>f(z)=\frac{1}{z} \,</math>
 
függvény és mik a konvergenciatartományok?
 
''Megoldás.''
 
 
1) z &ne; 0-ra reguláris, így minden <math>z_0</math> &ne; 0-ra Taylor-sorba fejthető legalább is a <math>z_0</math> egy olyan környzetében, mely a 0-t mint szingularitást nem tartalmazza (hisz tudjuk: hatványsor konvergenciatartománya körlap). Ez a sor:
 
 
:<math>\frac{1}{z-z_0+z_0}=\frac{1}{z_0}\cdot\frac{1}{z-z_0+1}=\frac{1}{z_0}\cdot\frac{1}{1-(-1)(z-z_0)}=</math>
 
::<math> =\frac{1}{z_0}\cdot\sum\limits_{n=0}^{\infty}(-1)^n(z-z_0)^n=\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{z_0}(z-z_0)^n</math>
 
A sugara 1, hisz |(-1)||z-<math>z_0</math>|<1 kell, ami ugyanaz, mint |z-<math>z_0</math>|<1. Persze, ha |<math>z_0</math>| < 1, akkor a sugár, maga a  |<math>z_0</math>|, hisz a 0-t nem állítja elő a sor.
 
 
2) <math>z_0</math> &ne; 0-ra a Laurent-sora. Most a <math>z-z_0</math>-nak a mértani sorrá alakítás után a nevezőbe kell kerülnie:
 
:<math>\frac{1}{z-z_0+z_0}=\frac{1}{z-z_0}\cdot\frac{1}{1+\frac{z_0}{z-z_0}}=\frac{1}{z-z_0}\cdot\frac{1}{1-\frac{-z_0}{z-z_0}}=</math>
 
::<math> =\frac{1}{z_0}\cdot\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^nz_0^n}{(z-z_0)^n}=\sum\limits_{n=0}^{-\infty}(-1)^{-n}z_0^{-n}(z-z_0)^n</math>
 
Ennek a sorfejtésnek akkor van jelentőssége, amikor olyan pont körüli sorral akarunk egy ''z'' számot előállítani, melynek minden ''z''-t tartalmazó gömbi környzete tartalmazza a 0-t is.
 
 
Konvergenciaköre a
 
:<math>|z-z_0|>|z_0|\;</math>
 
egyenlőtlenségnek eleget tévő ''z''-k.
 
 
3) z = 0-ban is van Laurent-sora, éspedig önmaga:
 
:<math>f(z)=...+0+\frac{1}{z}+0+... \,</math>
 
Ennek a sugarai R<sub>-</sub>=0, mert a (...0,0,1) sorozat n-edik gyökeinek limszupja 0, és  R<sub>-</sub>=+&infin;, mert a (0,0,0,0,0,...) sorozat n-edik gyökeinek limszupja 0 és "reciproka" + végtelen. (Ez egyben a &infin; körüli Laurent-sor, melynek csak reguláris része van.)
 
 
===Konvergenciatartomány===
 
Laurent-sornál a konvergenciatartomány egy körgyűrű, melynek sugarait az együtthatókból a Cauchy--Hadamard-tételhez hasonló módon számolható, éspedig:
 
 
:<math>R_+=\frac{1}{\limsup\limits_{n>0}\sqrt[n]{|c_n|}}\,</math>
 
:<math>R_-=\limsup\limits_{n<0}\sqrt[n]{|c_n|}\,</math>
 
 
Ez a kijelentés könnyen igazolható a Cauchy-féle gyökkritériummal, sőt a Cauchy--Hadamard-tétel  bizonyítását felidézve szinte magától értetődik.
 
 
===Reguláris- és főrész ===
 
A Laurent-sor
 
:<math>\sum\limits_{n=1}^{+\infty}c_{-n}\frac{1}{(z-z_0)^n}\,</math>
 
részét a sor '''főrészének,''' a
 
:<math>\sum\limits_{n=0}^{+\infty}c_{n}(z-z_0)^n\,</math>
 
részét a sor '''reguláris''' részének nevezzük.
 
 
==Laurent-sorfejtés==
 
 
'''Tétel.''' -- A Laurent-sor tétele -- Ha az ''f'': '''C''' <math>\supset\!\to</math> '''C''' és ''a'' &isin; '''C''' szám és 0 ≤ r < R ≤ +&infin; olyan sugarak, hogy ''f'' az
 
:<math>T=\{z\in \mathbf{C}\mid r<|z-a|<R\,\}</math>
 
nyílt körgyűrűben reguláris, akkor egyértelműen léteznek olyan (''c''<sub>n</sub>)<sub>n&isin;'''Z'''</sub> komplex számok, éspedig tetszőleges a ''T''-ben haladó az a-t egyszer pozitív irányban körbehurkoló ''G'' görbére:
 
