Szerkesztő:Mozo/ A3 bizonyítások

Lineáris differenciálegyenletek

Inhomogén lineáris egyenlet megoldása.

Tétel. Ha V tetszőleges lineáris tér, A ∈ Lin(V,W) lineáris operátor, b ∈ W. Ha x₀ ∈ V megoldása az Ax = b inhomogén egyenletnek, akkor az

$\mathbf{A}x=b\,$

összes megoldásainak halmaza:

$M=\{x+x_0\in V\mid x\in\mathrm{Ker}(\mathbf{A})\}$

Bizonyítás. 1) Ha x ∈ Ker(A), akkor Ax = 0. Ekkor

$\mathbf{A}(x+x_0)= \mathbf{A}x+\mathbf{A}x_0=0+b=b\,$

azaz ekkor x+x₀ ∈ M.

2) Ha

$\mathbf{A}(x+x_0)=b\,$ és $\mathbf{A}x_0=b\,$

akkor

$\mathbf{A}x=\mathbf{A}(x+x_0-x_0)=\mathbf{A}(x+x_0)-\mathbf{A}x_0=b-b=0\,$

tehát x ∈ Ker(A). QED.

Tudjuk tehát akármilyen lineáris térben az inhomogén egyenelt összes megoldását, ha ismert egy megoldása.

Állítás. Ha f: I $\to$ R folytonos függvény akkor az

$\mathbf{A}y=y'+f\cdot y\,\quad\quad(y\in\mathrm{C}^1(I))$

lineáris operátor a Lin(C¹(I),C(I)) téren.

Bizonyítás.

$\mathbf{A}(\lambda y_1+\mu y_2)=(\lambda .y_1+\mu .y_2)'+f\cdot(\lambda .y_1+\mu .y_2)=$

$=\lambda y_1'+\mu y_2'+\lambda f\cdot y_1+\mu f\cdot y_2=\lambda.\mathbf{A}(y_1)+\mu.\lambda.\mathbf{A}(y_1)$

Következmény. A fenti jelölésekkel, tetszőleges g folytonos függvényre, ha y₀ a

$y'+f\cdot y+g=0\,\quad\quad(?=y\in\mathrm{C}^1(I))$

differenciálegyenlet egy megoldása, akkor az egyenlet általános megoldása egyenlő a

$y'+f\cdot y=0\,\quad\quad(?=y\in\mathrm{C}^1(I))$

homogén egyenlet általános megoldása plusz y₀.

Példa. Oldjuk meg az

$y'-\frac{y}{2\sqrt{x}}=\frac{1}{2\sqrt{x}}\,$

egyenletet! A pertikuláris megoldást keressük az állandók variálása módszerével!

Megoldás.

$\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{y}{2\sqrt{x}}\,$

$\int\frac{\mathrm{d}y}{y}=\int\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\mathrm{d}x\,$

$y_\mathrm{HA'}=Ke^{\sqrt{x}}\,$

$K'(x)e^{\sqrt{x}}=\frac{1}{2\sqrt{x}}$

$K'(x)=e^{-\sqrt{x}}\frac{1}{2\sqrt{x}}$

$K(x)=(-1)\int e^{-\sqrt{x}}\frac{-1}{2\sqrt{x}}\,\mathrm{d}x=-e^{-\sqrt{x}}+C$

$y=Ke^{\sqrt{x}}-1\,$

Feladat. Ha a,b ∈ R, akkor adjuk meg az

$\mathbf{A}y=y''+ay'+by\quad\quad(y\in\mathrm{C}^2(I))$

C²(I) $\to$ C(I) lineáris operátor magjának egy bázisát!

