Kónya Ilona. VIK, Műszaki Informatika ANALÍZIS (2) Oktatási segédanyag

Hasonló dokumentumok
Feladatok Oktatási segédanyag

1. Komplex függvények dierenciálhatósága, Cauchy-Riemann egyenletek. Hatványsorok, elemi függvények

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

4. A komplex függvénytan elemei

A fontosabb definíciók

(!), {z C z z 0 < R} K (K: konv. tart.) lim cn+1

Tartalomjegyzék. 1. Előszó 1

Matematika III előadás

Matematika M1 Gyakorlat

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

Analízis II. Analízis II. Beugrók. Készítette: Szánthó József. kiezafiu kukac gmail.com. 2009/ félév

Matematika A1a Analízis

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Analízis I. beugró vizsgakérdések

M szaki matematika 2

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Integrálszámítás. a Matematika A1a-Analízis nevű tárgyhoz november

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

A Matematika I. előadás részletes tematikája

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

Matematika M1 1. zárthelyi megoldások, 2017 tavasz

Szili László. Integrálszámítás (Gyakorló feladatok) Analízis 3. Programtervező informatikus szak BSc, B és C szakirány

HÁZI FELADATOK. 1. félév. 1. konferencia A lineáris algebra alapjai

6. ELŐADÁS DIFFERENCIÁLSZÁMÍTÁS II. DIFFERENCIÁLÁSI SZABÁLYOK. BSc Matematika I. BGRMA1HNND, BGRMA1HNNC

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

6. Folytonosság. pontbeli folytonosság, intervallumon való folytonosság, folytonos függvények

Műszaki matematika 2

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Alapfogalmak, valós számok Sorozatok, határérték Függvények határértéke, folytonosság A differenciálszámítás Függvénydiszkusszió Otthoni munka

1. Komplex számok. x 2 = 1 és x 2 + x + 1 = 0. egyenletek megoldását számnak tekinthessük:

Metrikus terek, többváltozós függvények

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

3. Lineáris differenciálegyenletek

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

Kétváltozós függvények ábrázolása síkmetszetek képzése által

ANALÍZIS II. Példatár

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Az f ( xy, ) függvény y változó szerinti primitív függvénye G( x, f xydy= Gxy + C. Kétváltozós függvény integrálszámítása. Primitívfüggvény.

Egyváltozós függvények 1.

A képzetes számok az isteni szellem e gyönyörű és csodálatos hordozói már majdnem a lét és nemlét megtestesítői. (Carl Friedrich Gauss)

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Differenciál - és integrálszámítás. (Kreditszám: 7) Tantárgyfelelős: Dr. Losonczi László egyetemi tanár. Meghirdető tanszék: Analízis Tanszék

Hatványsorok, Fourier sorok

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 12. Név: Nept. kód: Idő: 1. f. 2. f. 3. f. 4. f. 5. f. 6. f. Össz.: Oszt.

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

Komplex számok. A komplex számok algebrai alakja

Elérhető maximális pontszám: 70+30=100 pont

2014. november Dr. Vincze Szilvia

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

Függvény határérték összefoglalás

25 i, = i, z 1. (x y) + 2i xy 6.1

Differenciálszámítás. 8. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Differenciálszámítás p. 1/1

x a x, ha a > 1 x a x, ha 0 < a < 1

Függvényhatárérték és folytonosság

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Matematika 4 gy. Földtudomány és Környezettan BSc II/2 Mincsovics Miklós Emil, Havasi Ágnes

Analízis szigorlat informatikusoknak (BMETE90AX20) tárgykövetelmény és tételsor

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Fourier sorok február 19.

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

Matematika II. Feladatgyűjtemény GEMAN012B. Anyagmérnök BSc szakos hallgatók részére

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

1. Absztrakt terek 1. (x, y) x + y X és (λ, x) λx X. műveletek értelmezve vannak, és amelyekre teljesülnek a következő axiómák:

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Kalkulus I. NÉV: Határozzuk meg a következő határértékeket: 8pt

8. előadás. Kúpszeletek

Matematikai analízis II.

8n 5 n, Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás,

Programtervező informatikus I. évfolyam Analízis 1

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

x = 1 = ı (imaginárius egység), illetve x 12 = 1 ± 1 4 2

5. fejezet. Differenciálegyenletek

Függvény differenciálás összefoglalás

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

Differenciálegyenletek

Szélsőérték feladatok megoldása

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

TANTÁRGYI PROGRAM Matematikai alapok I. útmutató

Átírás:

VIK, Műszaki Informatika ANAÍZIS (2) Komplex függvénytan Oktatási segédanyag A Villamosmérnöki és Informatikai Kar műszaki informatikus hallgatóinak tartott előadásai alapján összeállította: Fritz Józsefné Kónya Ilona 2005. április Szerkesztette: Győri Sándor

. Bevezetés Komplex szám fogalma:... Algebrai (kanonikus) alak: z = x + j y x = Re z, y = Im z, z = x 2 + y 2, z 2 = zz Trigonometrikus alak: z = r (cos ϕ + j sin ϕ) r = z, ϕ = arc z ( főérték: π ϕ < π ) Exponenciális alak: z = r e jϕ Műveletek komplex számok körében:... szimbólum, mint komplex szám: z + = z =, ha z 0 z z 0 z =, ha z =, ha z 0 = 0, ha z De 0 =?, =?, 0 0 =? Ábrázolás: C : Gauss-féle számsík... C : Riemann-féle számgömb... c Kónya I. Fritz Jné Győri S. v.2

2. Komplex tagú számsorozatok, számsorok Számsorozatok D lim z n = z 0 : n ε > 0-hoz N(ε) : z n z 0 < ε, ha n > N(ε) D lim z n =, ha z n n T (z n = x n + j y n z 0 = x 0 + j y 0 ) ((x n x 0 ) (y n y 0 )) T (z n z 0 ) (z n ) Cauchy sorozat Most is igaz: lim n zn 0 = 0, ha z 0 <,, ha z 0 =, divergens egyébként. lim ( + z 0 + z0 2 + + z0 n ) = lim n n n k= z k 0 = k= z k 0 = z 0, ha z 0 <. Egyébként divergens. Számsorok z k : s n = k=0 n k=0 z k D s = lim n s n ( z k = x k + j y k esetén x k konvergens, y k konvergens ) k=0 k=0 T Cauchy kritérium igaz... c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 2 v.2

