4. A komplex függvénytan elemei

Átírás

1 92 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/ A komplex függvénytan elemei 4.. Komplex függvények határértéke, folytonossága, differenciálhatósága, Cauchy Riemann-egyenletek Legyen C a komplex számok halmaza, z 0 C és ρ > 0 adott állandó. A z 0 szám ρ sugarú környezetén a {z C : z z 0 < ρ} halmazt, azaz a z 0 középpontú ρ sugarú nyílt körlapot értjük. Halmaz belső pontja, nyílt halmaz, zárt halmaz, határpont ismert fogalmak az előző analízis tanulmányok alapján. Legyen T C nyílt halmaz, és tekintsünk egy f : T C függvényt. Ekkor tehát az f változója és értéke is komplex szám, ezért f-et komplex függvénynek nevezzük. A komplex z szám valós és képzetes részét jelöljük x ill. y-nal, azaz a szokásos jelölés szerint legyen z = x + iy a komplex z szám normál alakja. Jelölje u ill. v az f függvény valós ill. képzetes részét. Ekkor u és v is komplex változós, de valós értékű függvények, viszont a komplex függvénytanban szokásos jelölés szerint tekinthetjük a függvényeket úgy is, hogy azok az x és y valós változóktól függnek, azaz a következő jelölést használjuk: f(z) = u(x, y) + iv(x, y), (4.) ahol u és v kétváltozós valós függvények, amelyekre Dom(u) = Dom(v) = {(x, y) R 2 : x + iy Dom(f)}. A valós függvényeknél látott definíciókat értelemszerűen kiterjesztve definiálhatjuk a komplex függvények határétékét, folytonosságát ill. differenciálhatóságát. Könnyen látható most is, hogy az így kiterjesztett fogalmakra ugyanazok az algebrai tulajdonságok, számolási szabályok teljesülnek, mint a valós esetben. Legyen z 0 T. Azt mondjuk, hogy az f függvénynek a z 0 -ban létezik a határértéke, ha bármely olyan z n T sorozatra, amelyre z n z 0 (minden n =, 2,...-re) és z n z 0 (ha n + ) következik, hogy a lim f(z n) határérték létezik, és értéke független a (z n ) sorozat n + választásától. A határérték jelölése: lim f(z). z z0 Az f függvényt folytonosnak nevezzük a z 0 T pontban, ha f(z 0 ) = lim f(z). Ha az f z z0 függvény folytonos minden z 0 T pontban, akkor azt mondjuk, hogy az f függvény folytonos a T halmazon. Az f függvényt a z 0 T pontban differenciálhatónak nevezzük, ha a f(z) f(z 0 ) lim z z 0 z z 0 (komplex) határérték létezik. Ezt a határértéket az f függvény z 0 helyen vett deriváltjának (differenciálhányadosának) nevezzük. Jele: f (z 0 ). Ha f differenciálható a T halmaz minden pontjában, akkor azt mondjuk, hogy f differenciálható a T halmazon. Tegyük fel, hogy f differenciálható z 0 -ban. A (4.) valamint a z = x + iy és z 0 = x 0 + iy 0 jelöléseket használva az.. Tétel szerint f(z) f(z 0 ) lim = lim z z 0 z z 0 (x,y) (x 0,y 0 ) u(x, y) u(x 0, y 0 ) + i(v(x, y) v(x 0, y 0 )), (4.2) x x 0 + i(y y 0 ) azaz a komplex határértéket kétváltozós (komplex értékű) határértékre vezettük vissza. A valós függvényeknél ismert, hogy a kétváltozós határérték létezéséhez az szükséges, hogy bármely

2 4. A komplex függvénytan elemei 93 irányból is tart (x, y) az (x 0, y 0 ) pontba, a függvényértékek sorozatának létezzen a határértéke, és ezek a határértékek megeggyezzenek. Vegyük most azt az esetet, amikor (x, y) az x-tengellyel párhuzamosan tart (x 0, y 0 )-ba, azaz feltesszük, hogy y = y 0. Ezt behelyettesítve a (4.2) relációba kapjuk, hogy ebben a speciális esetben f (z 0 ) = u(x, y 0 ) u(x 0, y 0 ) + i(v(x, y 0 ) v(x 0, y 0 )) lim x x 0 x x 0 = u(x, y 0 ) u(x 0, y 0 ) v(x, y 0 ) v(x 0, y 0 ) lim + i lim x x 0 x x 0 x x 0 x x 0 = u x (x 0, y 0 ) + i v x (x 0, y 0 ). (4.3) Hasonló módon, feltesszük, hogy x = x 0. Ebben az esetben (4.2)-ből következik, hogy f (z 0 ) = u(x 0, y) u(x 0, y 0 ) + i(v(x 0, y) v(x 0, y 0 )) lim y y0 i(y y 0 ) = u(x 0, y) u(x 0, y 0 ) v(x 0, y) v(x 0, y 0 ) lim + i lim y y0 i(y y 0 ) y y0 i(y y 0 ) = v y (x 0, y 0 ) i u y (x 0, y 0 ). (4.4) A (4.3) és (4.4) egyenleteket összehasonlítva kapjuk, hogy ha f differenciálható z 0 = x 0 +iy 0 -ban, akkor f (z 0 ) = u x (x 0, y 0 ) + i v x (x 0, y 0 ) = v y (x 0, y 0 ) i u y (x 0, y 0 ). (4.5) Ezzel beláttuk a következő állítást: 4.. Állítás. Ha f differenciálható z 0 = x 0 + iy 0 -ban, akkor u és v parciálisan differenciálható (x 0, y 0 )-ban, továbbá u x (x 0, y 0 ) = v y (x 0, y 0 ) és v x (x 0, y 0 ) = u y (x 0, y 0 ). (4.6) A (4.6) egyenleteket Cauchy Riemann-egyenleteknek nevezzük. A következő példa azt mutatja, hogy a Cauchy Riemann-egyenletek teljesüléséből még általában nem következik, hogy az f függvény differentiálható az x 0 + iy 0 pontban Példa. Legyen f : C C, f(z) = xy, ahol z = x + iy. Ekkor f valós értékű függvény, így u(x, y) = xy és v(x, y) = 0, (x, y) R 2. Könnyen ellenőrizhető, hogy az origóban u x (0, 0) = u y (0, 0) = v x v (0, 0) = (0, 0) = 0, y így a Cauchy Riemann-egyenletek teljesülnek ebben a pontban. Viszont az f függvény nem differenciálható a z = 0 pontban, ugyanis z = x + iy 0 esetén f(z) f(0) xy = z 0 x + iy. Tekintsük a határétéknek azt a speciális esetét, amikor z a valós tengely mentén tart az origóba, azaz z = x. Ekkor f(z) f(0) = 0 z 0 x = 0.

