Segédanyag az A3 tárgy második zárthelyi dolgozatához

Hasonló dokumentumok
2. Hatványsorok. A végtelen soroknál tanultuk, hogy az. végtelen sort adja: 1 + x + x x n +...

2. gyakorlat - Hatványsorok és Taylor-sorok

Sorozatok, határérték fogalma. Függvények határértéke, folytonossága

Kalkulus gyakorlat - Megoldásvázlatok

3. SOROZATOK. ( n N) a n+1 < a n. Egy sorozatot (szigorúan) monotonnak mondunk, ha (szigorúan) monoton növekvő vagy csökkenő.

Innen. 2. Az. s n = 1 + q + q q n 1 = 1 qn. és q n 0 akkor és csak akkor, ha q < 1. a a n végtelen sor konvergenciáján nem változtat az, ha

(A TÁMOP /2/A/KMR számú projekt keretében írt egyetemi jegyzetrészlet):

Komplex számok. d) Re(z 4 ) = 0, Im(z 4 ) = 1 e) Re(z 5 ) = 0, Im(z 5 ) = 2 f) Re(z 6 ) = 1, Im(z 6 ) = 0

Kalkulus II., második házi feladat

Sorozatok október 15. Határozza meg a következ sorozatok határértékeit!

Gyakorló feladatok II.

Matematika I. 9. előadás

Komplex számok (el adásvázlat, február 12.) Maróti Miklós

Diszkrét matematika II., 3. előadás. Komplex számok

2. fejezet. Számsorozatok, számsorok

Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar. Analízis 1. Írásbeli beugró kérdések. Készítette: Szántó Ádám Tavaszi félév

VII. A határozatlan esetek kiküszöbölése

A függvénysorozatok olyanok, mint a valós számsorozatok, csak éppen a tagjai nem valós számok,

V. Deriválható függvények

A tárgy címe: ANALÍZIS 1 A-B-C (2+2). 1. gyakorlat

NUMERIKUS SOROK II. Ebben a részben kizárólag a konvergencia vizsgálatával foglalkozunk.

Analízis I. gyakorlat

Kalkulus. Komplex számok

Numerikus sorok. Kónya Ilona. VIK, Műszaki Informatika ANALÍZIS (1) Oktatási segédanyag

I. rész. Valós számok

Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar. Analízis 1. Írásbeli tételek. Készítette: Szántó Ádám Tavaszi félév

Kalkulus I. Első zárthelyi dolgozat szeptember 16. MINTA. és q = k 2. k 2. = k 1l 2 k 2 l 1. l 1 l n 6n + 8

Számsorozatok. 1. Alapfeladatok december 22. sorozat határértékét, ha. 1. Feladat: Határozzuk meg az a n = 3n2 + 7n 5n létezik.

1 n. 8abc (a + b) (b + c) (a + c) 8 27 (a + b + c)3. (1 a) 5 (1 + a)(1 + 2a) n + 1

megoldásvázlatok Kalkulus gyakorlat Fizika BSc I/1, 1. feladatsor 1. Rajzoljuk le a számegyenesen az alábbi halmazokat!

Kalkulus szigorlati tételsor Számítástechnika-technika szak, II. évfolyam, 2. félév

6. Számsorozat fogalma és tulajdonságai

SOROK Feladatok és megoldások 1. Numerikus sorok

(d) x 6 3x 2 2 = 0, (e) x + x 2 = 1 x, (f) 2x x 1 = 8, 2(x 1) a 1

1. Gyökvonás komplex számból

Nevezetes sorozat-határértékek

Függvényhatárérték-számítás

Határértékszámítás. 1 Határátmenet Tétel. (Nevezetes sorozatok) (a) n, n 2,... n α (α > 0), 1 n 0, 1. 0 (α > 0), (b) n 2 0,... 1.

Taylor-sorok alkalmazása numerikus sorok vizsgálatára

f (M (ξ)) M (f (ξ)) Bizonyítás: Megjegyezzük, hogy konvex függvényekre mindig létezik a ± ben

1. A KOMPLEX SZÁMTEST A természetes, az egész, a racionális és a valós számok ismeretét feltételezzük:

Fourier sorok FO 1. Trigonometrikus. A diákon megjelenő szövegek és képek csak a szerző (Kocsis Imre, DE MFK) engedélyével használhatók fel!

FELADATOK A KALKULUS C. TÁRGYHOZ

(2) Határozzuk meg a következő területi integrálokat a megadott halmazokon: x sin y dx dy, ahol T : 0 x 1, 2 y 3.

Bevezetés az algebrába komplex számok

A1 Analízis minimumkérdések szóbelire 2014

1. Gyökvonás komplex számból

ALGEBRA. egyenlet megoldásait, ha tudjuk, hogy egész számok, továbbá p + q = 198.

ANALÍZIS 1. I. VIZSGA január 11. Mérnök informatikus szak α-variáns Munkaidő: 90 perc., vagyis z 2 1p = i 1p = ( cos 3π 2 2

Egy lehetséges tételsor megoldásokkal

Matematika B4 I. gyakorlat

Andai Attila: november 13.

10.M ALGEBRA < <

Debreceni Egyetem. Kalkulus példatár. Gselmann Eszter

2.1. A sorozat fogalma, megadása és ábrázolása

1. A radioaktivitás statisztikus jellege

A primitív függvény létezése. Kitűzött feladatok. határérték, és F az f egy olyan primitívje, amelyre F(0) = 0. Bizonyítsd be,

1. gyakorlat - Végtelen sorok

Statisztika 1. zárthelyi dolgozat március 21.

Lajkó Károly Kalkulus I. példatár mobidiák könyvtár

ANALÍZIS I. DEFINÍCIÓK, TÉTELEK

(f) f(x) = x2 x Mutassa meg, hogy ha f(x) dx = F (x) + C, akkor F (ax + b) a 3. Számolja ki az alábbi határozatlan integrálokat: 1.

SZÁMELMÉLET. Vasile Berinde, Filippo Spagnolo

Sorozatok A.: Sorozatok általában

18. Differenciálszámítás

Analízis feladatgy jtemény II.

3.4. gyakorlat. Matematika B1X február 1819.