T k=0 z k konvergens = lim n z n = 0 T z k konvergens = z k konvergens k=0 k=0 3. Komplex változós függvények w = f(z) = u(x, y) + j v(x, y) = ρ(r, ϕ) e j θ(r,ϕ) Pl. f(z) = z 2 = (x + j y) 2 = x 2 y 2 + j 2xy = r 2 e j 2ϕ (Kétrétű leképezés) D egyen z 0 D f belső pontja! lim z z 0 f(z) = w 0, ha ε > 0 - hoz δ(ε) > 0 : f(z) w 0 < ε, 0 < z z 0 < δ(ε) T lim z z 0 f(z) = w 0 z n z 0 - ra (z n D f, z n z 0 ) f(z n ) w 0 T z 0 = x 0 + j y 0, w 0 = u 0 + j v 0 lim z z 0 f(z) = w 0 lim (x,y) (x 0,y 0 ) u(x, y) = u 0 és lim (x,y) (x 0,y 0 ) v(x, y) = v 0 D Az f függvény folytonos az értelmezési tartomány z 0 lim z z 0 f(z) = f(z 0 ) belső pontjában, ha c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 3 v.2

4. Deriválhatóság, regularitás D egyen z 0 D f belső pontja! f differenciálható z 0 -ban, ha létezik lim z 0 f(z 0 + z) f(z 0 ) z = f (z 0 ) = D C D = D + j D 2 Pl. f(z) = z 3 lim z 0 (z 0 + z) 3 z 3 0 z = lim z 0 3 z 2 0 z + 3 z 0 ( z) 2 + ( z) 3 z = 3 z 2 0 Pl. f(z) = z lim z 0 z 0 + z z 0 z = lim z 0 z z = lim z 0 (Ugyanis függ a határérték ϕ = arc z értékétől.) e j 2 arc z = T A valós függvényekre tanult differenciálási szabályok, - beleértve az összetett és az inverzfüggvényre vonatkozó differenciálási szabályokat is -, érvényesek a komplex változós függvényekre is. T Szükséges és elégséges tétel differenciálhatóságra: f : C C akkor és csak akkor differenciálható az értelmezési tartomány belső z 0 pontjában, ha f = f(z 0 + z) f(z 0 ) = D z + ε( z) z, ahol D független z - től, ε( z) = ε ( z) + j ε 2 ( z), z = x + j y és lim z 0 T f differenciálható z 0 -ban = f folytonos z 0 -ban c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 4 v.2

T Szükséges és elégséges tétel differenciálhatóságra: Az f(z) = u(x, y) + j v(x, y) komplex függvény akkor és csak akkor differenciálható az értelmezési tartomány z 0 = x 0 + jy 0 belső pontjában, ha u és v totálisan deriválható (x 0, y 0 )-ban és ugyanitt u x = v y u y = v x fennállnak. Ekkor B Cauchy Riemann féle parciális differenciálegyenletek f (z 0 ) = u x (x0,y 0 ) + j v x (x0,y 0 ) f = f(z) f(z 0 ) = D (z z 0 ) + ε (z z 0 ); z z 0 = z = (x x 0 ) + j (y y 0 ) = x + j y lim ε = 0 z z0 Mindkét oldalt felírjuk algebrai alakban: Bal oldal: f = {u(x, y) u(x 0, y 0 )} + j {v(x, y) v(x 0, y 0 )} Jobb oldal: (D + j D 2 )( x + j y) + (ε + j ε 2 )( x + j y) = = {D x D 2 y + ε x ε 2 y} + j {D 2 x + D y + ε 2 x + ε y} Az egyeztetésből: u = u(x, y) u(x 0, y 0 ) = D u x v = v(x, y) v(x 0, y 0 ) = D 2 v x x + ( D 2 ) u y x + D v y y + ε x + ( ε 2 ) y y + ε 2 x + ε y Tehát u-nak és v-nek totálisan deriválhatónak kell lenni (x 0, y 0 ) -ban és Vagyis u x = D = v y; u y = D 2 = v x. f (z 0 ) = D + jd 2 = u x(x 0, y 0 ) + j v x(x 0, y 0 ). (A bizonyítás gondolatmenete megfordítható. Így visszafelé is igaz.) M A Cauchy-Riemann egyenletek miatt további három képletünk is van: c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 5 v.2

f (z 0 ) = D + j D 2 = u x(x 0, y 0 ) + j ( u y(x 0, y 0 ) ) = = v y(x 0, y 0 ) + j ( u y(x 0, y 0 ) ) = = v y(x 0, y 0 ) + j v x(x 0, y 0 ) T Elégséges tétel f (z 0 ) létezésére: Ha u és v parciális deriváltjai léteznek K (x0,y 0 )-ban és itt folytonosak és a C R egyenletek teljesülnek (x 0, y 0 )-ban, akkor f (z 0 ). D f reguláris z 0 -ban, ha δ > 0, hogy f differenciálható K z0,δ-ban. D f reguláris a T tartományon (összefüggő és nyílt ponthalmaz), ha minden pontjában reguláris. Pl. f(z) = z 2 = (x + jy) 2 = x 2 y 2 + j 2xy u(x, y) = x 2 y 2 parciális deriváltak mindenütt léteznek és folytonosak v(x, y) = 2xy u x = 2x ; u y = 2y, v x = 2y, v y = 2y Így az u x = v y, u y = v x Cauchy-Riemann egyenletek mindenütt teljesülnek = f mindenütt deriválható = f mindenütt reguláris. És f (z) = u x + j v x = 2x + j 2y (= 2z) Pl. f(z) = z z 2 = (z z) z = z 2 z = (x 2 + y 2 ) (x + jy) = (x 3 + xy 2 ) + j (x 2 y + y 3 ) Így u(x, y) = x 3 + xy 2, v(x, y) = x 2 y + y 3 u és v parciális deriváltjai mindenütt léteznek és folytonosak u x = 3x 2 + y 2, v y = x 2 + 3y 2 ; u x = v y : 2x 2 = 2y 2 x = y u y = 2xy, v x = 2xy ; u y = v x : xy = 0 x = 0 vagy y = 0 Mindkét feltétel teljesül, ha ( x = y ) ( x = 0 y = 0 ) = f csak z = 0 -ban deriválható. Így sehol sem reguláris. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 6 v.2

D Harmonikus függvény g CH 2 harmonikus H -n, ha kielégíti a g = 0 aplace-féle parciális differenciálegyenletet. (g x x + g x 2 x 2 + + g x m x m = 0, kétváltozósra: g xx + g yy = 0) T Ha f = u + jv reguláris K z0,δ -ban (vagy egy T tartományban), akkor ott valós és képzetes része harmonikus függvény. B f(z) = u + jv u x = v y () u y = v x (2) x () : u xx = v yx y () : u xy = v yy y (2) : + u yy = v xy u = 0 x (2) : u yx = v xx v = 0 Felhasználtuk, hogy a regularitás miatt f (és így u és v is) akárhányszor differenciálható, amit később bizonyítunk. D Ha f(z) = u + jv reguláris K z0,δ -ban, akkor u -nak v harmonikus társa T Ha u harmonikus K z0,δ -ban ( u = 0, x+jy K z0,δ), akkor v harmonikus függvény (harmonikus társ) úgy, hogy f(z) = u(x, y) + jv(x, y) reguláris függvény. M A tétel egyszeresen összefüggő tartományban is igaz. M 2 Hasonlóan v -hez is u... ( B) Pl. Határozzuk meg α R értékét úgy, hogy az u(x, y) = x 2 + α y 2 egy reguláris komplex változós f függvény valós része legyen! f ( + 3j) =? c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 7 v.2