3 94 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 Másrészt, ha z = x + ix, x > 0 (azaz egy félegyenes mentén tartunk az origóba), akkor f(z) f(0) z 0 = x x + ix = + i, ezért a különbségi hányadosnak nem létezik a határértéke az origóban, tehát az f függvény nem differenciálható 0-ban. Megmutatjuk, hogy ha u és v parciális differenciálhatósága helyett totális differenciálhatóságot teszünk fel (x 0, y 0 )-ban, akkor a (4.6) Cauchy Riemann-egyenletek teljesüléséből következik az f függvény differenciálhatósága is Tétel. Legyen f (4.) alakú. Ekkor az f függvény akkor és csak akkor differenciálható a z 0 = x 0 + iy 0 pontban (mint komplex változós függvény), ha az u valós rész és a v képzetes rész függvények totálisan differenciálhatók az (x 0, y 0 ) R 2 pontban, továbbá az u és v parciális deriváltjaira teljesülnek a (4.6) Cauchy Riemann-féle egyenletek. Bizonyítás:. Tegyük fel, hogy az f függvény differenciálható a z 0 = x 0 + iy 0 pontban. Ekkor a 4.. Állítás szerint az u és v függvények parciálisan differenciálhatók (x 0, y 0 )-ban, és teljesülnek a (4.5) és (4.6) egyenletek. Ezért f (z 0 )(z z 0 ) ( u = x (x 0, y 0 ) + i v ) ( x (x 0, y 0 ) x x 0 + i(y y 0 )) = u x (x 0, y 0 )(x x 0 ) v ( u x (x 0, y 0 )(y y 0 ) + i x (x 0, y 0 )(y y 0 ) + v = u x (x 0, y 0 )(x x 0 ) + u y (x 0, y 0 )(y y 0 ) + i Definiáljuk az és ) x (x 0, y 0 )(x x 0 ) ) ( v x (x 0, y 0 )(x x 0 ) + v y (x 0, y 0 )(y y 0 ). (4.7) η (x, y) def = u(x, y) u(x 0, y 0 ) u x (x 0, y 0 )(x x 0 ) u y (x 0, y 0 )(y y 0 ) (4.8) η 2 (x, y) def = v(x, y) v(x 0, y 0 ) v x (x 0, y 0 )(x x 0 ) v y (x 0, y 0 )(y y 0 ) (4.9) függvényeket. Ennek segítségével kapjuk, hogy tehát f(z) f(z 0 ) f (z 0 )(z z 0 ) η (x, y) + iη 2 (x, y) 0 = lim = lim z z0 z z 0 (x,y) (x 0,y 0 ) (x x0 ) 2 + (y y 0 ), (4.0) 2 lim (x,y) (x 0,y 0 ) η (x, y) = 0 és lim (x x0 ) 2 + (y y 0 ) 2 (x,y) (x 0,y 0 ) mivel η i (x, y) η (x, y) + iη 2 (x, y) (i =, 2). totálisan differenciálhatók (x 0, y 0 )-ban. η 2 (x, y) (x x0 ) 2 + (y y 0 ) 2 = 0, (4.) Ez azt jelenti, hogy az u ill. v függvények

4 4. A komplex függvénytan elemei Most megmutatjuk, hogy a fenti levezetés megfordítható. Tegyük fel, hogy az u és v függvények totálisan differenciálhatók (x 0, y 0 )-ban, azaz a (4.8) és (4.9) képletekkel definiált η és η 2 függvények teljesítik a (4.) határértékeket. A (4.7) és (4.0) összefüggéseknél látott számolást megismételve és a Cauchy Riemann-egyenleteket felhasználva kapjuk, hogy az komplex számra teljesül A def = u x (x 0, y 0 ) + i v x (x 0, y 0 ) f(z) f(z 0 ) A(z z 0 ) η (x, y) + iη 2 (x, y) lim = lim z z 0 z z 0 (x,y) (x 0,y 0 ) (x x0 ) 2 + (y y 0 ) = 0. 2 Ezzel megmutattuk, hogy f (z 0 ) létezik és f (z 0 ) = A. Ismert eredmény a valós analízisből, hogy egy nyílt halmazon folytonosan parciálisan differenciálható többváltozós függvény totálisan differenciálható. Ebből kapjuk az előző tétel alábbi következményét, amely könnyebben ellenőrizhető feltételt ad a komplex függvény differenciálhatóságára Következmény. Legyen T C nyílt halmaz, az f : T C függvény (4.) alakú, ahol az u és v függvények folytonosan parciálisan differenciálhatók mindkét változójuk szerint a T halmazon. Ekkor f akkor és csak akkor differenciálható a T halmazon, ha a (4.6) Cauchy Riemann-féle egyenletek teljesülnek minden (x 0, y 0 ) T -re. Vezessük be a következő elnevezéseket: 4.5. Definíció. Legyen T C tartomány. Ha az f : T C függvény differenciálható a z 0 T pontban, akkor a függvényt a z 0 pontban holomorfnak (vagy regulárisnak) hívjuk. Ha f a T tartomány minden pontjában differenciálható, akkor azt mondjuk, hogy f a T tartományon holomorf (reguláris). Ha az f függvény a z 0 pontban nem differenciálható, akkor az f függvényt a z 0 pontban szingulárisnak nevezzük, a z 0 pontot pedig szinguláris pontnak hívjuk. A z 0 pontot izolált szinguláris pontnak hívjuk, ha az f függvény a z 0 -ban szinguláris, de van a z 0 -nak olyan környezete, amelyben a z 0 pont kivételével minden pontban holomorf Példa. Tekintsük az f(z) = e z függvényt. Erre f(z) = e z = e x+iy = e x e iy = e x cos y + ie x sin y, ezért u(x, y) = e x cos y és v(x, y) = e x sin y. Ezért kapjuk, hogy u x (x, y) = ex cos y = v y (x, y) és u y (x, y) = ex sin y = v (x, y), x azaz u és v teljesítik a Cauchy Riemann-egyenleteket. Másrészt u és v folytonosan parciálisan differenciálhatók, ezért a 4.4. Következmény szerint f holomorf az egész komplex számsíkon és f (z) = u v (x, y) + i x x (x, y) = ex cos y + ie x sin y = e z.

5 96 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/ Példa. Legyen T = C \ {0} nyílt halmaz, és tekintsük az f : T C, f(z) = z függvényt. Ennek nyilván a z 0 = 0 pont szinguláris pontja, hiszen ebben nincs is definiálva a függvény, így itt nem is lehet differenciálható. Az f valós és képzetes részét kiszámítva kapjuk azaz u(x, y) = f(z) = z z z = x x 2 + y 2 i y x 2 + y 2, x x 2 + y 2 és v(x, y) = y x 2 + y 2. Az u és v függvények az R 2 \{(0, 0)} halmazon folytonosan parciálisan differenciálhatók mindkét változójuk szerint, és u x = (x2 + y 2 ) x(2x) (x 2 + y 2 ) 2 = y2 x 2 (x 2 + y 2 ) 2, u y = 2xy (x 2 + y 2 ) 2, v x = 2xy (x 2 + y 2 ) 2 = 2xy (x 2 + y 2 ) 2, v y = + y 2 ) y(2y) (x2 (x 2 + y 2 ) 2 = y2 x 2 (x 2 + y 2 ) 2, ezért a Cauchy Riemann-egyenletek teljesülnek minden (x 0, y 0 ) (0, 0)-ra. Ezért az f függvénynek a z = 0 izolált szinguláris helye, és bármely z 0-ra f (z) = y2 x 2 (x 2 + y 2 ) 2 i 2xy (x 2 + y 2 ) 2 = z2 z 4 = z 2. Megmutatható, hogy a valós függvényekre levezetett összeg, szorzat, hányados, összetett függvényekre vonatkozó differenciálási szabályok és az elemi függvények deriváltjaira vonatkozó azonosságok mind teljesülnek a megfelelő komplex függvényekre is. Például (z n ) = nz n, (cos z) = sin z, (sin z) = cos z Néhány alapfogalom Egy T nyílt halmazt összefüggőnek nevezünk, ha T bármely két pontja összeköthető olyan töröttvonallal, amely a T halmazban halad. A T halmazt tartománynak hívjuk, ha összefüggő és nyílt halmaz. Legyen g : [α, β] C folytonos függvény. A = {g(t): t [α, β]} komplex síkbeli halmazt görbének, a g függvényt a görbe paraméterezésének nevezzük. (Természetesen egy görbe vonalat definiálhatunk a komplex síkban a fenti paraméteres előállítás nélkül is.) Legyen g(t) = x(t) + iy(t), ahol x(t) = Re(g(t)) és y(t) = Im(g(t)). Ekkor a komplex görbét azonosíthatjuk a valós R 2 síkbeli (x(t), y(t)), t [α, β] paraméterezésű görbével. A görbe vonalat egyszerűnek nevezzük, ha nem metszi át saját magát. Egyszerű görbe. Nem egyszerű görbe.