Általános taggal megadott sorozatok összegzési képletei

1 h. 3. Hogyan szól a számtani és a mértani közép közötti összefüggést kifejező tétel?

Határértékszámítás. (szerkesztés alatt) Dr. Toledo Rodolfo április A határátmenet és a műveletek 12

Komplex számok. 6. fejezet. A komplex szám algebrai alakja. Feladatok. alábbi komplex számokat és helyvektorukat:

Metrikus terek. továbbra is.

min{k R K fels korlátja H-nak} a A : a ξ : ξ fels korlát A legkisebb fels korlát is:

1. feladatlap megoldása. Analízis II. 1. Vizsgálja meg az alábbi sorokat konvergencia szempontjából! a) n 2 n = 1 1X 1

II. INTEGRÁLÁSI MÓDSZEREK

Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyomán

Matematika M1 1. zárthelyi megoldások, 2017 tavasz

Rudas Tamás: A hibahatár a becsült mennyiség függvényében a mért pártpreferenciák téves értelmezésének egyik forrása

4. Test feletti egyhatározatlanú polinomok. Klasszikus algebra előadás NE KEVERJÜK A POLINOMOT A POLINOMFÜGGVÉNNYEL!!!

A primitív függvény és a határozatlan integrál 7

Debreceni Egyetem, Közgazdaság- és Gazdaságtudományi Kar. Feladatok a Gazdasági matematika I. tárgy gyakorlataihoz. Halmazelmélet

forgási hiperboloid (két köpenyű) Határérték: Definíció (1): Az f ( x, y) függvénynek az ( x, y ) pontban a határértéke, ha minden

Integrálszámítás (Gyakorló feladatok)

Feladatok megoldása. Diszkrét matematika I. Beadandó feladatok. Bujtás Ferenc (CZU7KZ) December 14, feladat: (A B A A \ C = B)

A G miatt (3tagra) Az egyenlőtlenségek két végét továbbvizsgálva, ha mindkét oldalt hatványozzuk:

Feladatok valós számsorozatokkal és sorokkal. 1.Feladatok valós számsorozatokkal

ANALÍZIS I. TÉTELBIZONYÍTÁSOK ÍRÁSBELI VIZSGÁRA

Integrálás sokaságokon

8.1. A rezgések szétcsatolása harmonikus közelítésben. Normálrezgések. = =q n és legyen itt a potenciál nulla. q i j. szimmetrikus. q k.

I. FEJEZET: ANALÍZIS... 3

Draft version. Use at your own risk!

Hajós György Versenyre javasolt feladatok SZIE.YMÉTK 2011

képzetes t. z = a + bj valós t. a = Rez 5.2. Műveletek algebrai alakban megadott komplex számokkal

1 k < n(1 + log n) C 1n log n, d n. (1 1 r k + 1 ) = 1. = 0 és lim. lim n. f(n) < C 3

N - edik gyökvonás. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Minta JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ A MATEMATIKA EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI 2. FELADATSORHOZ

Matematikai játékok. Svetoslav Bilchev, Emiliya Velikova

A figurális számokról (IV.)

Pályázat címe: Pályázati azonosító: Kedvezményezett: Szegedi Tudományegyetem Cím: 6720 Szeged, Dugonics tér

Átírás:

Segédayag az A3 tárgy második zárthelyi dolgozatához Sáfár Orsolya Komplex számok fogalma A komplex számok a valós számok természetes kiterjesztése, aak érdekébe, hogy a gyökvoás mûvelete elvégezhetõ legye a egatív számok körébe is. Vegyük tehát hozzá az eddig megszokott valós számokhoz a -et, és jelöljük el ezt az új számot i-vel.a komplex számok igazából a valós számok és eze i valaháyszorosáak összegei. A komplex számokat legegyszerûbbe a komplex számsíko képzelhetjük el, mit vektorokat. Mide komplex szám megfelel egy az origóból az adott potba mutató vektorak. A komplex számsík két tegelyét valós, illetve tegelyek evezzük, egy z komplex szám koordiátáit pedig a komplex szám valós illetve képzetes részéek (jelölésük: Rz = a, illetve Iz = b). Ezek alapjá mide szám megegyezik a tegelyekre esõ vetületeiek összegével: z = a + ib. (Hasolóa mit ahogy síkvektorokál megszoktuk az xi + yj jelölést, ahol i, j a két tegelye lévõ egység hosszú vektorok. Itt ayi a külöbség, hogy a valós tegely egységvektoráak ics külö jele, a képzetes tegelyé pedig i). Im b r z ϕ a Re Egy komplex szám origótól vett távolságát evezzük a szám abszolútértékéek (jele r), a valós tegely pozitív felével bezárt szögét pedig a komplex szám szögéek (jele: φ). Eze meyiség segítségével a feti z = a+ib alak helyett haszálhatjuk az

z = r(cos φ + i si φ) trigoometrikus alakot is (mivel cos φ = a r, si φ = b r defiíció szerit). Végül a trigoometrikus alakot rövidíthetjük: z = re iφ Euler-alakra. Aak idoklása, hogy ez utóbbi két alak ugyaaz, Taylorsorfejtés segítségével törtéik. Ugyais e iz = (iz) k. k! k=0 Figyelembe véve, hogy i 4k =, i 4k+ = i, i 4k+2 =, i 4k+3 = i, kapjuk, hogy a feti sor megegyezik a, sorok összegével.) i si z = i cos z = ( ) k z 2k+ (2k + )! k=0 k=0 ( ) k z2k (2k)! 2 Alapmûveletek a komplex számok körébe Köye értelmezhetjük egy komplex szám és egy valós szám szorzatát, és összegét, legye z = a + ib, c R. Ekkor c + z = (c + a) + ib c z = c a + ic b A komplex számok körébe értelmezett a égy alapmûvelet. Legyeek z = a + ib, illetve z 2 = a 2 + ib 2 két tetszõleges komplex szám. Ekkor defiíció szerit: z + z 2 = a + ib + a 2 + ib 2 = (a + a 2 ) + i(b + b 2 ) z z 2 = a + ib a 2 ib 2 = (a a 2 ) + i(b b 2 ) z z 2 = (a + ib ) (a 2 + ib 2 ) = a a 2 + i 2 b b 2 + ia b 2 + ia 2 b = (a a 2 b b 2 ) + i(a b 2 + a 2 b ) Az osztás kicsit trükkösebb, de ki lehet szedi a evezõbõl a képzetes számot a következõ trükkel: 2