Megoldás: Ha f reguláris, akkor u harmonikus. Tehát u 0 -nak kell teljesülnie! Tehát u x = 2x, u xx = 2, u y = 2 α y, u yy = 2 α u xx + u yy = 2 + 2 α = 0 α =, vagyis u(x, y) = x 2 y 2 f meghatározásához elegendő u ismerete, hiszen van olyan képletünk, melyben csak u parciálisai szerepelnek: f ( + 3j) = u x(, 3) j u y(, 3) = 2 j( 6) = 2 + j6 Pl. Igazolja, hogy v(x, y) = x 3 x 2 3x y 2 + y 2 függvény egy reguláris f komplex változós függvény képzetes része lehet és írja fel az f függvényt! Megoldás: v harmonikusságát kell ellenőriznünk! v x = 3x 2 2x 3y 2, v xx = 6x 2, v y = 6xy + 2y, v yy = 6x + 2 Tehát v 0, v mindenütt harmonikus. Így létezik harmonikus társa. A két függvényt a Cauchy-Riemann parciális differenciálegyenletek kapcsolják össze, vagyis ()-ből: u x = v y = 6xy + 2y () u y = v x = 3x 2 + 2x + 3y 2 (2) u(x, y) = ( 6xy + 2y) dx = 3x 2 y + 2xy + C(y) Ennek y szerinti parciális deriváltját behelyettesítve (2)-be: 3x 2 + 2x + C (y) = 3x 2 + 2x + 3y 2 c (y) = 3y 2 C(y) = y 3 + K Tehát u(x, y) = 3x 2 y + 2xy + y 3 + K (K R), így a keresett f függvény f(z) = 3x 2 y + 2xy + y 3 + K + j (x 3 x 2 3x y 2 + y 2 ) 5. A differenciálhányados geometriai jelentése (64. oldal) egyen f differenciálható K z0 -ban, f (z 0 ) 0. Ekkor f (z 0 ) : a z 0 pontbeli nyújtási együttható; arc f (z 0 ) : a z 0 pontbeli elfordulási szög. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 8 v.2

B w = f(z) z α C z z 0 w w w 0 C β = α + arc f (z 0 ) w f (z 0 ) z (=differenciál) ( w = w w 0, z = z z 0 ) Ezért w f (z 0 ) z w w 0 z z 0 = w z f (z 0 ), tehát közelítőleg állandó, vagyis független a konkrét C-től. z w z 0 w 0 Tehát egy elegendően kis sugarú kör képe,,lényegében kör. Másrészt w f (z 0 ) z miatt: Ha z z 0, akkor w w 0 és Tehát lim w w 0 arc w arc f (z 0 ) + arc z lim z z 0 lim w w 0 arc z = α arc w = β arc w = β = arc f (z 0 ) + α Vagyis az elfordulás minden, a z 0 ponton átmenő görbére ugyanaz. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 9 v.2

6. Konform (konformis) leképezés (06. oldal) (,,A formát változatlanul megtartó ) D Az f komplex függvény által létesített leképezés a z 0 pontban lokálisan konform, ha ott a.) iránytartóan szögtartó b.) kismértékben aránytartó z z 2 z 0 z w w 2 w w 0 Vagyis z 2 z 0 z = w 2 w 0 w és w 2 w 0 z 2 z 0 w w 0 z z 0,,ényegében hasonlósági transzformáció. T Az f reguláris komplex függvény akkor és csak akkor képezi le a z sík valamely z 0 pontjának egy környezetét a w sík w 0 = f(z 0 ) pontjának egy környezetére kölcsönösen egyértelműen és konformisan, ha f (z 0 ) 0. 6.. Tartományok konform leképezése (09. oldal) D Az f komplex függvény által létesített leképezés a T (nyílt) tartományon konform, ha annak minden pontjában konform. T 2.2. A tartomány megmaradásának elve Ha az f konstans komplex függvény reguláris, akkor a nyílt tartomány képe nyílt tartomány. (Határpontokat határpontokba visz.) T 2.2.2 Ha az f komplex függvény egy T tartományon egyrétű, reguláris és f (z) 0, akkor a T tartományt kölcsönösen egyértelműen és konform módon képezi le egy T tartományra. Az előzőek megfordítása: Ha T és T egyszeresen összefüggő tartományok, akkor f(z), mely kölcsönösen egyértelműen és konformisan leképezi T -t T -ra. T 2.2.6 (Kerületek irányítása) A T és T tartományok kölcsönösen egyértelmű és konform leképezésénél kerületeik körüljárási iránya változatlan marad. Ennek következménye: hogy ha a T tartomány kerületének körüljárásánál a tartomány pl. balkéz felé esik, akkor a T képtartomány kerületének azonos irányú körüljárásánál T is balkéz felé esik. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 0 v.2

7. ineáris leképezések (6. oldal) Egyenes komplex egyenlete: Behelyettesítve: αx + βy + γ = 0 Így az egyenes komplex egyenlete: ( w = az + b; w = az + b ) cz + d x = z + z 2 ; y = z z 2j α 2 (z + z) + β (z z) + γ = 0 2j ( α 2 j β ) ( α z + 2 2 + j β ) z + γ = 0 2 }{{} := a az + a z + c = 0 vagy az + a z = c Kör komplex egyenlete: z z 0 2 = r 2 ( (x x0 ) 2 + (y y 0 ) 2 = r 2) (z z 0 )(z z 0 ) = r 2 zz z 0 z z 0 z + z 0 z 0 r 2 = 0 z 0 középpontú, r sugarú kör egyenlete 7.. ineáris egész függvény w = az + b = ϱ 0 r e j(ϕ+ϕ 0) + b a, b C adott, a = ϱ 0 e jϕ 0.) Kölcsönösen egyértelmű a teljes z és a teljes w sík között. (w( ) = ) 2.) Hasonlósági transzformációt létesít a teljes z síkon. { Ui.: az = ϱ 0 re j(ϕ+ϕ 0) nyújtás vagy zsugorítás (ϱ0 ) forgatás (ϕ 0 ) +b eltolás szuperpozíciója. Tehát a z sík bármely T tartományát a w sík egy hozzá hasonló T tartományára képezi le, amely a T -ből nagyítással (vagy kicsinyítéssel), elforgatással és párhuzamos eltolással jön létre. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. v.2