6 4. A komplex függvénytan elemei 97 A görbét irányított görbének nevezzük, ha megadjuk a kezdőpontját és a végpontját. (Szemléletesen fogalmazva ezzel megadtuk a görbe bejárási irányát.) A görbe paraméterezése meghatároz egy irányítást és egy rendezést is a görbén. A görbe kezdőpontján az a = g(α), végpontján pedig a b = g(β) pontot értjük. Azt mondjuk, hogy zárt görbe, ha a kiindulási pontja egybeesik a végpontjával, azaz a = b. Ha a irányított görbe irányítását megcseréljük, akkor a kapott görbét -vel jelöljük. Ha paraméterezése g : [α, β] C, akkor egy lehetséges paraméterezése a g : [0, ] C, g(t) = g(β + t(α β)) függvény. a b a b görbe. görbe. A paraméterezés által generált rendezést a görbén úgy definiáljuk, hogy g(t ) g(t 2 ), ha t < t 2. Ha hangsúlyozni szeretnénk, hogy a rendezést a pontok között a görbe definiálja, akkor a relációra a jelölést használjuk. A görbe egy P beosztásán egy P = {a = z 0 z z n = b} monoton sorozatot értünk, azaz olyan véges sok pontot a görbén, amelyek az irányítás szerinti rendezés értelmében monoton növekvőek Definíció. A C komplex sík egy görbéjét rektifikálhatónak (más szóval mérhetőnek) nevezzük, ha a tetszés szerinti P = {a = z 0 z z n = b} beosztásának osztópontjait összekötő töröttvonal (húrpoligon) hossza, azaz n z k+ z k egy a beosztástól független korlát alatt marad. Egy rektifikálható görbe ívhosszán, amelyet l()-vel jelölünk, a beírt húrpoligonok hosszának legkisebb felső korlátját értjük, azaz n l() = sup z k+ z k, P ahol a supremumot az összes lehetséges beosztásra vesszük. A görbét símának nevezzük, ha a görbének van olyan g : [α, β] C paraméterezése, amely folytonosan differenciálható. A valós esetre visszavezetve megmutatjuk, hogy egy síma görbe mindig rektifikálható, és ekkor megadjuk a görbe ívhosszának kiszámolási szabályát Tétel. Legyen egy síma (komplex) görbe, amelynek paraméterezése g : [α, β] C folytonosan differenciálható. Ekkor rektifikálható, és l() = β α g (t) dt. Bizonyítás: Legyen g(t) = x(t) + iy(t) a normál alakja g-nek, azaz x(t) = Re g(t), y(t) = Im g(t). A komplex síkbeli görbét azonosíthatjuk azzal a valós síkbeli görbével, amelynek paraméterezése g : [α, β] R 2, g(t) = (x(t), y(t)). Ekkor a valós esetre ismert eredmény szerint rektifikálható, továbbá l() = l( ) = β α g (t) dt = β α β (x (t)) 2 + (y (t)) 2 dt = x (t) + iy (t) dt = α β α g (t) dt.

7 98 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 Egy egyszerű zárt görbe vonalat pozitív irányításúnak nevezünk, ha irányításának megfelelő körbejárásakor a görbe belseje bal kezünk felé, negatív irányításúnak, ha jobb kezünk felé esik. Más szóval a pozitív irányítás az óramutató járásával ellentétes irányítás. Pozitív irányítású görbe. Negatív irányítású görbe. Szemléletünk alapján egy egyszerű zárt görbe a komplex síkot egy korlátos és egy nem korlátos tartományra osztja, amelyekhez az egyszerű zárt görbe pontjait nem számítjuk hozzá. Ezeknek a tartományoknak nincsenek közös pontjai. Ennek az intuitív ténynek, amit Jordanféle tételnek neveznek, a precíz bizonyítása nem túl egyszerű, ezért ezzel nem foglalkozunk. A korlátos tartomány pontjait a görbe vonal belsejének, a nem korlátos tartomány pontjait a görbe vonal külsejének nevezzük. Egy tartományt egyszeresen összefüggőnek nevezünk, ha bármely benne haladó egyszerű zárt görbe belseje is teljesen a tartományban fekszik. Egyszeresen összefüggő tartomány. Nem egyszeresen összefüggő tartomány Komplex Taylor-sor Legyen (c n ) komplex számok sorozata, z 0 C rögzített. Ekkor a c k (z z 0 ) k = c 0 + c (z z 0 ) + + c k (z z 0 ) k + sort hatványsornak, pontosabban z 0 körüli hatványsor nevezzük. A valós hatványsorokra ismert állítások (kivéve a monotonitási feltételeket használó eredményeket) triviális módon kiterjeszthetők komplex hatványsorokra is, mégpedig a bizonyítást triviálisan megismételve úgy, hogy komplex abszolút értéket használunk valós abszolút érték helyett. Kiemelünk néhány fontosabb eredményt Tétel (Cauchy Hadamard-féle tétel). Legyen k lim k 0 < lim ck <, ck k + k + k ρ = 0, lim ck =, k + +, lim k + k ck = 0.

8 4. A komplex függvénytan elemei 99 Ha z z 0 < ρ, akkor a hatványsor abszolút konvergens, ha pedig z z 0 > ρ, akkor a hatványsor divergens. A hatványsor egyenletesen konvergens a konvergenciatartományának minden korlátos, zárt részhalmazán. A ρ számot a hatványsor konvergenciasugarának nevezzük. 4.. Tétel. Legyen ρ > 0 a c k (z z 0 ) k hatványsor konvergenciasugara, és legyen z z 0 < ρ. Ekkor az f (z) = c k (z z 0 ) k (4.2) hatványsor a z z 0 < ρ konvergencia tartományon belül akárhányszor differenciálható, és f (n) (z) = k(k ) (k n + )c k (z z 0 ) k n, z z 0 < ρ. k=n 4.2. Következmény. Ha f (4.2) alakú, ahol ρ > 0, akkor f holomorf függvény, sőt f akárhányszor differenciálható a konvergenciatartományán belül, és a összefüggések teljesülnek. c n = f (n) (z 0 ), n = 0,,... n! 4.3. Példa. A valós esetre vonatkozó állítások komplex esetre kiterjesztésével megmutatható, hogy az e z = z k k!, sin z = ( ) k z 2k+ (2k + )!, cos z = ( ) k z2k (2k)!, és a hatványsorok az egész komplex számsíkon konvergensek Komplex függvények görbe menti integrálja Legyen T C tartomány, egy rekfitikálható irányított görbe a T tartományban, amelynek kezdőpontja a, végpontja b, és legyen g : [α, β] C a görbe egy paraméterezése. Legyen f : T C folytonos függvény T -n. Tekintsük a görbe egy P = {a = z 0 z z n = b} beosztását, azaz olyan véges sok pontot a görbén, amelyek az irányítás szerinti rendezés értelmében monoton növekvőek. A görbe z k és z k+ pontja közötti ívét z k z k+ jelöli, a beosztás finomsága alatt a P def = sup{l( z k z k+ ): k = 0,..., n } számot értjük. Válasszunk ki minden egyes ívdarabból egy közbülső ξ k z k z k+ pontot, ezeket röviden jelölje ξ = (ξ 0,..., ξ n ).