a + ib a 2 + ib 2 = a + ib a 2 + ib 2 a2 ib 2 a 2 ib 2 = a a 2 i 2 b b 2 + ia b 2 + ib a 2 a 2 2 (ib 2 ) 2 = a a 2 + b b 2 + i( a b 2 + b a 2 ) a 2 2 = a a 2 + b b 2 2 + b 2 a 2 2 + i a b 2 + b a 2 2 + b 2 a 2 2 2 + b 2 A szorzás és osztás mûvelete sokkal egyszerûbbe elvégezhetõ az Euleralak segítségével, ugyais: továbbá z z 2 = r e iφ r 2 e iφ 2 = r r 2 e i(φ +φ 2 ), z z 2 = r e iφ r 2 e iφ 2 = r r 2 e φ φ 2. A hatváyozás és gyökvoást em szokás a + ib alakba végezi, ugyais míg a z = (a + ib) kifejezés csak a biomiáls tétellel botható ki, addig z = (re iφ ) = r e iφ ige köye számolható. A gyökvoás pedig em is végezhetõ el a trigoometrikus vagy Euler-alak élkül: z = re φ + 2kπ, ahol k = 0,,.... Ezt a képletet úgy kell értei, hogy mide komplex számak darab -edik gyöke va, és ezeket úgy kell kiszámoli, hogy a feti képletbe be kell helyettesítei a k értékeket (mid az darabot), és ami kijö, az az db -edik gyök. Kidolgozott mitapéldák Végezzük el a kijelölt mûveleteket!. (2 + i)( i) 2. (3 + 6i)(4 + 7i) 3. 2+3i 4 2i 4. ( i) 25 5. 4 Megoldások:. (2 + i)( i) = 2 i 2 2i + i = 2 + i = 3 i 3

2. (3 + 6i)(4 + 7i) = 2 + 42i 2 + 24i + 2i = 30 + 45i 3. 2+3i 4 2i = 2+3i 4 2i 4+2i 4+2i = 8 6+i(4+2) 4 2 +2 2 = 2+6i 20 = 0 + i 4 5 4. ( i) 25 = ( 2 + 2 e i 7π 4 ) 25 = 2 25 e i 25 π 3 4 = 2 25 e i 3π 4 5. 4 4 = e iπ = e i π 2kπ +i 4 4 = e i π 4 +i kπ 2, azaz e i π 4, e i π 4 +i π 2, e i π 4 +iπ, a égy keresett gyök. e i π 4 +i 3π 2 3 Komplex elemû számsorozatok és számsorok 3. A kovergecia defiíciója Komplex számsorozat kovergeciájá ugyaazt kell érteük, mit valós számsorozatok eseté: az elemek egy bizoyos küszöbidex utá egyre közelebb kerülek a határértékhez (amely egy komplex szám). A távolságot ebbe az esetbe a két szám külöbségéek abszolútértékével mérjük. Ebbõl a defiícióból következik, hogy egy komplex számsorozat potosa akkor koverges, ha az elemeiek valós része és képzetes része is koverges. Kidolgozott mitapélda Mi az alábbi sorozat határértéke? z = + 3 3 + i2 + Ebbe az esetbe külö megvizsgáljuk a valós részt, ami: + 3 = 3 3 illetve a képzetes részt, amire: 2 + 3 3 3 0 + 0 0 = 0, 2 = 2 + + 2 0 + 0 = 2. Ezek alapjá a keresett határérték: 0 + 2i. 3.2 A Cauchy-tulajdoság Haszos fogalom a számsorozatok vizsgálatáál a Cauchy-sorozat. Akkor modjuk egy sorozatról, hogy az Cauchy-sorozat, ha mide ε > 0-hoz létezik N(ε), hogy mide, m > N(ε) eseté z z m < ε. Magyará szólva elég agy idexû tagjai a sorozatak tetszõlegese közel vaak egymáshoz. Ha z egy komplex számsorozat, akkor a kovergecia ekvivales a Cauchy-tulajdosággal, azaz egy sorozat koverges akkor és csak akkor, 4

ha Cauchy-sorozat. Ezt a téyt felhaszálhatjuk, hogy bebizoyítsuk egy sorozat koverges vagy diverges voltát. Kidolgozott mitapélda Koverges-e az alábbi sorozat? z = cos(φ) + i si(φ) Nem koverges, mert em Cauchy. Euler-alakba felírva: z = cos(φ) + i si(φ) = e i. Ebbõl látszik, hogy a sorozat elemei a komplex egységkörö helyezkedek el, és a szögük fix meyiséget, -et változik mide lépésbe (radiába számolva). Ez azt jeleti, hogy bármely két szomszédos elem távolsága álladó, pozitív meyiség. Így em teljesülhet a Cauchy-feltétel olya ε-ra, amely eél a fix távolságál kisebb, emiatt a sorozat em lehet koverges. 3.3 0-hoz tartó sorozatok A kovergecia feti defiíciójából az is következik, hogyha egy z sorozat koverges, és z = r e iφ, akkor az r és φ sorozatok is kovergesek, és ha z z = re iφ, akkor r r és φ mod2π φ, kivéve, ha r = 0. Ha 0-hoz tartó sorozatról va szó, akkor r általába köye becsülhetõ, és ha r 0, akkor a szöget em kell vizsgáluk (ez köye belátható pl. a Cauchy-tulajdoság segítségével). Kidolgozott mitapélda Koverges-e az alábbi sozozat? z = 3 + 4 e i Ige, mert z = r = 3 + 4 0, így az egész sozozat tart a 0 (komplex) számhoz. 3.4 Végtelehez tartó sorozatok Itt va a legagyobb külöség a valós számokál megszokott defiícióhoz képest. Akkor modjuk, hogy egy komplex számsorozat tart a végtelebe, ha az abszolútértéke tart a végtelebe. A szög itt egyáltalá em érdekes. Így például míg a valós számokál a ( ) sorozatot divergesek eveztük, a komplex számok körébe ez a végtelebe tart. Érdemes úgy godoli, hogy a komplex számokál csak egy va, em úgy mit a valósokál, ahol volt + és. 5