Megoldás. A 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

$\,y(x)=e^{x\lambda}\in\mathbf{C}\quad\quad(x\in \mathbf{R})$

próbafüggvény behellyettesítésével kapjuk:

Tehát a megoldások:

1. ha λ₁ ≠ λ₂ valósak, akkor

$\{e^{\lambda_1x},e^{\lambda_2x}\}$

bázis, mert lineárisan függetlenek és előállítják Ker(A)-t, ugyanis

2. ha λ₁ = λ₂ valósak, akkor keresnünk kell mégegy az e^λx-től lineárisan független megoldást.

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 invariásak, 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

$\mathbf{T}b_i=c_i\quad\quad(i=1...n)$

(tehát ez invertálható tenzor). Tudjuk hogy, ha A tetszőleges tenzor, akkor ő egy lineáris leképezés, és emiatt

$[\mathbf{A}]_C=[\mathbf{T}^{-1}]_B[\mathbf{A}]_B[\mathbf{T}]_B\,$

Ez a tenzorok invariáns tulajdonsága.

Az f(M) ∈ R (M ∈ M^n×n) skalárfüggvényt akkor nevezzük invariánsnak, ha minden B és C bázisra és A tenzorra:

$f([\mathbf{A}]_C)=f([\mathbf{A}]_B)\,$

Másként, minden B bázisra, T a B megváltoztató koordinátaváltó transzformációra és A tenzorra

$f([\mathbf{A}])=f([\mathbf{T}^{-1}][\mathbf{A}][\mathbf{T}])\,$

ahol [.] a B-beli koordinátamátrixot jelenti.

Az m(M) ∈ M^n×n (M ∈ M^n×n) mátrixfüggvényt pedig akkor nevezzük invariánsnak, ha minden B és C bázisra és A tenzorra:

$m([\mathbf{A}]_C)=[\mathbf{T}^{-1}]m([\mathbf{A}]_B)[\mathbf{T}])\,$

azaz ha m az A mátrixával együtt transzformálódik.

Determináns

Vegyük az M $\mapsto$ det(M) mátrixleképezést. A determinánsok szorzástétele szerint tetszőleges M és N mátrixra:

$\det(MN)=\det(M)\cdot\det(N)\,$

Emiatt ha A az A tenzor egy mátrixa és T a koordinátaváltó-mátrix, akkor:

$\det(T^{-1}AT)=\det(T^{-1})\det(A)\det(T)=\det(T^{-1})\det(T)\det(A)=\det(T^{-1}T)\det(A)=\,$

$=\det(I)\det(A)=1\cdot \det(A)=\det(A)\,$

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:

$\mathrm{Sp}:\,M\mapsto \sum\limits_{i=1}^nM_{ii}$

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:

$(AB)_{ij}=\sum\limits_{k=1}^nA_{ik}B_{kj}\,$

ezért:

$\mathrm{Sp}(AB)=\sum\limits_{i=1}^n(AB)_{ii}=\sum\limits_{i=1}^n\sum\limits_{k=1}^nA_{ik}B_{ki}=\sum\limits_{k=1}^n\sum\limits_{i=1}^nB_{ki}A_{ik}=\sum\limits_{k=1}^n(BA)_{kk}=\mathrm{Sp}(BA)\,$

Az invariancia pedig:

$\mathrm{Sp}(T^{-1}AT)=\mathrm{Sp}(T^{-1}TA)=\mathrm{Sp}(IA)=\mathrm{Sp}(A)\,$

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 A^T transzponált mátrixszal történő A^T[v]_S szorzás egy lineáris leképezés, tehát tenzor, tenzortranszponálás definíciója tehát az, hogy minden A tenzorhoz hozzárendeljük a következő lineáris leképezést:

$\mathbf{A}^{\mathrm{T}}\mathbf{v}=[\mathbf{A}]_S^T\cdot [\mathbf{v}]_S\,$

ahol $\cdot$ a mátrixszorzás.