9 00 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/ Definíció. Tekintsük az S(f, ξ, P ) def = n f(ξ k )(z k+ z k ) közelítő összeget. Ha létezik olyan I szám, hogy bármely ε > 0-hoz létezik olyan δ > 0, hogy ha P < δ, akkor bármely ξ közbülső pontrendszerre S(f, ξ, P ) I < ε, akkor az f függvény a görbe mentén integrálható, és az I számot az f függvény görbe mentén vett integráljának nevezzük és f(z) dz-vel jelöljük. Ha a görbe zárt, akkor az integrálra az f(z) dz jelölést is használjuk. A görbe mentén integrálható komplex függvényeket L()-vel jelöljük Példa. Tekintsük az f(z) = c konstans függvényt. Legyen a ill. b a görbe kezdő- ill. végpontja. Ekkor tetszőleges P beosztásra és ξ közbülső pontrendszerre azaz n S(f, ξ, P ) = c (z k+ z k ) = c(b a), c dz = c(b a) Tétel. Legyen T C tartomány, egy rekfitikálható irányított görbe a T tartományban, f : T C folytonos függvény. Ekkor az f függvény a görbe mentén integrálható. Bizonyítás: Hasonlóan történik a Riemann-féle integráloknál látottakhoz, felhasználva, hogy f folytonos és így egyenletesen is folytonos -n. Legyen és 2 két olyan görbe, hogy a végpontja megegyezik 2 kezdőpontjával. Ekkor a és 2 összefűzésével kapott görbét + 2 -vel jelöljük. A irányított görbén megcserélve az irányítást, a kapott görbét -vel jelöljük. A görbe menti integrál néhány tulajdonsága: 4.7. Állítás. Legyen T C tartomány,,, 2 rektifikálható görbék T -ben, f, f, f 2 : T C, c, c 2 C.. Ha f, f 2 L(), akkor c f + c 2 f 2 L(), és (c f + c 2 f 2 ) dz = c f dz + c 2 f 2 dz.

10 4. A komplex függvénytan elemei 0 2. Legyen és 2 olyan görbék, hogy a végpontja megegyezik 2 kezdőpontjával. Tegyük fel, hogy f L( ) és f L( 2 ). Ekkor f L( + 2 ), és f(z) dz = f(z) dz + f(z) dz Ha f L(), akkor f L( ), és f(z) dz = f(z) dz. 4. Ha f L() és f(z) M minden z -re, akkor f(z) dz M l(), ahol l() a ívhossza. 5. Legyen f(z) = u(x, y) + iv(x, y), ahol z = x + iy, legyen a komplex síkbeli görbe R 2 -beli megfeleltetése, azaz ha paraméterezése g(t) = x(t) + iy(t), t [α, β], akkor legyen az (x(t), y(t)), t [α, β] paraméterezéssel meghatározott síkbeli görbe. Ekkor f(z)dz = (udx vdy) + i (vdx + udy), (4.3) ahol a jobb oldalon álló integrálok valós vonalintegrálok. Bizonyítás:. Az állítás következik az S(c f + c 2 f 2, ξ, P ) = c S(f, ξ, P ) + c 2 S(f 2, ξ, P ) összefüggésből, ha P Az f L( + 2 ) reláció bizonyítását nem részletezzük. (Abban az esetben, ha például f folytonos, akkor rögtön következik a 4.6. Tételből. Az általános esetben pedig az 5. pont segítségével a valós vonalintegrálok tulajdonságaira visszavezetve indokolhatjuk.) Az integrálokra vonatkozó azonosságot pedig abból kapjuk, hogy ha P = {z 0 z n } és P = { z 0 z m } a ill. 2 görbe felosztása (ahol tehát z n = z 0 ), ξ = (ξ 0,..., ξ n ) és ξ = ( ξ 0,..., ξ m ) a P ill. P beosztásokhoz tartozó közbülső pontrendszerek, akkor S(f, ξ, P ) + S(f, ξ, P ) az f függvény + 2 görbére vonatkozó integrál közelítő összege, amiből az állítás határátmenettel következik. 3. Legyen P = {z 0 z n } a görbe egy felosztása, ξ = (ξ 0,..., ξ n ) pedig egy a P - hez tartozó közbülső pontrendszer. Ekkor a P = {z n z n, z 0 } pontrendszer a görbe egy beosztása lesz, azon ξ = (ξ n, ξ n 2,..., ξ 0 ) egy közbülső pontrendszer, továbbá S(f, ξ, P ) = S(f, ξ, P ), amiből következik az állítás. 4. Legyen P = {z 0 z n } a görbe egy felosztása, ξ = (ξ 0,..., ξ n ) pedig egy a P -hez tartozó közbülső pontrendszer. Ekkor a háromszög egyenlőtlenséget és l() definícióját felhasználva az n n S(f, ξ, P ) f(ξ k ) z k+ z k M z k+ z k M l() összefüggés adódik, amiből a P 0 határátmenettel kapjuk az állítást. 5. Legyen P = {z 0 z n } a görbe egy felosztása, ξ = (ξ 0,..., ξ n ) pedig egy a P -hez tartozó közbülső pontrendszer. Vezessük be az ξ k = η k + iθ k (k = 0,..., n ) és z k = x k + iy k

11 02 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 (k = 0,..., n) jelöléseket, ahol η k, θ k, x k, y k R. Tegyük fel most, hogy a görbe x(t) + iy(t), t [α, β] paraméterezése olyan, hogy x (t) > 0 és y (t) > 0 ha t (α, β). Mivel z k ξ k z k+, az x és y monotonitása miatt és így az η k [x k, x k+ ] és θ k [y k, y k+ ], k = 0,..., n, S(f, ξ, P ) = = n [u(η k, θ k ) + iv(η k, θ k )][x k+ x k + i(y k+ y k )] n ( ) u(η k, θ k )(x k+ x k ) v(η k, θ k )(y k+ y k ) n ( ) + i v(η k, θ k )(x k+ x k ) + u(η k, θ k )(y k+ y k ), összefüggésből következik az állítás, hiszen a jobb oldalon álló összegek a (4.3) egyenlet jobb oldalán álló valós vonalintegrálok közelítő összegei. Ha a görbe paraméterezésében x (t) és y (t) előjeltartó, akkor az indoklás hasonló. Az általános esetet pedig erre visszavezethetjük úgy, hogy felbontjuk a görbét olyan kis részekre, ahol már teljesül az előbbi feltétel. A részleteket az olvasóra bízzuk. A következő eredmény módszert ad arra, hogyan számíthatjuk ki a komplex integrál értékét Tétel. Legyen T C tartomány, síma görbe T -ben, amelynek paraméteres előállítása a g : [α, β] C folytonosan differenciálható függvény, f : T C integrálható a görbe mentén. Ekkor β f(z) dz = f(g(t))g (t) dt. α Bizonyítás: A 4.7. Állítás 5. pontját (az ott bevezetett jelölésekkel) valamint a valós vonalintegrálok kiszámítására vonatkozó tételt alkalmazva kapjuk f(z) dz = u(x, y)dx v(x, y)dy + i v(x, y)dx + u(x, y)dy β ( ) = u(x(t), y(t))x (t) v(x(t), y(t))y (t) dt = = α β α β α + i β α ( ) v(x(t), y(t))x (t) + u(x(t), y(t))y (t) dt ( u(x(t), y(t)) + iv(x(t), y(t)) f(g(t))g (t) dt. )( ) x (t) + iy (t) dt