3.) A leképezés körtartó a teljes z síkon. A fentiek miatt kört körbe, egyenest egyenesbe visz át. 4.) A leképezés konform a teljes z síkon. w = a 0 = mindenütt konform. 5.) A leképezés fix (helyben maradó) pontjai: z =, illetve (z = az + b-ből:) z = b, ha a. a Pl. w = z + + j Mibe viszi át a leképezés az a.) Im z < 0 b.) Im z = 0 c.) Im z > 0 ponthalmazt? a.). megoldás: Im z = y < 0 z = e jπ z Im w > z j z w 2. megoldás: w = u + jv = (x + jy) + + j u = x +, v = y Im z = y < 0 y > 0 Im w = v = y > x tetsz. u = x + tetsz. b.) Im z = 0 képe Im w = (Határt határba visz.) c.) Az előzőek miatt: Im z > 0 képe Im w <. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 2 v.2

Pl. w = az + b =?, hogy a z sík bejelölt tartományát a w sík bejelölt tartományába vigye? w z π 4 2j Megoldás: w w z w = ϱ 0 e j 3π 4 z (ϱ 0 > 0) w = w 2j = w = ϱ 0 e j 3π 4 z 2j ϱ 0 R + 7.2. Reciprok függvény: w = z.) Kölcsönösen egyértelmű a teljes z és a teljes w sík között. Kiterjesztés ehhez: w(0) =, w( ) = 0. 2.) A w = leképezés a z = egységkörre és a valós tengelyre vonatkozó inverzió z (tükrözés) egymásutánja. B w = w, }{{} ahol inverzió a valós tengelyre Az utóbbihoz: w = z }{{} inverzió a z = körre D A z 0 középpontú, R sugarú K körre inverz pontok azok a z és ζ pontok, amelyek a K kör középpontjából induló valamely félegyenesen úgy helyezkednek el, hogy z z 0 ζ z 0 = R 2 c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 3 v.2

A z 0 középpont inverze legyen:. A mi esetünkben: w = z = = z e j arc z z ej arc z Tehát } a.) w z = w 0 z 0 = 2 (z 0 = 0, R = ) Inverzió a z = körre. b.) arc w = arc z Az egységkör ( z = ) pontjai helyben maradnak. 3.) A leképezés konform a z sík minden pontjában. ( ) Ui. w = = 0, ha z z z2 (z = 0-ra is z = -re is kiterjeszthető a fogalom.) 4.) A w = z leképezés kögyenes tartó leképezés. Azaz kör képe egyenes vagy kör, egyenes képe egyenes vagy kör kögyenes képe kögyenes. Röviden körtartó leképezésnek nevezzük az ilyen leképezést. B a.) Kört körbe vagy egyenesbe visz: zz z 0 z z 0 z + z 0 z 0 = r 2 w = z z = w ; z = w ww z 0 w z 0 w + z 0 z 0 = r 2 z 0 w z 0 w + z 0 z 0 ww = r 2 ww ( r 2 z 0 z 0 ) ww + z0 w + z 0 w = / ww Ha r 2 z 0 z 0 = 0, vagyis zz z 0 z z 0 z = 0 volt az egyenlet, tehát origón átmenő kör: z 0 w + z 0 w = : egyenes a képgörbe Ha r 2 z 0 z 0 0: (r 2 z 0 z 0 valós) z 0 z 0 ww + w + w = r 2 z 0 z }{{ 0 r } 2 z 0 z }{{ 0} := c = c r 2 z 0 z 0 : kör c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 4 v.2

b.) Egyenest körbe vagy egyenesbe visz: az + a z = c (c valós); z = w, z = w a w + a w = c / ww c w w a w a w = 0 Ha c = 0 (origón átmenő egyenes): aw + aw = 0 : egyenes a képgörbe (szintén origón átmenő) Ha c 0 : mindkét oldalhoz aa c egyenletet: = a 2 c -t hozzáadva és c -vel végigosztva az ww a c w a c w + aa c 2 = a 2 c 2 : origón átmenő kör 5.) Fix pontok: z = z z = ill. z = 7.3. Általános lineáris törtfüggvény a, b, c, d C, c 0 Ui.: w = az + b a cz + d = z + b c c z + d c w = z + K 3 : eltolás; = K + K 2 z + K 3 w 2 = w : inverzió egységkörre és a valós tengelyre; w 3 = K 2 w 2 : forgatás + nyújtás (zsugorítás); w = K + w 3 : eltolás körtartó leképezés Pl. Határozzuk meg a w = z leképezésnél az alábbi görbékhez rendelt képgörbék jellegét! c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 5 v.2

a.) z Többet mond: w = z = és w =. = w = z z = : z e = j arc z z e j arc z : w = z ; origó középpontú egységsugarú kör. arc w = arc z (Az utóbbi képletből látszik amit persze tudunk, hogy a valós tengelyre tükrözött.) Mibe viszi át a z < tartományt? z w = z > w b.) c.) 2z w = z e j arc z = w = 2 kör (tükrözve) z Origón átmenő kör. A képgörbe: kör vagy egyenes. Mivel z = 0 rajta van az ősképen, ehhez w = z a -t rendeli = képgörbe egyenes. z = nincs rajta az ősképen = az egyenes nem megy át az origón. w (v = mu + b; b 0) d.) + + z z = 0 nincs rajta = képgörbe kör z = nincs rajta = a kör nem megy át az origón + w + e.) z z = 0 rajta van = egyenes (w = rajta van) z = rajta van = w = 0 rajta van (Nem önmagába viszi!) w f.) w z 0, w z Pl. Hogyan kapható meg a w = z leképezésnél a képgörbe egyenlete? c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 6 v.2

a.) (w =) u + jv = x + jy ( = ) -ből x = z u u 2 + v 2, y = v u 2 + v 2 Ezt behelyettesítve az őskép egyenletébe megkapjuk a keresett egyenletet. b.) Most kevésbé jó: a 3 pontos módszer (lásd később). Pl. y = mx v u 2 + v = m u 2 u 2 + v 2 Pl. y = 3x = v = mu (Tükröződött az imaginárius tengelyre.) z w v = 3u Pl. y = mx + b v u 2 + v = m u 2 u 2 + v + b... 2 u2 + m b u + v2 + v = 0 : origón átmenő kör b Pl. x 2 + 2x + y 2 + 6y = 0 (Origón átmenő kör.) Egyenest várunk, mely nem megy át az origón. Behelyettesítve: u 2 (u 2 + v 2 ) 2 + 2 u u 2 + v 2 + v 2 (u 2 + v 2 ) 2 6v u 2 + v 2 = 0 / (u2 + v 2 ) 2 és rendezve (u 2 + v 2 )( + 2u 6v) = 0 = + 2u 6v = 0 Pl. Határozzunk meg egy olyan leképezést, mely az A halmazt a B halmazra képezi le. a.) A = {z : z r}, B = { w : w } r z w r r w = z (De w = e jϕ 0 z is jó.) b.) A = {z : z r }, B = {w : w r 2 } z w r r 2 c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 7 v.2