Ám, ez nem minden bázisban viselkedik úgy, ahogy azt a transzponálástól elvárjuk, azaz ha B egy tetszőleges bázis, akkor az [A]_B^T már nem feltétlejül a T^-1 A^TT 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 O^T = 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 O^T = O^-1, akkor

$(O^{-1}AO)^{\mathrm{T}}=O^{\mathrm{T}}(O^{-1}A)^{\mathrm{T}}=O^{\mathrm{T}}A^\mathrm{T}(O^{-1})^{\mathrm{T}}=O^{-1}A^{\mathrm{T}}O\,$

Tehát a sztenderd bázisban definiált transzponálás minden ortonormált bázisban transzponálás lesz, így ha csak ezekre korlátozódunk, akkor a A^T fenti definíciója invariáns leképezést alkot.

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$\cdot$(Sv)=v$\cdot$(Su),

ahol $\cdot$ 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$\cdot$(Av)=-v$\cdot$(Au),

ahol $\cdot$ a skaláris szorzás.

Bármely T tenzor egyértélműen előáll S + A alakban, ahol S szimmetrikus, A pedig antiszimmetrikus, éspedig:

$\mathbf{T}=\frac{1}{2}(\mathbf{T}+\mathbf{T}^{\mathrm{T}})+\frac{1}{2}(\mathbf{T}-\mathbf{T}^{\mathrm{T}})$

Két fontos tétel:

Tétel -- Ha A ∈R³ (illetve R² ) antiszimmetrikus, akkor létezik olyan a vektor (vagy a skalár), hogy minden v vektorra:

$\mathbf{Av}=\mathbf{a}\times\mathbf{v}\quad\quad(\mathrm{vagy}\;\mathbf{Av}=a\cdot\mathrm{CROSS}(\mathbf{v}))$

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:

$[\mathbf{S}]_{\{\mathbf{v}_1,...,\mathbf{v}_n\}}=\begin{pmatrix}\lambda_1& 0& 0\\ 0& \ddots& 0\\ 0 & 0& \lambda_n\end{pmatrix}$

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:

$\lim\limits_{\mathbf{r}\to \mathbf{r}_0}\frac{\mathbf{v}(\mathbf{r})-\mathbf{v}(\mathbf{r}_0)-\mathbf{A}(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}_0|}=\mathbf{0}$

Minthogy az A deriválttenzor maga is tenzor, ezért érdemes külön elnevezni az invariánsait (h tetszőleges vektora a térnek):

$\mathbf{A}\mathbf{h}=\mathbf{A}_s\mathbf{h}+\left.\frac{1}{2}\mathbf{rot}(\mathbf{v})\right|_{\mathbf{r_0}}\times\mathbf{h}$

azaz A vektorinvariánsának duplája a rotáció. A divergencia a skalárinvariáns:

$\mathrm{div}(\mathbf{v})=\mathrm{Sp}(\mathbf{A})$

Világos, hogy ebből úgy lesznek a parciális deriváltakkal definiált alakok, ha a A sztenderd bázisbeli mátrixát, azaz a J Jacobi mátrixot írjuk fel. Ekkor mindkét említett differenciáloperátort a szokásos alakjában kapjuk:

$\mathrm{J}=\begin{pmatrix}\frac{\partial v_1}{\partial x}& \frac{\partial v_1}{\partial y}& \frac{\partial v_1}{\partial z}\\ \frac{\partial v_2}{\partial x}& \frac{\partial v_2}{\partial y}& \frac{\partial v_2}{\partial z}\\ \frac{\partial v_3}{\partial x}& \frac{\partial v_3}{\partial y}& \frac{\partial v_3}{\partial z}\end{pmatrix}$

Megjegyzés. A főtengelytételből következik, hogy hogyan jellemezhető az az eset, amikor az A deriváltenzor főtengelyre transzformálható. Ez pontosan akkor van, amikor rot(v)=0.