Kidolgozott mitapéldák Bizoyítsuk be, hogy az alábbi sorozatok a végtelebe tartaak: a, z = ( 4 )e i + 2 b, z = 2 0 + i(cos( 3 )) Megoldások: a, r = z = 4, így a defiíció alapjá z. b, r = z = ( 2 0) 2 + (cos( 3 )) 2 ( 2 0) 2 + 0 2 0 2 2, a elég agy -re teljesül. Ezzel bebizoyítottuk, hogy a második sorozat is végtelebe tart. Gyakorló példák Vizsgáljuk meg az alábbi komplex elemû sorozatokat kovergecia szempotjából! a, z = 5 e i b, z = + + i e +! 3e 2(!) c, 3 3 e i d, 3 3 e i e, e iπ Megoldások: a, 0-hoz tart b, - 2i-hez tart c, 0-hoz tart d, -hez tart e, em koverges, mert em Cauchy 6

3.5 Komplex számsorok A komplex számsorok összegét hasolóa defiiálhatjuk a valós esethez, azaz i=0 z = lim N N z. Emiatt igaz marad a komplex számsorozatokra kimodott tulajdoság: a részösszegek valós és képzetes része tart az összeg valós illetve képzetes részéhez. Igaz továbbá két fotos tétel, amelyekkel már találkoztuk a valós számokál is: ha a sor koverges (létezik az összeg), akkor z 0 (vigyázat, ez fordítva em igaz, ha z 0, attól még em feltétle koverges a sor). A másik pedig: ha z -ból képzett sor koverges, akkor a z -ekbõl képzett sor is koverges, ezt eveztük abszolút kovergeciáak. Vigyázat, ez az állítás sem igaz fordítva, z kovergeciájából em következik z kovergeciája. i=0 Kidolgozott mitapéldák Kovergesek-e az alábbi végtele összegek? a, ( =0! + i ) 3 b, = 2 e i2 c, =0 ( ( + ) ) + i 2 + d, =0 (z ), ahol z egy tetszõleges komplex szám a, Koverges, és ebbe az esetbe a sorösszeget is meg tudjuk határozi: a valós részé: =0! = e. Ezt az ex függvéy Taylor-sorfejtésébõl tudjuk, ha behelyettesítük x = -et. Másrészt a képzetes rész: = i=0 = 3 3 3 2,a geometriai sor összegképlete miatt. Így kérdezett sorösszeg: e + i 3 2. b, Koverges, mert abszolút koverges. Ugyais z = = i= 2 < c, Nem koverges, mert az általáos tag em tart 0-hoz, mivel ( z = + ) 2 ( ) 2 + 2 + 2 + 0 2 = 0 7

d, A válasz most z értékétõl függ. Ha z <, akkor haszálhatjuk azt a tételt, amely szerit abszolút koverges sor koverges. Tehát ilye z-kre a sor koverges. Ha viszot z, akkor az általáos tag em tart 0-hoz, mivel az abszolútértéke em tart 0-hoz (hisze egy egyél agyobb szám hatváyai a végtelehez tartaak, míg ha z =, akkor z hatváyaiak abszolútértéke ). Eze z-kre tehát a sor diverges. Összefoglalva: eze sor kovergeciatartomáya, azaz azo z-k halmaza, amelyekre a sor koverges, az + 0i középpotú, sugarú yílt körlap. Gyakorló feladatok Vizsgáljuk meg az alábbi sorokat kovergecia szempotjából! a, ( = b, =0 c, = 9 + i 2 (( + 3 7 3 + ei2 3 ) ) + i ) d, =0 (2z 3i), ahol z egy tetszõleges komplex szám Megoldások: a, a sor koverges, a sorösszeg 8 + 2i b, a sor diverges az általáos tag e 3 + 0i-hez tart, em 0-hoz c, a sor koverges, mert abszolút koverges d, a sor kovergeciatartomáya a 0 + 3 2 i középpotú, 2 sugarú yílt körlap 4 Komplex számoko értelmezett komplex értékû függvéyek 4. Függvéyek határértéke Egy komplex számoko értelmezett komplex függvéyt f(z) = f(x + iy) = u(x, y) + iv(x, y) alakba elõállítva a z 0 potba a függvéy határértéke: lim f(z) = z z 0 lim u(x, y) + i lim v(x, y). x x 0,y y 0 x x 0,y y 0 Ha egy függvéyek mide potba létezik határértéke, akkor a függvéyt folytoosak evezzük. Folytoos függvéyekre igaz, hogy a határértékük egy z 0 potba egyszerûe f(z 0 ). Ha viszot a függvéy em folytoos 8

(például 0-val osztás miatt), akkor a kétváltozós függvéyek tault módo kell eljáruk. A megoldást a legtöbb esetbe úgy célszerû kezdei, hogy felírjuk az z = x + iy összefüggést. Néha célszerû az f(x, y) függvéyt is két részre botai (u + iv), de em mide esetbe. Általába köyebb azt beláti, hogy em létezik a határérték. Erre az az általáos módszer, hogy megmutatjuk, hogy a függvéy határértéke függ az iráytól, amelybõl közelítjük z 0 -t. Viszot ez em lehetséges, mivel a határérték egyértelmû, azaz ebbe az esetbe em létezhet. A másik lehetõség, ha belátjuk, hogy a határérték valamilye iráyból. Kidolgozott mitapéldák Határozzuk meg a következõ határértékeket! a, lim z 0 e z z b, lim z 0 z 2 z c, lim z 0 z z Megoldások: a, A kérdéses határérték em létezik. Legegyszerûbbe ezt úgy láthatjuk be, ha megvizsgáljuk, hogy mi törtéik ha a valós tegely pozitív fele meté közelítjük meg az origót. Ekkor a keresett határérték a következõ alakot ölti: e x lim x 0+ x = +, ugyais e 0 =, amit egy agyo kicsi pozitív meyiséggel osztuk. Mivel va olya iráy, amelybõl em létezik, így biztos em létezik a függvéy határétéke. b, Eek a függvéyek létezik a határértéke az origóba. Alakítsuk át a függvéyt! z 2 lim z 0 z = lim x 2 + y 2 x 0,y 0 x + iy = lim x 2 + y 2 x iy x 0,y 0 x + iy x iy = (x 2 + y 2 )(x iy) = lim x 0,y 0 x 2 + y 2 = x iy, amiek a határértéke az origóba 0 + 0i. c, Eze függvéyek em létezik határtértéke az origóba, mert z lim z 0 z = lim x 0,y 0 x 2 + y 2 x + iy = lim x 0,y 0 x 2 + y 2 x + iy x iy x iy = 9