A leképezés közbülső lépése: w = z w w = r r 2 w Tehát w = r r 2 z egy ilyen leképezés. c.) A = {z : z a r }, B = {w : w b r 2 } z +a A leképezés közbülső lépései: w r w 2 r + b w w = w 3 + b w r 2 w = z a r w 2 = w w 3 = r r 2 w 2 Egy megfelelő függvény: w = r r 2 z a + b d.) A = {z : z a r }, B = {w : w b r 2 } z w +a + b Ez ugyanaz, mint az előző: w = r r 2 z a + b Pl. Mibe viszi át a w = z z 2j z 3 Im z z 2 z Re z függvény a z < 2 tartományt? Im w w 2 = w Re w w 3 c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 8 v.2

z = 2 w = 2 2 j2 2 + j2 2 + j2 = 4 + 4j 2 2 + 2 2 = 2 + j 2 z 2 = 2j w 2 = Re w 2 z 3 = 2 w 3 = 2 2 j2 = 2 j 2 8. Elemi függvények Definíciók: e z := e x (cos y + j sin y) sin z := ejz e jz 2j cos z := ejz + e jz 2 sh z := ez e z 2 ch z := ez + e z 2 A definíciók felhasználásával beláthatók az alábbi azonosságok:.) e z e z 2 = e z +z 2 2.) e z+2πj = e z (e z 2πj szerint periodikus) 3.) sin 2 z + cos 2 z = ( π ) 4.) sin z = cos 2 z 5.) sin(z ± z 2 ) = sin z cos z 2 ± cos z sin z 2 6.) cos(z ± z 2 ) = cos z cos z 2 sin z sin z 2 7.) sh(z ± z 2 ) = sh z ch z 2 ± ch z sh z 2 8.) ch(z ± z 2 ) = ch z ch z 2 ± sh z sh z 2 Mutassuk meg, hogy.) sin jz = j sh z 2.) sh jz = j sin z 3.) cos jz = ch z 4.) ch jz = cos z c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 9 v.2

a.) megoldása a szinusz függvény definíciójával: sin jz = ej(jz) e j(jz) 2j A többi hasonlóan látható be. = e z e z j 2 }{{} = j = j ez e z 2 = j sh z Írjuk fel u(x, y) + jv(x, y) alakban a sin z, cos z, sh z, ch z függvényeket! sin z = sin(x + jy) = sin x cos jy + cos x sin jy = sin x ch y + j cos x sh y Tehát u(x, y) = sin x ch y, v(x, y) = cos x sh y Hasonlóan megmutatható, hogy cos z = cos (x + jy) = cos x ch y j sin x sh y sh z = sh (x + jy) = sh x cos y + j ch x sin y ch z = ch (x + jy) = ch x cos y + j sh x sin y A Cauchy Riemann féle parciális differenciálegyenletek segítségével vizsgáljuk meg az e z, sin z, cos z, sh z, ch z függvényeket differenciálhatóság és regularitás szempontjából! e z = e x cos y + je x sin} y u(x, y) = e x cos y totálisan deriválhatók, mert a v(x, y) = e x sin y parciálisok léteznek és folytonosak } u x = e x cos y v y = e x cos y u y = e x sin y v x = e x = u x = v y sin y u y = v x (x, y)-ra Tehát mindenütt deriválható = mindenütt reguláris. (e z ) = u x + jv x = e x cos y + je x sin y = e z Hasonlóan belátható, hogy (sin z) = cos z (cos z) = sin z (sh z) mindenütt regulárisak = ch z (ch z) = sh z Az utóbbi deriváltak a függvények definíciójából a láncszabály segítségével is levezethetők. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 20 v.2

8.. Exponenciális függvény (47.o. 53.o.; 52. oldalon b.) nem kell) D e z := e x (cos y + j sin y) Tehát e z = e x ; arc e z = y Tulajdonságok: e z = e x (cos ( y) + j sin ( y)) = e x (cos y j sin y) = e z Továbbá igaz: e z e z 2 = e z +z 2 (e z ) z 2 = e z z 2 Tehát jogos a definíció. Periodikus függvény, periodusa 2πj. Ui.: e z+2kπj = e x+j(y+2kπ) = e z Tehát végtelen sokrétű leképezés. 0-át ill. -t soha nem veszi fel, minden más értéket igen. e z 0, mert e z = e x > 0 e z, mert csak a -ben vehetné fel, de lim e z z e z e z 0 (Két úton mást kapunk.) De w 0 -hoz z 0 : e z 0 = w 0, ha w 0 0 és w 0. Ui.: e z 0 = e x 0 e jy 0 = w 0 = ϱ 0 e jθ 0 (w 0 adott) = e x 0 = ϱ 0, vagyis x 0 = ln ϱ 0 és y 0 = Θ 0 + 2kπ. Tehát z 0 = ln ϱ 0 + j(θ 0 + 2kπ). Ha leszűkítjük az értelmezési tartományt a fősávra, akkor a leképezés már kölcsönösen egyértelmű lesz. Fősáv: π arc e z = y < π jπ z w jπ e z c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 2 v.2

w = e x, tehát x < 0 : w < x = 0 : w = x > 0 : w > e z mindenütt reguláris és mindenütt konform. Már láttuk: (e z ) = e z 0 8.2. ogaritmus függvény ill. reláció (52. o.) Az exponenciális függvény inverze. Ehhez e z értelmezési tartományát le kell szűkíteni, hogy a leképezés kölcsönösen egyértelmű legyen. Pl. a fősáv ban fennáll az invertálhatóság: z jπ w w = ln z jπ Értelmezési tartomány: C {0} w = ln z : z = e w z e j arc z = e u+jv = e u e jv Ahonnan kapjuk, hogy u = ln z (ez a valósból ismert függvény) v = arc z π arc z < π w = ln z = n 0 z = ln z + j arc z A többi sávban is elvégezhető az invertálás, így jutunk el az n z végtelen sokértékű relációhoz. n z = ln z + j(arc z + 2kπ) k = 0, ±,... n k z : ennek a k-adik ága. (Arc z = arc z + 2kπ jelölést is használjuk.) Pl. ln ( j) = ln 2 + j ( ) ( ) π 4 ; j = 2e jπ/4 n ( j) = ln 2 + j ( π + 2kπ) 4 ln j = ln + j π = j π; n j = j ( π + 2kπ) 2 2 2 c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 22 v.2