12 4. A komplex függvénytan elemei Példa. Számítsuk ki az z z 0 dz integrált, ahol a z 0 körüli r sugarú kör pozitív (azaz az óramutató járásával ellentétes) irányítással. Mivel az egységsugarú origó középpontú kör paraméterezése cos t+i sin t, t [0, 2π], ezért egy lehetséges paraméterezése g(t) = z 0 + r(cos t + i sin t), t [0, 2π]. A 4.8. Tétel szerint tehát 2π dz = r( sin t + i cos t) dt z z 0 r(cos t + i sin t) = = 0 2π 0 2π 0 = 2πi. ( sin t + i cos t)(cos t i sin t) (cos t + i sin t)(cos t i sin t) i dt dt A következő tétel a valós esetben ismert Newton Leibniz-formula komplex integrálokra vonatkozó megfelelője Tétel. Tegyük fel, hogy az f : T C függvénynek létezik az F primitív függvénye T -n, azaz F : T C, amelyre F (z) = f(z), z T. Legyen síma görbe, amelynek az a és b pont a kezdő- ill. végpontja. Ekkor f(z) dz = F (b) F (a). Bizonyítás: Legyen g : [α, β] C a folytonosan differenciálható paraméterezése. Ekkor a 4.8. Tétel és az összetett függvény deriválási szabálya szerint β β f(z) dz = f(g(t))g d ( ) (t) dt = F (g(t)) dt = F (g(β)) F (g(α)) = F (b) F (a). C α α dt 4.2. Következmény. Tegyük fel, hogy az f : T C függvénynek létezik az F primitív függvénye T -n, egy egyszerű zárt görbe T -ben. Ekkor f(z) dz = Példa. Számítsuk ki az (z 2 3z + 2) dz integrált, ahol paraméteres előállítása g(t) = cos 3t + i sin 5t, t [0, π/2]! A görbe kezdőpontja g(0) =, végpontja pedig g(π/2) = i. Ezért primitív függvényt számítva kapjuk, hogy [ ] z (z 2 3 i 3z + 2) dz = 3 3z z = i.

13 04 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/ A Cauchy-féle integráltétel és következményei Az egész szakaszban feltesszük, hogy T C egy tartomány, f : T C holomorf T -n. Elsőnek tekintsük a komplex függvénytan egyik alaptételét, a Cauchy-féle integráltételt bizonyítás nélkül Tétel (Cauchy-féle integráltétel). Legyen T C egyszeresen összefüggő tartomány, f : T C holomorf függvény, a T belsejében haladó (nem szükségszerűen egyszerű) zárt rektifikálható görbe. Ekkor f(z) dz = 0. Megjegyezzük, hogy ha T nem egyszeresen összefüggő, akkor a zárt görbe menti integrál általában nem 0 (lásd a 4.9. Példát). Szükségünk lesz a következő fogalmakra Definíció. Legyen egy zárt görbe, amely teljes egészében a T tartományban halad. Azt mondjuk, hogy a T -ben egy pontra összehúzható, ha a T tartománynak van olyan egyszeresen összefüggő T résztartománya, amely -t belsejével együtt tartalmazza. Legyen és 2 adott görbék T -ben, amelyek azonos pontból indulnak és közös végpontjuk van. Ha a görbe kezdőpontjától a végpontjáig haladunk a mentén, majd a végpontból a 2 görbe mentén fordított irányban visszamegyünk a kezdőpontig, akkor a 2 -vel jelölt zárt görbét kapjuk. Azt mondjuk, hogy és 2 a T -n belül egymásba deformálhatók, ha az általuk definiált 2 zárt görbe egy pontra húzható össze. (Lásd az alábbi ábrát, ahol a satírozott tartomány nem tartozik hozzá T -hez.) T 2 b a Ezek után rátérünk a Cauchy-féle integráltétel következményeire Következmény. Legyen T C tartomány, f : T C holomorf függvény. Ha és 2 olyan T -beli egymásba deformálható rektifikálható görbék, amelyek azonos kezdőpontból indulnak és azonos a végpontjuk is, akkor f(z) dz = f(z) dz. 2 Bizonyítás: Tekintsük a 2 görbét. Mivel és 2 egymásba deformálhatók, ezért létezik olyan T T tartomány, amely tartalmazza 2 -t. De ekkor a Cauchy-féle integráltétel és az integrál tulajdonságai szerint 0 = f(z) dz = f(z) dz f(z) dz. 2 2

14 4. A komplex függvénytan elemei Következmény. Az egyszeresen összefüggő T tartományban holomorf függvény T -ben haladó görbék menti integráljának értéke csupán a kezdő és végpontoktól függ, az integrációs utat közöttük szabadon választhatjuk a T -n belül, minden esetben ugyanazt az integrál értéket kapjuk Állítás. Legyenek,,..., n rektifikálható egyszerű zárt görbék. Tegyük fel, hogy a,..., n görbék mindegyike a belsejében halad, de egymásnak a külsejében vannak. Tegyük fel, hogy az a halmaz, amely pontjai a zárt görbe belsejének és a,..., n zárt görbék külsejének metszetéből áll, része az f C C függvény holomorfitási tartományának. Ekkor f(z) dz = f(z) dz + + f(z) dz. n Bizonyítás: A bizonyítást a következő ábrán látható esetre részletezzük (az általános eset ennek mintájára kezelhető), amikor az f függvény T holomorfitási tartománya nem egyszeresen öszefüggő (a 3 satírozott tartomány nem tartozik hozzá T -hez), és a görbe megkerüli ezt a 3 kimaradt részt. Fogjuk körbe az ábrán látható módon ezt a 3 tartományt a, 2 és 3 zárt görbékkel, amelyek irányítása megegyezik irányításával. 3 f 2 d b c T e a A, 2, 3 és a görbéket kössük össze az ábrán látható ab, cd és ef szakaszok segítségével. Legyen C az az irányított zárt görbe, amelyet úgy kapunk, hogy az a pontból indulva a görbe mentén a c pontig haladunk, onnan a szakasz mentén a d pontba, majd a 2 görbe mentén körbe megyünk a d pontig, majd vissza a c pontba. Innen tovább haladunk a görbe mentén az e pontba, onnan a szakasz mentén az f pontba, a 2 görbén vissza az f pontban jutunk. Onnan az a-ba, majd a b pontba, innen a görbe mentén vissza b-be, és végül vissza a-ba. Ekkor egy zárt görbét kaptunk, amelynek belsejébe eső minden pont hozzá tartozik a T -hez, azaz az f holomorfitási tartományához, így a Cauchy-tétel szerint C f(z) dz = 0. Másrészt ha a C görbe menti integrálást felbontjuk az egyes részgörbéken vett integrálok összegére, akkor könnyen látható, hogy 0 = f(z) dz = C f(z) dz f(z) dz f(z) dz f(z) dz, 2 3 hiszen az ab, cd és az ef szakaszokon mindkét irányban integrálunk, így azok kiejtik egymást. Az előbbi állítás speciális eseteként megfogalmazhatjuk a komplex integrál következő tulajdonságát: Állítás. Legyen f : T C holomorf, és legyen és 2 két egyszerű, azonos irányítású zárt görbe T -ben, amelyre 2 közrefogja -et, és a két görbe közötti tartomány hozzá tartozik T -hez. (Lásd az alábbi ábrát.) Ekkor f(z) dz = f(z) dz. 2