lim x 0,y 0 (x 2 + y 2 )(x iy) x 2 + y 2 = lim x 0,y 0 lim x 0,y 0 x x 2 + y + i y 2 x 2 + y 2 x iy x 2 + y 2 = az utolsó alakot felhaszálva közelítsük az origót a valós illetve a képzetes tegely pozitív fele meté. Elsõ esetbe x 0+, y = 0: lim x 0+ A második esetbe x = 0, y 0+: lim y 0+ x + i 0 =. x 2 x 2 0 + i y = i. y 2 y 2 Mivel i, így a határérték függ a közelítés iráyától, ami em lehetséges. Így beláttuk, hogy a függvéyek em létezik határértéke az origóba. Gyakorló feladatok a, lim z 0 z 4 z 2 b, lim z 0 z c, Számoljuk ki a feti c, feladatba a tegelyeke egatív iráyból közelítés eseté a határértéket. a, 0 Megoldások: b, em létezik c, illetve i 4.2 A komplex derivált fogalma, Cauchy Riema egyeletek, harmoikus függvéyek A komplex függvéyek adott potbeli deriválhatóságához két dolog kell (ez egy szükséges és elégséges feltétel): egyrészt az u(x, y) és v(x, y) mit valós kétváltozós függvéyek totálisa deriválhatóak legyeek, másrészrõl teljesíteiük kell a Cauchy Riema egyeleteket: u x(x, y) = v y(x, y) 0

u y(x, y) = v x(x, y) Ha egy függvéy egy pot kis köryezetébe mideütt deriválható, akkor regulárisak evezzük az adott potba. A Cauchy Riema egyeletekbõl következik, hogyha egy komplex függvéy deriválható, akkor a valós és képzetes része is harmoikus, azaz u xx (x, y) + u yy (x, y) = 0 v xx (x, y) + v yy (x, y) = 0. Egy u(x, y) harmoikus függvéy harmoikus társáak evezzük azt a v(x, y) függvéyt, amivel együtt kielégíti a Cauchy Riema egyeleteket. Eek meghatározásához magukat az egyeleteket kell felhaszáluk. Kidolgozott mitapéldák a, Milye c eseté reguláris az f(x, y) = c(2x 3y) + i(6x + 4y) függvéy? b, Lehet-e x 3 y egy reguláris függvéy valós része? c, Bizoyítsuk be, hogy a u(x, y) = 2x 3 6xy 2 + 5x 2y függvéy harmoikus, és keressük meg a harmoikus társát! a, Akkor reguláris, ha valós deriválható (ami itt teljesül), továbbá eleget tesz a Cauchy Riema egyeletekek, azaz c(2x 3y) x = (6x + 4y) y, és c(2x 3y) y = (6x + 4y) x. Elvégezve a deriválásokat, kapjuk: 2c = 4, illetve 3c = 6. Ezek alapjá az egyetle megoldás c = 2. b, Csakis akkor lehet, ha harmoikus, azaz (x 3 y) xx + (x 3 y) yy-ek kell 0-ak leie. Viszot elvégezve a deriválásokat 6x-et kapuk, ami em azoosa 0, így ez em lehet egy egész síko reguláris függvéy valós része (egyébkét képzetes része sem). c, Mivel (2x 3 6xy 2 +5x 2y) xx +(2x 3 6xy 2 +5x 2y) yy = 2x 2x = 0, így ez a függvéy harmoikus. Jelöljük a harmoikus társát v(x, y)-al. Ekkor teljesülie kell, hogy u x = v y, és u y = v x, azaz: (2x 3 6xy 2 + 5x 2y) x = 6x 2 6y 2 + 5 = v y(x, y) (2x 3 6xy 2 + 5x 2y) y = 2xy 2 = v x. Eze egyeletekbõl a megfelelõ változó szeriti itegrálással kapjuk: v(x, y) = v(x, y) = 6x 2 6y 2 + 5dy = 6x 2 y 2y 3 + 5y + c (x) 2xy + 2dx = 6x 2 y + 2x + c 2 (y).

c (x) egy olya kostast jelöl, amely még függhet x-tõl, de y-tól már em. Ez azért jeleik meg, mert ha v(x, y)-t y szerit deriváljuk, akkor azo tagok, amelyek csak x-tõl függek eltûek, és õket em hozza vissza az y szeriti itegrálás. A két egyeletet összevetve kapjuk: v(x, y) = 6x 2 y 2y 3 + 5y + 2x + c, ahol a c téylegese kostas, em függ egyik változótól sem. Gyakorló feladatok a, Milye c eseté lesz reguláris a c(x y) + i(x 2 + y) függvéy? b, Milye c eseté lesz reguláris a 3c(2yx y) + i(cx + cy 2 ) függvéy? c, Lehet-e az u(x, y) = 3x 2 y y 3 egy reguláris függvéy képzetes része? Ha ige, határozzuk meg a harmoikus társát. Megoldások: a, semmilye c-re sem b, mide c-re c, ige, a harmoikus társa: 3xy 2 x 3 + c. 4.3 Elemi függvéyek kiterjesztése, azoosságok Az elemi függvéyek közül legköyebbe az expoeciális függvéyt tudjuk komplex számokra értelmezi az Euler-alak segítségével: e z = e x+iy = e x e iy = e x (cos(y) + i si(y)). A függvéy defiíciójából következõ tulajdoságai: reguláris az egész komplex számsíko (e z ) = e z e z 0, semmilye z-re, de mide más értéket felvesz (pl. egatív valós számokat is) e z +z 2 = e z e z 2 A trigoometrikus és hiperbolikus függvéyek defiíciója: si(z) = eiz e iz, cos(z) = eiz + e iz 2i 2 sih(z) = ez e z, cosh(z) = ez + e z. 2 2 Eze defiíciókból következek az alábbi tulajdoságok: 2