8.3. A hatványfüggvény általánosítása a komplex síkra z λ := e λ ln z z 0 ; z, λ C Pl. j +j = e (+j) ln j = e (+j) j π 2 = e j π 2 e π 2 = je π 2 9. Komplex vonalintegrál Megállapodások: T -vel tartományt jelölünk (összefüggő, nyílt ponthalmaz), G: a komplex sík egy irányított, rektifikálható görbeszakasza Jordan-görbe: (többszörös pont nélküli görbe) (96. o.) γ(t) = x(t) + jy(t); α t β síkbeli ponthalmaz Jordan-görbe, ha.) γ(t) folytonos t [α, β]-n 2.) γ(t) kölcsönösen egyértelműen képezi le az [α, β] bármely nyílt részintervallumát a komplex sík egy ponthalmazára (tehát γ(t ) = γ(t 2 ) akkor és csak akkor, ha t = t 2 ) A Jordan-görbe zárt, ha γ(α) = γ(β), egyébként nyílt. Sima Jordan-görbe: (érintője folytonosan változik) x, y C [α,β] Szakaszonként sima görbe: véges sok sima görbe folytonos csatlakozással A szakaszonként sima görbe mérhető ívhosszúságú: s = β γ(t) dt = β ẋ2 (t) + ẏ 2 (t) dt α α Egyszerű görbe: szakaszonként sima, irányított Jordan-görbe. ehet zárt és nyílt. Jelölése: C egyszerű. A komplex vonalintegrál definíciója C egyszerű; f értelmezett -en és itt f(z) korlátos. z 0, z,..., z n a befutás sorrendjében. P n (= F n ): a P n (F n ) felosztás finomsága: z k a szomszédos osztópontokat összekötő görbeszakaszok z ívhosszainak a maximuma. A = z 0 z k B = z n ζ k (reprezentációs pont) c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 23 v.2

D n f(z) dz = lim f(ζ k )(z k z k ) C P n 0 k= }{{} integrálközelítő-összeg Jelölés: f(z) dz; f(z) dz (zárt görbénél) Elégséges feltétel az integrál létezésére pl. f folytonossága. Érdekesség: c dz = 0, c C. Ugyanis minden integrálközelítő-összegre: n k= c (z k z k ) = c ((z z 0 ) + (z 2 z ) + + (z n z n )) = c (z n z 0 ) = 0 }{{} = 0 a zártság miatt A komplex vonalintegrál néhány tulajdonsága,, 2 egyszerű görbék, f és g integrálhatók,, 2 -n. f(z) dz = f(z) dz ( : ellentétes irányítással) c f(z) dz = c f(z) dz (f(z) + g(z)) dz = f(z) dz + g(z) dz 2 f(z) dz = f(z) dz + f(z) dz 2 f(z) dz M s, -en f(z) M, s: az görbe ívhossza 9.. Az integrál kiszámítása T : z(t) = x(t) + j y(t) vagy z(t) = r(t) e jϕ(t), z C [α,β], c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 24 v.2

f folytonos -en β β f(z) dz = f(z(t)) ż(t) dt = f(z(t))z (t) dt α α T 2 Newton eibniz-formula általánosítása: T ; T -n F : F (z) = f(z) ( primitív függvény) f(z) dz = F (B) F (A) AB Pl..) 2.) e jz dz = e j z dz =? ejz j 2 2j = j (e 2j e 2 ) 2j 2 x + y = 2 = z(t) = t + j(2 t) t [0, 2], ż(t) = j f(z(t)) = e j(t j(2 t)) = e 2 t+jt = e 2 e ( +j)t f(z(t)) ż(t) = ( j)e 2 e ( +j)t f(z) dz = 2 f(z(t)) ż(t) dt = 2 ( j)e 2 e ( +j)t dt = 0 2 = ( j)e 2 0 0 e ( +j)t dt == ( j)e 2 e( +j)t + j 2 0 = e 2 ( e 2+j2 ) Pl. Mutassuk meg, hogy { 0, ha n (z a) n dz = 2πj, ha n = a c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 25 v.2

z(t) = a + re jt (= (a + r cos t) + j(a 2 + r sin t)) ; ż(t) = jr e jt n = : dz 2π z a = 2π a + re jt a jrejt dt = j dt = 2πj n (n Z) : 0 0 2π 2π (z a) n dz = r n e jnt jr e jt dt = jr n+ e j(n+)t dt = jr n+ 0 0 ej(n+)t j(n + ) 2π 0 = 0 9.2. Cauchy-féle alaptétel T Ha f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon, akkor minden T -beli egyszerű zárt görbére: f(z) dz = 0 ( B) A Cauchy-féle alaptétel következményei: T f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon; T egyszerű. Ekkor f(z) dz értéke független -től, értéke csak a A AB végpontoktól függ. AB BA B AB BA AB f(z) dz = f(z) dz + f(z) dz = f(z) dz f(z) dz = 0 AB B T = f(z) dz = AB AB f(z) dz A B T T Ha f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon, akkor létezik primitív függvénye. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 26 v.2

z Pl. F (z) = f(z) dz az, ahol az integrálás tetszőleges z0 z egyszerű görbére végezhető. B ( B) z 0 T Cauchy-tétel többszörösen összefüggő tartományon: G i, i = 0,,..., n egyszerű, zárt görbék; G 0 körülveszi G,..., G n -et. f reguláris egy, a vonalkázott zárt tartományt tartalmazó többszörösen összefüggő tartományon. Ekkor vagyis n f(z) dz + f(z) dz = 0, G + 0 k= G k f(z) dz = G 0 n f(z) dz k= G k n = 3 esetén (G 0, G,..., G n azonos irányítású egyszerű zárt görbék) B (Vázlat) : f(z) dz = 0 =... M A Cauchy alaptétel akkor is igaz, ha olyan zárt görbe, amely véges sok egyszerű görbe egyesítése. T f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon az a, a 2,..., a n pontok kivételével (izolált szingularitások). G, G 2 T azonos irányítású egyszerű, zárt görbék és körülveszik az a,..., a n pontokat. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 27 v.2

Az adott feltételek mellett: G = f(z) dz = f(z) dz G 2 n k= k f(z) dz } {{ } a bizonyításhoz B Az előző tétel segítségével. T f a z 0 kivételével reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon, és létezik K z0,δ 0 T, melyben f korlátos. G T egyszerű, zárt görbe, mely körülveszi z 0 -t. Ekkor G f(z) dz = 0 B G f(z) dz = K = f(z) dz M }{{} 2δπ G f(z) dz = 0 s < ε, ha δ < ε 2Mπ (K : z z 0 = δ < δ 0 ) 9.3. Reguláris függvény előállítása integrálalakban egyszeresen összefüggő tartományon T Cauchy-féle integrálformula c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 28 v.2

f(z) = 2πj G + f(ζ) ζ z dζ Feltételek: f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon, G T egyszerű, zárt görbe, egyszer futja körbe a z pontot. B G + f(ζ) ζ z dζ = G + f(ζ) f(z) + f(z) ζ z = f(z) G + dζ = f(ζ) f(z) dζ ζ z } {{ } G + dζ = f(z) 2πj ζ z + z környezetében korlátos, hiszen f (z), z kivételével pedig reguláris. f(ζ) f(z) = dζ = 0 (az előző tétel miatt) ζ z G + G + f(z) ζ z dζ = 9.4. Magasabbrendű deriváltak létezése és integrál-előállítása T Általánosított Cauchy-féle integrálformula f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon; z T, G T egyszerű, zárt görbe, egyszer futja körbe a z pontot. Ekkor f z-ben akárhányszor deriválható függvény, és f (n) (z) = n! 2πj G + f(ζ) dζ n =, 2,... (ζ z) n+ Vagyis: ha f reguláris az egyszeresen összefüggő T tartományon, akkor ott akárhányszor differenciálható. ( B) c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 29 v.2