15 06 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/ A Cauchy-féle integráltétel általánosítása: Tétel (Riemann). Ha az f komplex függvény holomorf a T \ {z 0 } tartományban, és van a z 0 pontnak olyan ρ sugarú K ρ (z 0 ) T környezete, hogy akkor f(z) M, z K ρ (z 0 ), z z 0, f(z) dz = 0 teljesül minden olyan egyszerű zárt rektifikálható görbére, amely belsejével együtt T -ben fekszik (függetlenül attól, hogy megkerüli-e z 0 -t vagy sem). Bizonyítás: Legyen 0 < ε < ρ, és legyen C ε az origó középpontú ε sugarú kör. Ekkor a Állítást, valamint a 4.7. Állítás 4. pontját felhasználva f(z) dz C = f(z) dz M2πε. ε Ekkor az ε 0+ határértéket véve kapjuk az állítást Tétel (Cauchy-féle integrálformula). Ha f : T C holomorf a T tartományon, akkor f(z 0 ) = f(z) dz 2πi z z 0 minden olyan egyszerű, pozitív irányítású zárt görbére, amely belsejével együtt benne van T -ben, és amely a z 0 pontot a belsejében tartalmazza. Bizonyítás: A feltétel szerint f differenciálható z 0 -ban, ezért annak egy környezetében az f(z) f(z 0 ) z z 0 differenciahányados függvény korlátos lesz z 0 egy r sugarú zárt környezetében. Legyen C r (z 0 ) a z 0 középpontú r sugarú kör pozitív irányítással, amely szintén benne van a T tartományban. De ekkor a Állítás és a Tétel alapján f(z) f(z 0 ) f(z) f(z 0 ) f(z) 0 = dz = dz dz = dz f(z 0 ) dz, z z 0 z z 0 z z 0 z z 0 C r(z 0 ) z z 0 amiből következik az állítás, hiszen a 4.9. Példa szerint C r(z 0 ) z z 0 dz = 2πi Példa. Számítsuk ki az e sin iz z πi dz

16 4. A komplex függvénytan elemei 07 integrált, ahol a πi pontot a belsejében tartalmazó pozitív irányítású egyszerű zárt görbe! Az integrandusnak a z 0 = iπ pont az egyetlen szinguláris pontja, ezért a Cauchy-féle integrálformula szerint esin iz z πi dz = 2πiesin i2π = 2πi Holomorf függvények Taylor-sorba fejtése Tétel. Legyen T C tartomány, f : T C holomorf függvény. Ekkor f akárhányszor differenciálható a T tartományon, és bármely z 0 T -re f(z) = f(z 0 ) + f (z 0 )! (z z 0 ) + f (z 0 ) 2! ahol r > 0 olyan, hogy K r (z 0 ) def = {z C: z z 0 < r} T. (z z 0 ) f (n) (z 0 ) (z z 0 ) n +, z K r (z 0 ), n! (4.4) Bizonyítás: Legyen z 0 T, és legyen r > 0 olyan, hogy K r (z 0 ) T. (Ilyen r > 0 létezik, mivel T nyílt.) Legyen z K r (z 0 ) rögzített. Legyen ρ olyan, hogy z z 0 < ρ < r, és legyen C ρ (z 0 ) = {z : z z 0 = ρ}. Ekkor C ρ (z 0 ) K r (z 0 ) T. r ρ z 0 C ρ K r z w Legyen w C ρ (z 0 ), ekkor így a geometriai sor azonosságát alkalmazva z z 0 w z 0 = z z 0 <, ρ w z = (w z 0 ) (z z 0 ) = w z 0 z z = 0 w z 0 (z z 0 ) n (w z 0 ) n+. Mivel a geometriai sor a konvergenciatartományának zárt részhalmazán egyenletesen konvergens, ezért megmutatható, hogy a f(w) (w z 0 ) n+ végtelen sor is egyenletesen konvergens a w C ρ (z 0 ) görbén, így tagonként integrálható. Cauchy-féle integrálformula alapján ezért f(z) = f(w) 2πi w z dw C ρ A

17 08 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 = 2πi C ρ = 2πi f(w)(z z 0 ) n (w z 0 ) n+ dw (z z 0 ) n C ρ f(w) dw. (w z 0 ) n+ Ezzel beláttuk, hogy az f függvény c n(z z 0 ) n alakú hatványsorba fejthető, ahol c n = f(w) dw. 2πi (w z 0 ) n+ A 4.2. Következmény szerint f akárhányszor differenciálható, és C ρ c n = f (n) (z 0 ). n! Ezzel a (4.4) összefüggést igazoltuk. Az előző tétel bizonyításából és a Állításból rögtön következik: Tétel (Általános Cauchy-féle integrálformula). Ha f : T C holomorf a T tartományon, akkor f akárhányszor differenciálható T -n, és f (n) (z 0 ) = n! f(z) dz 2πi (z z 0 ) n+ minden olyan egyszerű, pozitív irányítású zárt görbére, amely belsejével együtt benne van T -ben, és amely a z 0 pontot a belsejében tartalmazza Példa. Számítsuk ki az esin iz (z πi) 2 dz integrált, ahol pozitív irányítású egyszerű zárt görbe, amely a πi pontot a belsejében tartalmazza! Legyen f(z) = e sin iz. Ekkor f (z) = ie sin iz cos iz, ezért az általános Cauchy-féle integrálformula szerint esin iz 2πi dz = (z πi) 2! f (πi) = 2πi 2 e sin i2π cos i 2 π = 2π A Laurent-sor és a reziduum-tétel Megmutatjuk, hogy izolált szinguláris pontok egy kis környezetében is végtelen sorba fejthető egy komplex függvény, de ekkor negatív kitevős hatványok is szerepelhetnek a végtelen sorban.

18 4. A komplex függvénytan elemei Tétel. Legyen T C tartomány, z 0 T, f : (T \ {z 0 }) C holomorf a T \ {z 0 } halmazon. Ekkor f(z) = c n (z z 0 ) n, 0 < z z 0 < r, (4.5) n= ahol r > 0 olyan, hogy K r (z 0 ) def = {z C: z z 0 < r} T, továbbá c n = f(z) dz, n Z, (4.6) 2πi (z z 0 ) n+ ahol olyan T -ben haladó egyszerű zárt görbe, amely a z 0 pontot pozitív irányban megkerüli. Bizonyítás: Rögzítsünk egy z pontot, amelyre 0 < z z 0 < r. Legyen r és r 2 olyan, hogy 0 < r < z z 0 < r 2 < r, és legyen C j (z 0 ) = {z : z z 0 = r j } (j =, 2) pozitív irányítással, legyen ab a C és C 2 köröket összekötő szakasz, amely nem megy át a z 0 ponton (lásd az alábbi ábrán). C 2 K r C T a b z 0 z Ekkor legyen C az a zárt egyszerű görbe, amelyet úgy kapunk, hogy az a pontból a C 2 mentén elmegyünk körbe az a-ba, onnan a szakasz mentén a b-be, onnan a C mentén a b-be, majd vissza az a-ba: C = C 2 + ab C ab. Ekkor a z pontot a C pozitív irányban kerüli meg. A Cauchy-féle integrálformula és az integrál tulajdonságai szerint f(z) = 2πi C f(w) w z dw = 2πi Legyen w C 2 (z 0 ). Ekkor a feltételek szerint ezért C 2 f(w) w z dw 2πi z z 0 w z 0 = z z 0 <, r 2 w z = (w z 0 ) (z z 0 ) = w z 0 z z 0 w z 0 = Hasonlóan, ha w C (z 0 ), akkor w z 0 z z 0 = r z z 0 <, C f(w) w z dw. (z z 0 ) n (w z 0 ) n+. ezért w z = (w z 0 ) (z z 0 ) = z z 0 w z 0 z z 0 = (w z 0 ) n (z z 0 ) n+.