valameyi függvéy reguláris az egész komplex számsíko si(z) = cos(z) cos(z) = si(z) sih(z) = cosh(z) cosh(z) = sih(z) si(iz) = i sih(z) cos(iz) = cosh(z) si(x + iy) = si(x) cosh(y) + i cos(x) sih(y) cos(x + iy) = cos(x) cosh(y) i si(x) sih(y) si(z) 2 + cos(z) 2 = cosh(z) 2 sih(z) 2 = A logaritmus függvéy: egy szám logaritmusa a komplex számok körébe sajos em egyértelmû. Mi lee például l() komplex értelembe? Mide olya szám, amelyre e l() =. Na de ilye számból végtele sok va, hisze mide i2kπ alakú szám jó, ahol k Z tetszõleges. Eek oka az, hogy a komplex számok szöge csak mod2π egyértelmû. Ezért a logaritmust komplex értelembe a következõképpe kell defiiáli: l(z) = l z + i(arc(z) + 2kπ), ha z C \ (, 0], ahol k Z tetszõleges. Ez azt jeleti, hogy a empozitív valós számokak em értelmezett a logaritmusa (ez késõbb amúgyis godot okoza). Eze defiícióval elveszik a logaritmus azoosságaiak agy része. Midig legyük óvatosak, ha logaritmus függvéyt kell átalakítai! Kidolgozott mitapéldák a, Bizoyítsuk be a defiíció alapjá, hogy si(iz) = i sih(z). b, Bizoyítsuk be a regularitás felhaszálása élkül, hogy cos(z) valós része harmoikus. c, Bizoyítsuk be, hogy si(x + iy) = si 2 (x) + sih 2 (y) d, Bizoyítsuk be, hogy si(z) em korlátos. e, Igaz-e, hogy l(z 2 ) = 2 l(z)? f, Hozzuk x + iy alakra: si(3 + 4i) 3

g, ta( + i) =? h, l(0i) =? i, Oldjuk meg az alábbi egyeleteket a komplex számok körébe: si(z) = 5. j, cosh(iz) = 3 k, e z = + i Megoldások a, si(iz) = eiiz e iiz 2i = e z e z 2i = i e z e z 2 = i ez e z 2 = i sih(z) b, R(cos(z)) = cos(x) cosh(y) alapjá, (cos(x) cosh(y)) xx+(cos(x) cosh(y)) yy = cos(x) cosh(y) + cos(x) cosh(y) = 0, azaz a függvéy harmoikus. c, si(x + iy) = (si(x) cosh(y)) 2 + (cos(x) sih(y)) 2 = si(x) 2 cosh(y) 2 + ( si(x)) 2 sih(y) 2 = si(x) 2 cosh(y) 2 + sih(y) 2 si 2 (x) sih(y) 2 = si(x) 2 (cosh(y) 2 sih(y) 2 ) + sih(y) 2 = si 2 (x) + sih 2 (y) d, Az elõzõ feladat eredméyét felhaszálva láthatjuk, hogy a si(z) függvéy abszolútértéke a szám komplex részétõl egy végtelebe tartó módo függ, ha y tart a végtelebe, így em lehet korlátos. e, Ez em igaz, mivel defiíció szerit l(z 2 ) = l(r 2 e i2φ ) = l(r 2 ) + i(2φ + 2kπ) = 2 l(r) + i(2φ + 2kπ) 2 l(z) = 2(l(re iφ )) = 2(l(r) + i(φ + 2kπ)) = 2 l(r) + i(2φ + 4kπ) f, si(3 + 4i) = si(3) cosh(4) + i cos(3) sih(4) g, ta( + i) = si( ) cosh() + i cos( ) sih() cos( ) cosh() i si( ) sih() = si() cosh() + i cos() sih() cos() cosh() + i si() sih() si() cosh() + i cos() sih() cos() cosh() + i si() sih() = cos() cosh() i si() sih() cos() cosh() i si() sih() = 4

si() cos() cosh() 2 + si() cos() sih() 2 cos() 2 cosh() 2 + si() 2 sih() 2 + +i (cos()2 cosh() sih()) + si() 2 cosh() sih() cos() 2 cosh() 2 + si() 2 sih() 2 = si() cos() + i sih() cosh() h, l(0i) = l(0) + i( π 2 + 2kπ), k Z i, si(z) = 5 megoldásához írjuk át a si-t! si(x + iy) = si(x) + cosh(y) + i cos(x) sih(y) = 5 + 0i, ami két egyelet: si(x) cosh(y) = 5 cos(x) sih(y) = 0 A második egyelet miatt vagy cos(x) vagy sih(y) = 0. Ha ez utóbbi lee, akkor y = 0 miatt cosh(y) = cosh(0) = miatt si(x) = 5 kée legye, de ez a valós számok körébe elletmodás. Emiatt csak cos(x) = 0 lehet. Ekkor x = π 2 + kπ, ami miatt si(x) = si( π 2 + kπ) = vagy k paritásától függõe. De ha lee akkor az elsõ szorzat csak úgy lehete 5, ha cosh(y) = 5 lee, ami elletmodás a valós számok körébe, így cos(x) = lehet csak, azaz x = π 2 + 2kπ. Emiatt az elsõ egyeletbõl y = arcosh(5). j, cosh(iz) = cos(iiz) = cos( z). Azaz z = x + y-re kell megoldauk egy teljese hasoló egyeletredszert, jelesül: cos(x) cosh(y) = 3 si(x) sih(y) = 0 Az sih(y) = 0 itt is elletmodáshoz vezet, mert akkor cos(x) = 3 kée legye, így itt is si(x) = 0 miatt x = kπ. Hasolóa a feti esethez, cos(x) csak + lehet a cosh(y) miatt, így x-re 2kπ adódik, y-ra pedig areacosh(3). Így az egyelet megoldásai a 2kπ arcosh(3) alakú számok. k, e z = + i, midkét oldal logaritmusát véve: z = l( + i) = l( 2) + i( 3π 4 + 2kπ). 5