0. Komplex hatványsor (általánosított hatványsor).) Komplex elemű hatványsor (Pozitív kitevőjű hatványok végtelen összege.) a k (z z 0 ) k, ahol a k, z, z 0 C k=0 A valós esethez hasonlóan a sor konvergens, ha z z 0 < R, ahol R = lim sup n a n, illetve R = lim n a n a n+ z z 0 > R tartományon a hatványsor divergens, z z 0 = R : kérdéses eset. Speciális esetek: R = : a sor minden z -ben konvergens, R = 0 : a sor csak z = z 0 -ban konvergens. Pl. n=0 ( z + 2j 2 j ) n = n=0 ( ) n (z + 2j) n 2 j : geometriai sor, így konvergenciáját ismerjük. Konvergencia tartomány: q = z + 2j z + 2j 2 j = < = z + 2j < 5, 5 tehát a z 0 = 2j pont 5 sugarú környezetében konvergens. 2.) Negatív kitevőjű hatványok végtelen összege: b k (z z 0 ) = c k k (z z 0 ) k, ahol b k (= c k ), z, z 0 C k= k= A konvergencia vizsgálatot u = helyettesítéssel visszavezetjük az elöző esetre: z z 0 b k u k konvergens, ha u < R = z z 0 < R k= = r := R < z z 0 Tehát most a konvergencia tartomány egy kör ( r sugarú) külseje, a belső pontokban divergencia van, a körvonal pontjai kérdésesek. ( R -et itt is a valósból ismert képlettel számolhatjuk.) Speciális esetek: r = : a sor egyetlen pontban sem konvergens, c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 30 v.2

r = 0 : a sor z = z 0 kivételével minden z -ben konvergens. 3.) Általánosított komplex hatványsor: a k (z z 0 ) k + b k (z z 0 ) = k k=0 k= k= c k (z z 0 ) k = =... + c 2 (z z 0 ) 2 + c z z 0 + c 0 + c (z z 0 ) + c 2 (z z 0 ) 2 +... c k, z, z 0 C Az általánosított hatványsor konvergencia tartománya az előző típusú konvergencia tartományok közös része lehet, tehát egy z 0 középpontú nyílt körgyűrű: Gy z0, r, R = {z : r < z z 0 < R}, ahol r = a belső kör sugara, R = a külső kör sugara A gyűrű határpontjaiban a konvergencia kérdéses. Speciális esetek: K z0,r, K z0,r, C, Az általánosított hatványsor tulajdonságai T Ha a korlátos és zárt T Gy z0, r, R (gyűrű, nyílt halmaz) az általánosított hatványsor konvergencia gyűrűjének, akkor c k (z z 0 ) k egyenletesen konvergens a T tartományon. k= T 2 Ha z Gy z0, r, R nyílt gyűrűnek, akkor c k (z z 0 ) k folytonos z -ben. k= T 3 Ha z Gy z0, r, R nyílt gyűrűnek, akkor k= c k (z z 0 ) k akárhányszor differenciálható z -ben ( = reguláris z -ben) és az összegfüggvény deriváltját tagonkénti deriválással kaphatjuk meg. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 3 v.2

T 4 egyszerű görbe, Gy z0, r, R, akkor c k (z z 0 ) k dz = c k (z z 0 ) k dz k= k= azaz tagonként szabad integrálni. Mi a kapcsolat egy hatványsor összegfüggvénye és az együtthatók között? T Ha ekkor f(z) := n= c n = 2πj G + c n (z z 0 ) n, f(ζ) dζ, (ζ z 0 ) n+ ahol G + Gy (Gy: a sor konvergencia gyűrűje) B (Vázlat) Felhasználjuk, hogy... =..., ha r < ϱ < R, és mivel a konvergencia egyenletes, tagonként integrálhatunk. G K z0,ϱ.) f(z) dz = Tehát n = - re igaz az állítás. c n (z z 0 ) n dz n= K K }{{} { 2πj, ha n = = 0, egyébként = c 2πj D res f(z) := c = f(z) dz : residuum (maradvány) z=z 0 2πj G + ha speciálisan a KT.: 0 < z z 0 < R c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 32 v.2

2.) Osszuk el a sort (z z 0 ) -lal: f(z) dz = c 0 2πj + 0 + z z 0 K Tehát n = 0- ra is igaz. 3.) Osszuk el pl. (z z 0 ) -gyel: f(z) (z z 0 ) = f(z) (z z 0) = + c 2 + c + c 0 (z z 0 ) + z z 0 = Tehát n = 2- re is igaz. Stb. K f(z) (z z 0 ) dz = c 2 2πj. aurent sor D f reguláris Gy : r < z z0 < R - en, f(z) = c n (z z 0 ) n, n= ahol ahol G + Gy c n = 2πj G + f(ζ) dζ, (ζ z 0 ) n+ Ha f reguláris z z 0 < R -en: n < 0- ra: c n = 0, hiszen n 0- ra: c n = 2πj G + f(ζ) (ζ z 0 ) n+ is reguláris f(ζ) dζ = (ζ z 0 ) n+ 2πj 2πj f (n) (z 0 ) n! = f (n) (z 0 ) n! (Taylor-együtthatók) c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 33 v.2

Tehát ekkor speciális esetként Taylor-sort kapunk. D A H nemüres nyílt halmaz bármely pontja körül hatványsorba fejthető komplex függvények a H halmazon analitikus függvények. T Az f komplex függvény akkor és csak akkor analitikus egy H halmazon, ha ott reguláris. Példák: l. előadás és gyakorlat.. Izolált szingularitások D f-nek izolált szingularitása van z 0 -ban, ha f z 0 -ban nem differenciálható, de f reguláris K z0,δ = K z0,δ \ {z 0 }-ban. Izolált szingularitások osztályozása (z 0 az izolált szinguláris pont).) Megszüntethető szingularitás: lim z z0 f(z) (= c 0 ) (A z 0 közvetlen környezetében konvergens, (z z 0 ) hatványait tartalmazó sorban nincs negatív kitevőjű tag.) 2.) Pólus: lim z z0 f(z) = D A pólus n-edrendű, ha lim z z0 (z z 0 ) n f(z) 0 (= c n ) (A sorban véges sok negatív kitevőjű tag van.) 3.) ényeges szingularitás: lim f(z) ( sem!) z z0 (A megfelelő sorban végtelen sok negatív kitevőjű tag van.) c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 34 v.2