Analitikus függvény reguláris

Komplex nemnegatív kitevőjű hatványsorok

Definíció – Legyen (a_n) komplex számsorozat és z₀ ∈ C. Ekkor a

∑(a_n(id_C-z₀)ⁿ)

függvénysort hatványsornak nevezzük és összegét, az

$z\mapsto \sum\limits_{n=0}^\infty a_n(z-z_0)^n$

hozzárendelési utasítással értelmezett, a

{z ∈ | ∑(a_n(z-z₀)ⁿ) konvergál }

halmazon értelmezett függvényt a hatványsor összegének nevezzük. Középpontja z₀, együtthatósorozata (a_n).

A továbbiakban csak a ∑(a_nzⁿ) alakú, azaz a 0 körüli hatványsorokkal foglalkozunk (ezzel nem csorbítjuk az általánosságot, mert eltolással megkaphatjuk a többit is).

Tétel – Cauchy–Hadamard-tétel – Ha (a_n) komplex számsorozat, $c= \limsup\limits_{n}\sqrt[n]{|a_n|}$ és

$R=\left\{ \begin{matrix} 0,& \mathrm{ha} &c=+\infty\\ +\infty,& \mathrm{ha} & c=0\\ \frac{1}{c},& \mathrm{ha} & 0<c<+\infty \end{matrix} \right.$

akkor ∑(a_nzⁿ) abszolút konvergens a B_R(0) gömbön és divergens a B_1/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

$\exists\lim\limits_{n\to \infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}$

akkor létezik és ezzel egyenlő az n-edik gyökök sorozata is:

$\exists\lim\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_n|}=\lim\limits_{n\to \infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\,''\,\frac{1}{R}\,''$

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:

$\sum\limits_{n=0}^{\infty}z^n=\frac{1}{1-z}$

Példa.Minden z ∈ C-re konvergens az

$\exp(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}z^n\,$

sor, mert konvergenciasugara ∞. Ezt legegyszerűbben a hányadoskritéruimmal és a fenti megjegyzéssel állapíthatjuk meg:

$\lim\limits_{n\to \infty}\frac{\frac{1}{(n+1)!}}{\frac{1}{n!}}=\lim\limits_{n\to \infty}\frac{n!}{(n+1)!}\to 0$

A tétel

Reguláris egy függvény, ha egy nyílt halmazon komplex differenciálható. A hatványsorok ilyenek.

Tétel – Ha (a_n) komplex számsorozat, akkor az ∑(a_nzⁿ) hatványsor összegfüggvénye komplex differenciálható a konvergenciakör belsejében.

Másként fogalmazva:

Analitikus függvény reguláris. Hiszen, ha f analitikus, akkor lokálisan hatványsor.

Bizonyítás. Ha R a konvergenciasugár, akkor legyen

$z\in \mathrm{B}_{R}(0)\,$

és Δz olyan, hogy

$z+\Delta z\in \mathrm{B}_{R}(0)\,$

A következő függvény z-beli komplex differenciálhatóságát kell belátni:

$P(z)=\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n z^n\,$

Nem árulunk zsákbamacskát, formális tagonkénti deriválással megkapható az a sor, mely ennek a függvénynek a majdani deriváltja lesz:

$\left(\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nz^n\right)'=\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n n z^{n-1}$

Világos, hogy ez utóbbi sor is konvergens a konvergenciakör belsejében. Erről a Cauchy--Hadamard-tétellel győződhetünk meg, ha |z|< r < R, akkor a konvergenciasugara:

$\limsup\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_{n}|\cdot n }=\limsup\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_{n}|}\cdot 1=\frac{1}{R}\,$

Képezzük a különbségi hányadost és vonjuk le belőle ezt a kifejezést!