19 0 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 Megmutatható, hogy ekkor a f(w)(z z 0 ) n (w z 0 ) n+ és f(w)(w z 0 ) n (z z 0 ) n+ végtelen sorok egyenletesen konvergensek a w C 2 (z 0 ) ill. w C (z 0 ) körökön, ezért az integrálás és a határátmenet felcserélhető. Ekkor kapjuk, hogy f(z) = 2πi = 2πi (z z 0 ) n (z z 0 ) n C 2 C 2 f(w) dw + (w z 0 ) n+ 2πi f(w) dw + (w z 0 ) n+ 2πi n= (z z 0 ) n+ f(w)(w z 0 ) n dw C (z z 0 ) n C f(w) dw, (w z 0 ) n+ azaz (4.5) teljesül a és c n = 2πi C 2 c n = 2πi C f(z) dz, n = 0,,... (z z 0 ) n+ f(z) dz, n =, 2,... (z z 0 ) n+ együtthatókkal. De ebből a Állítás szerint következnek a (4.6) képletek, hiszen C és C 2 is a görbébe deformálható. Az f függvény (4.5) alakú sorfejtését az f függvény Laurent-sorának hívjuk. A Laurent-sor fogalma segítségével osztályozhatjuk a szinguláris pontokat. Legyen z 0 izolált szinguláris pontja f-nek. Ekkor z 0 egy kis környezetében Laurent-sorba fejthető az f függvény. Három esetet különböztetünk meg:. A Laurent sorban minden c n = 0, ha n negatív, azaz f(z) = c 0 + c (z z 0 ) + c 2 (z z 0 ) 2 +, 0 < z z 0 < r alakú. Ekkor f kiterjeszthető z 0 -ra az f(z 0 ) = c 0 értékkel, és a kiterjesztett függvény holomorf lesz z 0 egy kis környezetében. Ebben az esetben a z 0 pontot megszüntethető szinguláris pontnak nevezzük. 2. A Laurent-sorban csak véges sok negatív indexű együttható nem nulla, azaz f(z) = c k (z z 0 ) k + + c 0 + c (z z 0 ) + c 2 (z z 0 ) 2 +, 0 < z z 0 < r alakú, ahol c k 0. Ekkor a z 0 pontot k-adrendű pólusnak nevezzük. 3. A Laurent-sorban végtelen sok negatív indexű tag együtthatója nem nulla. Ekkor z 0 -t lényeges szinguláris pontnak hívjuk. A definícióból könnyen igazolható: Állítás. Az f függvénynek a z 0 izolált szinguláris pontja k-adrendű pólus, akkor és csak akkor, ha f(z) = g(z) (z z 0 ) k alakú, ahol g holomorf függvény a z 0 egy kis környezetében.

20 4. A komplex függvénytan elemei Példa. Számítsuk ki az f(z) = z + 3i z 2 + függvény z 0 = i körüli Laurent-sorát! Parciális törtekre bontással kapjuk, hogy z + 3i z 2 + = z + 3i (z + i)(z i) = A z + i + B z i, ahol A = és B = 2. A geometriai sor összegképletét alkalmazva kapjuk, hogy 2 z i = 2 z + i 2i = i z+i 2i = i ( ) z + i n, 2i ahol a sor konvergens, ha z + i < 2. Így az f függvény z 0 = i körüli Laurent-sora z + 3i z 2 + = z + i + i ( ) z + i n, 0 < z + i < 2. 2i Hasonló módon kiszámítható, hogy az f függvény i körüli Laurent-sora z + 3i z 2 + = 2 z i + 2i ( z i ) n, 0 < z i < 2. 2i A (4.5) Laurent-sorban a c együttható kitüntetett jelentőségű, hiszen f(z) dz = 2πic. Azaz, ha ismerjük c -et, akkor a fenti képlettel kiszámítható a görbe menti integrál. A c számot az f függvény z 0 pontjához tartozó reziduumának nevezzük és Res(f, z 0 )-lal jelöljük. A Állítás szerint ha egy egyszerű zárt görbe az f függvény z,..., z m izolált szinguláris pontjait tartalmazza, akkor a z i pontot egy kis r i sugarú pozitív irányítású C i körrel körbevesszük, úgy, hogy C i benne van a belsejében és a C i kör belsejében már csak z i az egyetlen szinguláris pont, akkor a görbe menti integrál egyenlő a C i görbe menti integrálok összegével. Ezeket viszont a fenti képlet szerint a függvény reziduuma segítségével kiszámíthatjuk. Kapjuk tehát a következő tételt: Tétel (Reziduum-tétel). Legyen f : T C holomorf a T -ben a z,..., z m pontok kivételével, egy egyszerű pozitív irányítású zárt görbe T -ben, amely belsejében tartalmazza a z,..., z m szinguláris pontokat. Ekkor f(z) dz = 2πi m Res(f, z i ). i= Példa. Számítsuk ki az z + 3i z 2 + dz

21 2 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 integrált, ahol az + 2i, + 2i, 2i és 2i pontokat összekötő pozitív irányítású zárt görbe! Jelölje f(z) = z+3i. Vegyük észre, hogy tartalmazza az i és i pontokat, az f z 2 + függvény szinguláris pontjait. Ezért a reziduum-tétel szerint z + 3i ( ) z 2 + dz = 2πi Res(f, i) + Res(f, i). A Példában levezetett Laurent-sorokból leolvasható, hogy Res(f, i) = 2 és Res(f, i) =, tehát z + 3i z 2 dz = 2πi. + A következő speciális alakú függvényekre könnyű reziduumot számolni: Állítás. Legyen g, h: T C holomorf, z 0 T olyan, hogy h(z 0 ) = 0 és h (z 0 ) 0. Ekkor ( ) g(z) Res h(z), z 0 = g(z 0) h (z 0 ). (4.7) Bizonyítás: Legyen f(z) def = (z z 0 ) g(z) h(z). Ekkor lim f(z) = lim (z z 0 ) g(z) z z 0 z z0 h(z) = lim z z 0 g(z) = g(z 0) h(z) h(z 0 ) h (z 0 ), z z 0 azaz az f függvénynek megszüntethető szingularitása van z 0 -ban. De ekkor a g(z) h(z) függvénynek z 0 elsőrendű pólusa, és (4.7) teljesül Példa. Számítsuk ki a (4.7) formula segítségével az f(z) = z + 3i z 2 + függvény reziduumait i-ben és i-ben. Mivel most g(z) = z + 3i, h(z) = z 2 + és h (z) = 2z, ezért Res(f, i) = g(i) h (i) = 4i g( i) = 2 és Res(f, i) = 2i h ( i) = 2i 2i =. k-adrendű pólusok esetében is könnyen kiszámítható a reziduum értéke.