:<math>c_n=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{G}\frac{f(w)}{(w-a)^{n+1}}\mathrm{d}w,\quad\quad n\in\mathbf{Z}</math>
 
hogy a
 
:<math>\sum\limits_{(-\infty)}(c_n(id-a)^n)</math>
 
függvénysor konvergens ''T''-ben és minden ''z'' &isin; ''T'' számra:
 
:<math>f(z)=\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}c_n(z-a)^n</math>
 
 
''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'' &isin; ''T''-t. Legyenek ''k''<sub>1</sub> és  ''k''<sub>2</sub> két ''a'' középpontú, ''T''-ben haladó, pozitívan irányított kör, úgy, hogy  ''z'' a ''k''<sub>1</sub> és ''k''<sub>2</sub> 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 ''k''<sub>1</sub> kezdő és végpontja az ''s'' kezdőpontja, ''k''<sub>2</sub> kezdő és végpontja pedig az ''s'' végpontja. Legyen 
 
:<math>\Gamma=k_1^\frown s^\frown (-k_2)^\frown(-s)</math>
 
itt (-s) az ''s''-sel ellenkező irányítású szakaszt jelzi. Ekkor &Gamma;  a ''z''-t egy reguláris tartományban hurkolja egyszer, pozitívan körbe, így a Cauchy-integrálformulával:
 
:<math>f(z)=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{\Gamma}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w</math>
 
Node, ebben az integálban az s íven kétszer oda-vissza végezzük el az integrálást, így az erre vett integrál eltűnik. Másrészt a (-''k''<sub>2</sub>)-n vett integrál ellenkezője a 'k''<sub>2</sub>-vettének, így végülis:
 
:<math>f(z)=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_1}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w-\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w</math>
 
Hangsúlyozzuk, hogy ''z'' és ''a'' most konstansok, így a
 
:<math>w\mapsto\frac{1}{w-z}\,</math>
 
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:
 
:<math>\frac{1}{w-z}=\frac{1}{(w-a)+(a-z)}=\frac{1}{a-z}\cdot\frac{1}{\frac{w-a}{a-z}+1}=-\frac{1}{z-a}\cdot\frac{1}{1-\frac{w-a}{z-a}}</math>
 
Ezzel megvan a sorfejtés minden együtthatója, ugyanis <math>q=\frac{w-a}{z-a}</math>-ra kell alkalmazni a mértani sor formuláját:
 
:<math>\frac{1}{w-z}=-\frac{1}{z-a}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{(z-a)^n}\cdot(w-a)^n</math>
 
1) Világos, hogy ezt a sorfejtést csak a ''k''<sub>2</sub>-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:
 
:<math>-\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}f(w)\frac{1}{z-a}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{(z-a)^n}\cdot(w-a)^n\mathrm{d}w=</math>
 
az integrál felcserélhető a szummával és a w-től független tagok kihozhatók az integrál elé, ezért
 
:<math>=\frac{1}{2\pi i}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\oint\limits_{k_2}f(w)\frac{1}{(z-a)^{n+1}}\cdot(w-a)^n\mathrm{d}w=\frac{1}{2\pi i}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{(z-a)^{n+1}}\oint\limits_{k_2}f(w)\cdot(w-a)^n\mathrm{d}w</math>
 
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 -&infin;-ig menjen:
 
:<math>-\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w=\frac{1}{2\pi i}\sum\limits_{n=-1}^{-\infty}\left(\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-a)^{n+1}}\mathrm{d}w\right)(z-a)^{n}</math>
 
 
Már csak azt kell megmagyaráznunk, hogy a ''k''<sub>2</sub> 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 ''k''<sub>2</sub>-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:
 
 
:<math>\frac{1}{w-z}=\frac{1}{(w-a)+(a-z)}=\frac{1}{w-a}\cdot\frac{1}{1-\frac{z-a}{w-a}}</math>
 
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
 
 
 
'''Példa.''' Adjuk meg az
 
:<math>f(z)=\frac{z^2}{z+2i}\,</math>
 
függvény azon  0 körüli Laurent-sorát, mely előállítja az 1-et! Azt is adjuk meg, mely a -3-t állítja elő!
 
 
''Megoldás.'' -2i szinguláris hely. Ha a=0, akkor a z=1-et a 0 körüli Taylor-sor állítja elő, mert |0-1| < |0 - (-2i)|. Persze ezt is a m.s-ral adjuk meg:
 
:<math>f(z)=\frac{z^2}{z+2i}=z^2\frac{1}{2i}\frac{1}{\frac{z}{2i}+1}=\frac{z^2}{2i}\frac{1}{1-\frac{iz}{2}}=\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{i^{n-1}}{2^{n+1}}z^{n+2}=\sum\limits_{n=2}^{\infty}\frac{i^{n-3}}{2^{n-1}}z^n</math>
 

A lap 2016. március 4., 21:32-kori változata

Személyes eszközök