$\left|\frac{P(z+\Delta z)-P(z)}{\Delta z}-\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_{n} nz^{n-1}\right|=$

$=\left|\frac{\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_n(z+\Delta z)^n-\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nz^n}{\Delta z}-\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_{n}n z^{n-1}\right|=$

$=\left|\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\left(\frac{(z+\Delta z)^n-z^n}{\Delta z}-n z^{n-1}\right)\right|=$

ekkor a kéttagú összeg négyzetére vonatkozó

$(A+B)^n=\sum\limits_{k=0}^{n}A^kB^{n-k}\,$

algebrai azonossággal alakÍtjuk át a hatványt, majd amivel lehet leosztunl és amit lehet kiemelünk:

$=\left|\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\frac{(z+\Delta z)^n-z^n-n z^{n-1}(\Delta z)}{\Delta z}\right|=$

$=\left|\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\frac{-z^n-n z^{n-1}(\Delta z)+\sum\limits_{k=0}^{n}(\Delta z)^kz^{n-k}}{\Delta z}\right|=\left|\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\frac{\sum\limits_{k=2}^{n}(\Delta z)^kz^{n-k}}{\Delta z}\right|=$

$=\left|\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\sum\limits_{k=2}^{n}(\Delta z)^{k-1}z^{n-k}\right|=|\Delta z|\cdot\left|\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\sum\limits_{k=2}^{n}(\Delta z)^{k-2}z^{n-k}\right|$

Azt kell ellenőrizni, hogy az abszolútértékbeli sor konvergens. Ezt a gyökkritériummal látjuk be. Legyen r olyan pozitív szám, hogy | z|, |Δz | < r < R. Ilyet találunk, mert a B_R(0) nyílt. Ekkor

$\left|a_n\sum\limits_{k=2}^{n}\Delta z^{k-2}z^{n-k}\right|\leq|a_n|\cdot (n-1) r^{n-2}$

ahol (ez utóbbi a hatványsor konvergenciasugára). És

$\limsup\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{\frac{|a_n|\cdot (n-1) r^n}{r^2}}=\limsup\limits_{n\to \infty}\sqrt[n]{|a_n|}\cdot \frac{1}{1} \cdot r\leq\frac{1}{R}r<1\,$

De akkor 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.

De! Ez is egy hatványsor, ami ugyanilyen módon és ugyanazon a halmazon deriválható, azaz végül azt kaptuk, hogy a hatványsor nemcsak egyszer, de végtelenszer is differenciálható. Azt, hogy a Taylor-sora saját maga, a Taylor-sor létezési és egyértelműségi tételéből fog következni és mivel P előállítja saját magát, ezért persze analitikus (bár a hatványsor-előállíthatóság ezesetben a nyilvánvalónál is triviálisabb).

Komplex körintegrálok

Ebben a tételben a komplex körintegrálok kiszámitásával foglalkozunk.

Az f folytonos komplex függvény komplex integrálját egy szakaszonként folytonosan differenciálható G: [a,b] $\to$ C görbe mengtén értelmezhetjük közvetlenül a C síkon a

$\begin{matrix} \sum\limits_{i=1}^nf(\zeta_i)\cdot \Delta z_i & \longrightarrow & \int\limits_{G}f(z)\,\mathrm{d}z\\ & n\to \infty & \\ & \forall z_i\in G, \;\forall \zeta_i\in \Delta z_i &\\ & |\Delta z_i|\to 0 & \end{matrix}$

Riemann-közelítőösszeg határátmenetével vagy a síkbeli vonalintegrálra visszavezetve. Ez utóbbi esetben válik kifehezetten szembetűnővé, hogy a fenti képletben a $\cdot$ 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:

$\int\limits_{G}f(z)\mathrm{d}z = \int\limits_{G} u\mathrm{d}x-v\mathrm{d }y + i\int\limits_{G} u\mathrm{d}y+v\mathrm{d }x$

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

$\mathbf{P}=\begin{pmatrix}u\\-v\end{pmatrix}$ és $\mathbf{Q}=\begin{pmatrix}v\\u\end{pmatrix}$

segédvektormezők síkbeli vonalintegráljai, vagy a

$\mathbf{P}'=\begin{pmatrix}-v\\-u\end{pmatrix}$ és $\mathbf{Q}'=\begin{pmatrix}u\\-v\end{pmatrix}$

segédvektormezők síkbeli felületi integráljai szolgáltatják.