.2. Residuum-tétel T T egyszeresen összefüggő tartomány; a, a 2,..., a n f reguláris ezen pontok kivételével izolált szingularitások; G + f(z) dz = 2πj n k= res f(z) z=a k B G + f(z) dz = n k= G k f(z) dz =.3. Residuumok meghatározása.) Sorfejtéssel 2.) Elsőrendű pólus esetén: res z=z 0 f(z) = lim z z0 ((z z 0 ) f(z)) 3.) f(z) = g(z) h(z) ; g és h reguláris a z = z 0 pont egy környezetében; h(z 0 ) = 0, de h (z 0 ) 0 res z=z 0 4.) Ha z = z 0 n-edrendű pólus: res f(z) = z=z 0 g(z) h(z) = g(z 0) h (z 0 ) (n )! lim z z 0 d n dz n ((z z 0) n f(z)) c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 35 v.2

2. Néhány példa Pl. f(z) = z 2 +.) Állítsa elő a függvény z 0 = j bázispontú összes aurent-sorfejtését! 2.) z 2 + dz =? z 2j =2 Megoldás:.) f(z) = z j z + j = z j g(z) g(z) sorfejtését kell megcsinálni a megfelelő körgyűrűn, és minden tagot megszorozni z j -vel. g(z) = z + j = z j + 2j α.) β.) g(z) = 2j q = z j 2j (z j) 2j KT.: 0 < z j < 2 g(z) = z j = 2j ( ) k (z j) = 2j k=0 ( ) k+ ( ) k (z j) k = 2j k=0 = 2j (z j) + (2j) 2 (2j) (z 3 j)2 + KT.: q = z j z j 2j = < = z j < 2 2 f(z) = z j g(z) = ( ) k+ ( ) k (z j) k = 2j = 2j 2j z j k=0 z j (2j) + (z j) + 2 (2j) 3 = z j k=0 ( ) k 2j = z j k=0 = z j 2j (z j) 2 + (2j)2 (z j) 3 ( 2j) k (z j) k+ = c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 36 v.2

q = 2j z j KT.: q = 2j z j = 2 z j < = z j > 2 f(z) = z j g(z) = ( 2j) k (z j) = k+2 (z j) 2j 2 (z j) + 3 KT.: z j > 2 M Másik lehetőség: k=0 f(z) = z 2 + = (z j)(z + j) = A z j + B z + j = f (z) + f 2 (z) A és B meghatározása után f (z) sorfejtése kész, és csak f 2 (z) sorfejtése van hátra. 2.) z 2j =2 z 2 + dz = 2πj res f(z) = 2πj z=j 2j = π Vigyázat! res f(z) a j pont közvetlen környezetében konvergens konvergens, (z j) z=j hatványait tartalmazó aurent-sor c együtthatója, tehát az α sorból kell leolvasni! M Természetesen a Cauchy-féle integrálformula alkalmazásával is megkapható az integrál értéke. Pl. f(z) = z (z 2) 2 (z + ) Adja meg a z 0 = 2 bázispontú aurent-sorfejtéseket! Megoldás: (z 2) hatványait tartalmazó konvergens aurent-sorba fejthető az α.) 0 < z 2 < 3 β.) z 2 > 3 körgyűrűkön. Útmutató: z (z 2) 2 (z + ) = A (z 2) + B 2 z 2 + C z + A, B, C meghatározható. Az első két tag sorfejtése önmaga, KT.: z 2 > 0. Csak a harmadik tag sorfejtését kell elvégezni. c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 37 v.2

Vagy: f(z) = g(z) sorfejtését kell elvégezni, és minden tagot z (z 2) 2 z + = (z 2) g(z) 2 g(z) = z z + = z + 2 z + Az első tag kész, a második tagot kell sorbafejteni: z + = 3 (z 2) + 3 = (z 2) 3 z 2 -nel beszorozni. (z 2) 2 3 z 2 = 2 z + = q = z 2 3 = q = 3 z 2 Pl. Állapítsa meg a szingularitás jellegét és a residuumot a szinguláris pontban!.) f(z) = e z 2 2.) g(z) = z 2 ez Megoldás: Felhasználjuk, hogy.) 2.) e u = + u + u2 2! + u3 3! + + un + u C - re. n! e z 2 = + z + 2 2! z + + + z > 0 4 n! z2n res e z 2 = c = 0; z = 0 lényeges szingularitás (végtelen sok negatív kitevőjű tag van) z=0 res z=0 z 2 ez = c = ; z 2 ez = z + 2 z + 2! + z 3! + + zn 2 + z > 0 n! z = 0 másodrendű pólus Pl. z =3 e 2z 8z 3 dz = I =? c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 38 v.2

. megoldás: A Cauchy-féle általánosított integrálformula szerint: (f reguláris T egyszeresen összefüggő tartományon) f(z) 2πj dz = f (n) (z (z z 0 ) n+ 0 ) n! G + f(z) = 8 (e2z ) mindenütt reguláris; n + = 3 = n = 2; z 0 = 0 Ezért: I = 2πj 2! d 2 dz 2 ( 8 (e2z )) = z=0 2πj 2! 8 22 e 2z = j π z=0 2 2. megoldás: Dolgozhatunk a residuum tétellel is, mert most könnyen meghatározható sorfejtéssel a residuum. KT.: z > 0 e 2z = + 2z + (2z)2 2! g(z) = e2z 8z 3 = 2 8 + (2z)3 3! + z C-re z + 22 2 8 2! z + 23 8 3! + 24 8 4! + res g(z) = c = 22 z=0 8 2! = 4 = I = 2πj res g(z) = 2πj z=0 4 = j π 2 M Egyébként a sorfejtésből az is leolvasható, hogy a z 0 = 0 szingularitás másodrendű pólus. Pl. f(z) = sin (z + 2j) (z + 2j) 2 z.) Hol és milyen szingularitása van f-nek? 2.) f(z) dz =? Megoldás: z =3.) Szinguláris pontok: 2j, 0. Mindkettő elsőrendű pólus, mert: lim (z + z 2j 2j) f(z) = lim z 2j sin (z + 2j) z + 2j } {{ } z = 2j = j 2 0 c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 39 v.2

ill. sin (z + 2j) lim zf(z) = lim = z 0 z 0 (z + 2j) 2 sin 2j (2j) = j sh 2 2 (2j) = j sh 2 2 4 = j sh 2 4 2.) Mivel elsőrendű pólus esetén lim (z z 0 )f(z) = res f(z), z z 0 z=z 0 az előbb megkaptuk a residuumokat, és így célszerű a residuum tételt alkalmazni. ( ) ( f(z) dz = 2πj res f(z) + res f(z) = 2πj j z= 2j z=0 2 j sh 2 ) = π + π sh 2 4 2 z =3 c Kónya I. Fritz Jné Győri S. 40 v.2