22 4. A komplex függvénytan elemei Állítás. Legyen z 0 k-adrendű pólusa az f függvénynek. Ekkor ahol g(z) = (z z 0 ) k f(z). Bizonyítás: Ha z 0 k-adrendű pólus, akkor Res(f, z 0 ) = gk (z 0 ) (k )!, f(z) = c k (z z 0 ) k + + c (z z 0 ) + c 0 + c (z z 0 ) + alakú, ezért g(z) = c k + c k+ (z z 0 ) + + c (z z 0 ) k +. Ebből rögtön következik az állítás a 4.2. Következményt használva Példa. Számítsuk ki az f(z) = sin 2z (z i) 3 függvény reziduumát i-ben! Az i pontban f-nek harmadrendű pólusa van, ezért legyen g(z) = (z i) 3 f(z) = sin 2z. Ekkor Res(f, i) = g(2) (i) 2 = 4 sin 2i 2 = 2 sin 2i Alkalmazások valós integrálok kiszámítására Néhány példán keresztül megmutatjuk, hogy bizonyos esetekben valós integrálok kiszámíthatók komplex integrálok segítségével. Tekintsük először az I = 2π 0 R(cos t, sin t) dt integrált, ahol R(u, v) egy kétváltozós racionális tört! A cos t = eit + e it 2 Euler-formulákat behelyttesítve az integranduszba 2π ( e it + e it I = R, eit e it ) dt = 2 2i 0 és 2π 0 sin t = eit e it 2i ( e it ie it R + e it, eit e it ) ie it dt 2 2i alakban írható fel. Ez utóbbi alakot viszont tekinthetjük úgy is, mint az ( z + z I = iz R, z ) z dz 2 2i komplex integrál paraméterezését, ahol az origó középpontú egységsugarú kör, és a kör paraméterezése z = e it, t [0, 2π]. A zárt görbe menti integrált pedig kiszámíthatjuk a reziduumtételt alkalmazva.

23 4 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/ Példa. Nézzük például az integrált! Most ezért I = 2π 0 cos 2 t + sin t + cos t + 2 R(u, v) = u2 + v +, u + 2 dt f(z) := ( z + z iz R, z ) z = 2 2i iz Az f függvény szinguláris pontjai ( z+z 2 ) 2 + z z 2i + z+z z = 0, z 2 = 2 + 3, z 3 = 2 3, amelyek közül z és z 2 esik az egységsugarú kör belsejébe, így ( ) I = 2πi Res(f, z ) + Res(f, z 2 ). = iz4 + 2z 3 + 6iz 2 2z + i 2z 2 (z z + ) Számítsuk ki a reziduumokat! z = 0 másodrendű pólus, ezért a Állítást alkalmazva Res(f, z ) = d dz ( iz4 + 2z 3 + 6iz 2 ) 2z + i 2(z 2 + 4z + ) z=0 = iz5 + 2iz 3 + 6iz 4 + 5iz + 2iz 2 + z 4 + 4z 2 + 8z 3 2i (z 2 + 4z + ) 2 = + 2i. A második reziduumot a Állítás segítségével kapjuk: Res(f, z 2 ) = iz4 + 2z 3 + 6iz 2 2z + i 2z 2 (2z + 4) = 35i 3 60i ( 2 + 3) 2. z= 2+ 3 z=0 Az integrál tehát ( I = 2πi + 2i 35i 3 60i ( 2 + 3) 2 ) = 2π( ) 3( 2 + 3) Tegyük fel most, hogy az integrált szeretnénk kiszámítani, ahol r(x) dx r(x) = p(x) q(x)

24 4. A komplex függvénytan elemei 5 alakú (valós) racionális tört függvény. Tegyük fel, hogy q-nak nincs valós gyöke, és q fokszáma legalább kettővel nagyobb, mint p fokszáma. Az r(z) komplex függvénynek a feltételek szerint nincs szinguláris pontja a valós tengelyen, és ha w egy szinguláris pontja r-nek (azaz gyöke q-nak), akkor w is az. Azaz a szinguláris pontok a valós tengelyre szimmetrikusan helyezkednek el. Legyenek z, z,..., z n, z n az összes szinguláris pontja r-nek. Legyen R olyan nagy, hogy az origó középpontú R-sugarú kör minden szinguláris pontot a belsejében tartalmaz. Jelölje S az R-sugarú, origó középpontú kör felső félkörét pozitív irányítással, legyen L a [ R, R] intervallum, és legyen C = S + L: z z 2 z n S R L R Ekkor a reziduum-tétel szerint r(z) dz = C S r(z) dz + L n r(z) dz = 2πi Res(r, z j ). j= A feltétel szerint z 2 p(z) q(z) korlátos a z R tartományon, azaz létezik olyan M, hogy p(z) q(z) M, z R. z 2 Ezért a komplex integrál tulajdonsága szerint r(z) dz M Mπ πr = R2 R S 0, ha R. Másrészt r(z) dz = Kaptuk tehát, hogy L R R r(x) dx r(x) dx = 2πi r(x) dx, ha R. n Res(r, z j ), (4.8) ahol tehát az összes a felső félsíkba tartozó szinguláris pontra számítjuk a reziduumok összegét. j= Példa. Számítsuk ki az x dx

25 6 yőri István, Hartung Ferenc: MA4f és MA66a előadásjegyzet, 2006/2007 integrált! A függvény pozitív képzetes részű szinguláris pontjai: z = 2(cos π 6 + i sin π 6 ) = 3 + i, z 2 = 2(cos π 2 + i sin π 2 ) = 2i, z 3 = 2(cos 5π 6 + i sin 5π 6 ) = 3 + i. A Állítás szerint Res(f, z ) = Res(f, z 2 ) = Res(f, z 3 ) = (cos 5π 6 + i sin 5π 6 ) = 3 92 ( 2 2 i) 6z 5 = 92 6z 5 = 5π (cos + i sin 5π ) = 92 i 6z 5 = 25π (cos i sin 25π ) = 6 92 ( i). A (4.8) képlet alapján ( 3 x 6 dx = 2πi ) 3 2 i i i = π 48. Megmutatható, hogy bizonyos feltételek mellett egy (komplex függvény) inverz Laplacetranszformáltját ki lehet fejezni komplex görbe menti integrál segítségével. Az eredményt egy egyszerűbb esetre fogalmazzuk meg bizonyítás nélkül Tétel (Laplace-transzformált inverziós formulája). Tegyük fel, hogy az F komplex függvény a véges sok z,..., z k pont kivételével az egész komplex síkon holomorf, és létezik olyan a > és b R, hogy z a F (z) korlátos a Re z > b komplex félsíkon. Legyen R > c > b, és legyen az az egyszerű zárt görbe, amely az origó középpontú R sugarú kör és a Re z = c függőleges egyenes az alábbi ábrán látható részeiből áll, pozitív irányítással. Tegyük fel továbbá, hogy a belsejében tartalmazza az F függvény összes szinguláris pontját. Ekkor L {F }(t) = e zt F (z) dz. (4.9) 2πi ir z z 2 z k R z 3 c R

26 4. A komplex függvénytan elemei Példa. Legyen β > 0. Keressük meg az F (s) = s 2 + β 2 függvény inverz Laplace-transzformáltját a (4.9) formula segítségével! Mivel z 3/2 /(z 2 + β 2 ) korlátos például a Re z > félsíkon, ezért alkalmazható a (4.9) formula, ahol az a fenti ábrán látható görbe, ahol például R > max(β, 2), c = 2. Ekkor F két szinguláris pontja, iβ és iβ, a görbe belsejébe esik. A reziduum-tétel és a (4.9) formula szerint tehát L {F }(t) = 2πi e zt ( e zt ) ( e zt ) z 2 dz = Res + β2 z 2 + β 2, iβ + Res z 2 + β 2, iβ. Másrészt a (4.7) képlet alapján ( e zt ) Res z 2 + β 2, iβ = ezt 2z = eiβt z=iβ 2iβ és ( e zt ) Res z 2 + β 2, iβ = ezt 2z = e iβt z= iβ 2iβ, ezért L {F }(t) = 2iβ (eiβt e iβt sin βt ) = β.