Itt érdemes feleleveníteni, hogy az S = (s₁, s₂) síkvektormező felületi integrálja nem más, mint a (s₁, s₂) vektormező vonalintegrálja.

$\int\limits_{F} \mathbf{S}\,\mathrm{d}\mathbf{f}=\int\limits_{''F''} s_1 \mathrm{d}y-s_2\mathrm{d}x$

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] $\to$ 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 ∫_z^w 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:

$\oint f=0\,$

Példa. Az $f(z)=\frac{1}{z^2}$-nek van primitívfüggvény, így körintegrálja mindenütt eltűnik.

Példa. Paraméteresen kiszámolható, hogy

$\oint\limits_{|z|=r} \frac{1}{z}=2\pi i\,$

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 egyszeresen összefüggő, síktartomány és legyen G : r=r(t) ennek határát paraméterező zárt görbe. Ha v folytonosan R-differenciálható a D lezártján, akkor

$\oint\limits_{G} \mathbf{v}(\mathbf{r})\mathrm{d}\mathbf{f}=\int\limits_{D} \mathrm{div}\,(\mathbf{v})\mathrm{d}f$

A tételben rendkívül lényeges az egyszeres összefüggőség kitétel (ahogy a folytonos differenciálhatóság is). Gondoljunk csak a térbeli v(r) = r/|r|³ vektormezőre. Ennek körintegrálja az origóközéppontú gömbön 4π, miközben a divergenciája mindenhol 0.

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:

$\mathrm{div}\mathbf{P}'=-\frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y}=0$

$\mathrm{div}\mathbf{Q}'=\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y}=0$

Ami, a C-R-egyenletek miatt igaz.

Innen

$\int\limits_{G}f(z)\mathrm{d}z=0$

Goursat ennél is mélyebb eredményt talált:

Goursat-lemma. A T háromszöglapon reguláris f komplex függvény integrálja a háromszög határán nulla:

$\oint\limits_{\partial T}f=0\,$

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:

$\oint\limits_{G} f=0\,$

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:

$f(z_0)=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{G}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z$

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:

$\Gamma=G^\frown s^\frown (-K)^\frown(-s)$

Világos, hogy ekkor a Γ-ra vett körintegrál eltűnik, másrész szakaszonként intergálva a Γ-n:

$0=\oint\limits_{\Gamma}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z=\oint\limits_{G}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z+\oint\limits_{s}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z-\oint\limits_{K}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z-\oint\limits_{s}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z$

mivel az s-en oda-vissza integrálva az integrálösszeg nulla és a Γ-ban a negatívan irányított K-t kell venni. Emiatt:

$\oint\limits_{G}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z=\oint\limits_{K}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z$

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:

$\oint\limits_{K}\frac{f(z)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z=\oint\limits_{K}\frac{f(z_0)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z+\oint\limits_{K}\frac{f(z)-f(z_0)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z$

ebből a tagok:

$\oint\limits_{K}\frac{f(z_0)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z=f(z_0)\oint\limits_{K}\frac{1}{z-z_0}\,\mathrm{d}z=f(z_0)\cdot 2\pi i$

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

$\left|\oint\limits_{K}\frac{f(z)-f(z_0)}{z-z_0}\,\mathrm{d}z\right|\leq \oint\limits_{K}\left|\frac{f(z)-f(z_0)}{z-z_0}\right|\,\mathrm{d}|z|=$

$=\oint\limits_{K}\frac{|f(z)-f(z_0)|}{|z-z_0|}\,\mathrm{d}|z|<\oint\limits_{|z-z_0|=r}\frac{\varepsilon}{|z-z_0|}\,\mathrm{d}|z|$

$=\frac{\varepsilon}{r}\cdot \oint\limits_{|z-z_0|=r}\,\mathrm{d}|z|=\frac{\varepsilon}{r}\cdot 2\pi r=2\pi \varepsilon\to 0$

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 K_r r sugarú körre:

$|c_{-k}|=\left|\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{K_r}f(z)(z-z_0)^{k-1}\mathrm{d}z\right|\leq\frac{1}{2\pi}\oint\limits_{K_r}|f(z)||(z-z_0)^{k-1}|\mathrm{d}z=\frac{1}{2\pi}K^2\cdot 2\pi r\to 0$

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.