4.4 A komplex voalitegrál Egy f(z) komplex értékû függvéy az L iráyított görbe meti itegráljá a következõ meyiséget értjük: L f(z)dz = t2 t f(z(t))ż(t)dt, ahol a z(t) az L görbe paraméterezése t kezdõpottal és t 2 végpottal, f(z(t)) pedig azt jeleti, hogy az f(z) függvéy változója helyébe be kell íruk a görbe paraméteres egyeletét (ez a függvéy lokalizáltja). Az alábbi görbék paraméterezését kell mideképpe ismerük: A z kezdõpotú, z 2 végpotú iráyított szakasz paraméteres egyelete: z(t) = (z 2 z )t+z, t [0, ]. Ezt kell majd behelyettesítei a függvéybe, illetve ż(t) = z 2 z, ezzel kell majd a függvéy lokalizáltját szorozi. Az origó középpotú, r 0 sugarú teljes körvoal paraméteres alakja (pozitív iráyítással): z(t) = r 0 e it, t [0, 2π]. Eek a deriváltja t szerit: r 0 ie it. Ameyibe az itegráladó f(z) függvéy reguláris, akkor az z kezdõpotú, z 2 végpotú iráyított L görbe meté vett itegráljáak kiszámításakor haszálhatjuk a Newto-Leibiz formulát. A formula szerit ha F (z) = f(z), (azaz az itegradus primitív függvéye F ), akkor f(z)dz = F (z 2 ) F (z ) L Nem reguláris függvéy eseté viszot csak a paraméterezéssel tudjuk meghatározi az itgrált. Kidolgozott mitapélda Számoljuk ki az L f(z)dz itegrált, ha a, L: origó középpotú, 2 sugarú, elsõ síkegyedbe esõ egyedkörív, f(z) = z b, L: az 2 potból az 2i potba mutató szakasz, f(z) = z c, L origó középpotú, 2 sugarú, elsõ síkegyedbe esõ egyedkörív, f(z) = si(z) d, L: az 2 potból az 2i potba mutató szakasz, f(z) = si(z) Megoldások: a, Jele esetbe mivel z em reguláris, ezért csak paraméterezéssel dolgozhatuk. Ekkor z(t) = 2e it, t [0, π 2 ], továbbá f(z(t)) = z(t) = 2e it = 2e it így π 2 f(z)dz = 2e it 2ie it dt = [4it] π 2 0 = 2πi. L 0 6

b, Most z(t) = (2i 2)t+2, t [0, ], továbbá f(z(t)) = z(t) = (2i 2)t + 2 = ( 2i 2)t + 2 így L f(z)dz = 0 (( 2i 2)t+2)(2i 2)dt = 2(2i 2) [ (i + )t 2 /2 t ] 0 = 4i Érdemes megfigyeli, hogy oha a két görbe kezdõ és végpotja azoos, az itegrálok értéke mégis külöbözik (em reguláris függvéyekre em érvéyes a Newto-Leibiz formula). c, Mivel most f(z) = si(z) reguláris függvéy, ezért si(z)dz = [ cos(z)] 2i 2 = cos(2i) cos(2) = cosh(2) cos(2) L d, Mivel reguláris függvéy eseté az itegrál értéke em függ a görbe alakjától, csak a kezdõ és végpotjától, ezért most is az elõzõ eredméyt kapjuk. Elõadáso szerepelt a Newto-Leibiz formula triviális következméye Cauchy-Goursat tétel éve: ha f(z) reguláris fügvvéy, akkor az õ zárt görbe meti itegrálja ulla (zárt görbe azt jeleti, hogy a kezdõpotja megegyezik a végpotjával). Ha a függvéy em reguláris, egy speciális esetbe mégis ki tudjuk számoli az itegrálját. Erre valóak a Cauchy itegrálformulák, amely szerit ha L egy egyszerû zárt görbe amely egyszer kerüli meg pozitív iráyítással a z 0 potot, akkor f(z) dz = 2πif(z 0 ) z z 0 illetve L példák jöek késõbb 4.5 A Lauret-sorfejtés L f(z) 2πif() (z z 0 ) + dz = (z 0 ).! Egy f(z): C C függvéy z 0 körüli Lauret-sorá a következõ végtele összeget értjük: = a (z z 0 ) = a (z z 0 ) + a (z z 0 ) =0 Ez egy két iráyba végtele összeg, két részre botva kapjuk a pozitív hatváykitevõket tartalmazó részt (reguláris rész), illetve a egatív kitevõket tartalmazó részt (fõrész). = 7

Eze Lauret-sorról ismert, hogy egy körgyûrû belsejébe abszolút koverges, külsõ potokba pedig diverges. A körgyûrû belsõ sugarát r-el, a külsõ sugarát R-el jelöljük, és az alábbi képlettel számíthatjuk ki: r = lim sup a = lim sup a R Ha a függvéy reguláris a z 0 középpotú R sugarú kör belsejébe, akkor ott a Lauret-sora megegyezik a Taylor-sorával. Általába ezt a téyt haszáljuk a Lauret-sor kiszámításához, de ehhez ismeri kell a evezetes függvéyek Taylor-sorát, ezek a következõk: f(x) 0 körüli Taylor-sor si(x) k=0 ( )k (2k+)! (x2k+ ) cos(x) k=0 ( )k (2k)! (x2k ) e x k=0 k! xk -edfokú poliom ömaga sih(x) k=0 (2k+)! x2k+ cosh(x) k=0 (2k)! x2k x k=0 xk Illetve általáos esetbe a Taylor-sorba (ami ugyaaz mit a Lauret-sor reguláris része) az a együttható képlete: a = f () (x 0 ).! Lauret sor együtthatóiak ismerete segít az alábbi problémák megoldásába:. Milye típusú szigularitása va a függvéyek a 0-ba? 8