Reguláris függvény analitikus, Laurent-sorfejtés

Tétel. -- A Laurent-sor tétele -- Ha az f: C $\supset\!\to$ C és a ∈ C szám és 0 ≤ r < R ≤ +∞ olyan sugarak, hogy f az

$T=\{z\in \mathbf{C}\mid r<|z-a|<R\,\}$

nyílt körgyűrűben reguláris, akkor egyértelműen léteznek olyan (c_n)_n∈Z komplex számok, éspedig tetszőleges a T-ben haladó az a-t egyszer pozitív irányban körbehurkoló G görbére:

$c_n=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{G}\frac{f(w)}{(w-a)^{n+1}}\mathrm{d}w,\quad\quad n\in\mathbf{Z}$

hogy a

$\sum\limits_{(-\infty)}(c_n(id-a)^n)$

függvénysor konvergens T-ben és minden z ∈ T számra:

$f(z)=\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}c_n(z-a)^n$

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

$\Gamma=k_1^\frown s^\frown (-k_2)^\frown(-s)$

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:

$f(z)=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{\Gamma}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w$

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:

$f(z)=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_1}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w-\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w$

Hangsúlyozzuk, hogy z és a most konstansok, így a

$w\mapsto\frac{1}{w-z}\,$

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:

$\frac{1}{w-z}=\frac{1}{(w-a)+(a-z)}=\frac{1}{a-z}\cdot\frac{1}{\frac{w-a}{a-z}+1}=-\frac{1}{z-a}\cdot\frac{1}{1-\frac{w-a}{z-a}}$

Ezzel megvan a sorfejtés minden együtthatója, ugyanis $q=\frac{w-a}{z-a}$-ra kell alkalmazni a mértani sor formuláját:

$\frac{1}{w-z}=-\frac{1}{z-a}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{(z-a)^n}\cdot(w-a)^n$

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:

$-\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w=\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}f(w)\frac{1}{z-a}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{(z-a)^n}\cdot(w-a)^n\mathrm{d}w=$

az integrál felcserélhető a szummával és a w-től független tagok kihozhatók az integrál elé, ezért

$=\frac{1}{2\pi i}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\oint\limits_{k_2}f(w)\frac{1}{(z-a)^{n+1}}\cdot(w-a)^n\mathrm{d}w=\frac{1}{2\pi i}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{1}{(z-a)^{n+1}}\oint\limits_{k_2}f(w)\cdot(w-a)^n\mathrm{d}w$

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:

$-\frac{1}{2\pi i}\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-z)}\mathrm{d}w=\frac{1}{2\pi i}\sum\limits_{n=-1}^{-\infty}\left(\oint\limits_{k_2}\frac{f(w)}{(w-a)^{n+1}}\mathrm{d}w\right)(z-a)^{n}$

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:

$\frac{1}{w-z}=\frac{1}{(w-a)+(a-z)}=\frac{1}{w-a}\cdot\frac{1}{1-\frac{z-a}{w-a}}$

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 z₀ izolált szinguláris pontja körüli sorfejtésben

1. pontosan akkor van csak reguláris tag, ha a szingularitás megszüntethető,
2. pontosan akkor van véges sok főrészbeli tag, ha végtelen a határérék z₀-ban,
3. pontosan akkor van végtelen sok főrészbeli tag (lényeges szingularitás), ha nem létezik a határérék z₀-ban.