2. Bizoyos típusú itegrálok kiszámítása 3. függvéyek magasabbredû deriváltjáak meghatározása Az f(z) függvéyek izolát szigularitása va z 0 -ba, ha z 0 -ba em reguláris ugya (pl mert em értelmezett 0-val osztás miatt), de va z 0 -ak egy olya kis köryezete (azaz z 0 középpotú kis sugarú potozott (azaz z 0 -t kiveszem a körlapból, a többi pot marad) körlap amibe reguláris). Eze izolált szigularitás három típusú lehet:. A függvéyek megszütethetõ szakadása va z 0 -ba, ha létezik a lim z z0 f(z) határérték. Ez a Lauret-sorból oa látszik, hogy mide a = 0, =, 2,... (azaz a fõrész 0). 2. A függvéyek k-edredû pólusa va z 0 -ba, ha f(z) = g(z) (z z 0 ) k alakba felírható, ahol g(z) reguláris z 0 -ba, és ott em 0. Ez a Lauret-sorból úgy állápítható meg, hogy a egatív idexû tagok közül (a fõrészbe) va egy legutolsó (a k-adik) ami 0 a agyobb idexûek már mid 0-k. 3. Mide egyéb esetbe léyeges szigularitása va a függvéyek, ekkor a Lauret-sorba végtele sok 0 egatív idexû tag va. Az itegrálok kiszámításához, pedig azt a tétel haszálhatjuk fel, hogy a = f(z) dz, 2πi (z z 0 ) + L ahol az L görbe a körgyûrû belsejébe haladva egyszer kerüli meg pozitív iráyból a z 0 -t. Kidolgozott mitapélda Számítsuk ki az alábbi függvéyek Lauret sorát a megadott z 0 körül! Hol lesz koverges a sor? Állapítsuk meg a sor együtthatóiból, hogy va-e f(z)-ek szigularitása z 0 -ba, és ha ige, akkor milye típusú? a, f(z) = +z, z 0 = 0 b, f(z) = +z, z 0 = c, f(z) = ez z, z 0 = 0 d, f(z) = l( + z), z 0 = e, f(z) = cos(z) z 4, z 0 = 0 9

a, Ebbe az esetbe egy geometria sor sorösszegére hasolít a függvéyük, így + z = ( z) = ( z) = ( ) z =0 ekkor a = ( ) ha pozitív, a = 0. Emiatt csak megszütethetõ szakadás lehete, de mivel ez a függvéy reguláris függvéyek háyadosa, és a evezõ z = -be em 0, így még az sics, a függvéy reguláris z 0 = 0-ba. Kovergeciatartomáy: r = lim sup =0 a = lim sup 0 = 0 = lim sup a = lim sup R = ezért a Lauret-sor (ami egybe Taylor-sor is, hisze a függvéy reguláris z 0 -ba) a 0 körüli egy sugarú körlapo koverges. b, Azt szereték, hogy a hatváysor e z, haem z hatváyai szerit haladjo, ezért átalakítjuk a függvéyüket: f(z) = + z = 2 + (z ) = 2 z = z ( ) = (z ) 2 ( 2) 2 2 ( 2) itt szité illetve r = lim sup = lim sup a = lim sup R a = lim sup ( 2 =0 0 = 0 =0 ) + = 2 2 = 2, Így a Lauret-sor az körüli, kettõ sugarú körlapo lesz koverges, a fv pedig reguláris z 0 -ba. c, Felhaszálva az e x Taylor-sorát ( e z k=0 k! = zk) = z z k= k! zk = =0 ( + )! z emiatt a függvéyek megszütethetõ szakadása va 0-ba, hisze icse egatív hatváykitevõs tag. A kovergeciasugár pedig: r = lim sup a = lim sup 0 = 0 = lim sup a = lim sup R ( + )! = 0, emiatt a Lauret-sor az egész komplex számsíko koverges. 20

d, Eze Lauret-sor legegyszerûbbe deriválással határozhatjuk meg: f (z) = + z = ( ) z ekkor itegrálva midkét oldalt =0 f(z) = f(z 0 ) + ( ) z dz = =0 =0 ( ) z dz = =0 ( ) z+ + f(z) reguláris 0-ba, hisze reguláris függvéyek háyadosa, a evezõ pedig em 0. A kovergeciasugarak: r = lim sup = lim sup R a = lim sup a = lim sup 0 = 0 =, így a 0 körüli sugarú körlapo koverges a Lauret-sor. e, Felhaszálva a cos(z) Taylor-sorát: cos(z) z 4 = ( k=0 ( )k (2k)! x2k ) z 4 = ( ) k (2k)! x2k 4 = z 2 2! + 4! z2 6! +... azaz f(z)-ek másodredû pólusa va a 0-ba. Itt mivel csak egy darab emulla tag va az a -ek között, ezért: k= illetve r = lim sup a = 0 = lim sup a = lim sup R (2 + 4)! = 0, így a Lauret-sor koverges lesz a 0 kivételével a teljes komplex számsíko. 2

4.6 Residuum-tétel A Lauret-sorba az z tag együtthatóját, azaz a -et evezzük a függvéy z 0 potbeli residuumáak, és Res(z 0 )-al jelöljük. A residuum-tétel azt modja ki, hogyha egy L pozitív iráyítású egyszerû görbe körbevesz végessok izolált szigularitást (z, z 2,..., z k ), akkor f(z)dz = 2πi(Res(z ) + Res(z 2 ) + + Res(z k )) L Ez em más, mit a Cauhy-tétel általáosítása. A residuumot kiszámíthatjuk a Lauret-sor együtthatójából, illetve. ha a függvéy reguláris vagy megszütethetõ szakadása va z 0 -ba, akkor Res(z 0 ) = 0. 2. ha f(z)-ek elsõredû pólusa va z 0 -ba, akkor Res(z 0 ) = lim z z0 (z zo)f(z) 3. ha f(z)-ek k-adredû redû pólusa va z 0 -ba, akkor Res(z 0 ) = (k )! lim z z 0 ((z zo) k f(z)) (k ) 4. ha f(z) = g(z) h(z), ahol g(z), h(z) regulárisak, g(z 0) 0, h (z 0 ) 0, akkor. Res(z 0 ) = g(z 0) h (z 0 ) 22