1 Määritelmä ja perusominaisuuksia. 2 Laskutoimitukset kompleksiluvuilla. 3 Reaaliluvut ja kompleksiluvut. 4 Kompleksilukujen algebraa

Samankaltaiset tiedostot
Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Mat Matematiikan peruskurssi KP3-i. Osa I. Kompleksiluvut. TKK lokakuuta Määritelmä ja perusominaisuuksia

1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Kompleksiluvut Kompleksitaso

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

Kompleksiluvut. JYM, Syksy /99

Simo K. Kivelä. Kompleksiluvut Versio 1.01,

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Kompleksianalyysi Funktiot

KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012

Johdatus matematiikkaan

Kompleksianalyysi. Jukka Kemppainen. Mathematics Division

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Kaikki tarpeellinen kompleksiluvuista

2. Funktiot. Keijo Ruotsalainen. Mathematics Division

Yksinkertaisin (jollain tavalla mielenkiintoinen) yhtälö lienee muotoa. x + a = b,

(a, 0) + (c, 0) = (a + c, 0)

Kompleksilukujen alkeet

Johdatus matematiikkaan

Kompleksiluvut Kompleksitaso Kompleksifunktiot ja kuvaukset Funktioiden raja-arvo, jatkuvuus ja derivaatta Eräitä kompleksifun.

Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }

Mat-1.433/443 Matematiikan peruskurssit K3/P3 syksy 2004 KOMPLEKSILUVUT JA -FUNKTIOT. Sisältö

Kompleksianalyysi, viikko 5

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

6. Kompleksiluvut. Kompleksilukuja esiintyy usein polynomiyhtälöiden ratkaisuina. Esim:

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

1 Kompleksitason geometriaa ja topologiaa

MS-A0002 Matriisilaskenta Luento 1:Vektorit ja lineaariyhdistelyt

Kolmannen asteen yhtälön ratkaisukaava

Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.

Mat Matematiikan pk KP3-i - kertaus

Sisältö MONISTEESTA...2 KOMPLEKSILUVUT...4 JOHDANNOKSI...4 KERTAUSTA LUKUJOUKOISTA...4 HUOMAUTUS...8 KOMPLEKSILUKUJEN MÄÄRITTELY...5 ARGUMENTTI...

Potenssisarja, suppenemissäde. Potenssisarja ja derivointi. Potenssisarja ja analyyttiset funktiot. Potenssisarja ja integrointi.

3.3 Funktion raja-arvo

Algebra. 1. Ovatko alla olevat väittämät tosia? Perustele tai anna vastaesimerkki. 2. Laske. a) Luku 2 on luonnollinen luku.

z Im (z +1) 2 = 0. Mitkä muut kompleksitason pisteet toteuttavat tämän yhtälön? ( 1) 0 z ( 1) z ( 1) arg = arg(z 0) arg(z ( 1)), z ( 1) z ( 1)

z 1+i (a) f (z) = 3z 4 5z 3 + 2z (b) f (z) = z 4z + 1 f (z) = 12z 3 15z 2 + 2

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Funktiot ja raja-arvo P, 5op

1 Analyyttiset funktiot

HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotuksia

2. Kompleksiluvut. 2A. Kompleksilukujen konstruktio

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

2 Funktion derivaatta

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

TRIGONOMETRISET JA HYPERBOLISET FUNKTIOT

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kompleksilukujen hyödyntäminen vaihtosähköpiirien

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

Funktion määrittely (1/2)

Täydellisyysaksiooman kertaus

Rollen lause polynomeille

Mat-1.433/443 Matematiikan peruskurssit K3/P3 syksy 2003 KOMPLEKSILUVUT JA -FUNKTIOT (VIIKKO 37) Sisältö. Johdanto

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Kompleksianalyysi I. Helsingin yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Syyslukukausi Kari Astala

Residylaskenta ja sen sovelluksena äärettömien sarjojen summien laskeminen ja Mittag-Leerin laajennuslause

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

Funktioteoria I. Helsingin yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Syyslukukausi 2009

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista

C = {(x,y) x,y R} joiden joukossa on määritelty yhteen- ja kertolasku seuraavasti

Kompleksilukujen kunnan konstruointi

Äärettömät raja-arvot

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Kompleksianalyysi. Tero Kilpeläinen

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

Sisältö. Sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 17

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Valintakoe

Kompleksianalyysi 1. Tero Kilpeläinen

Todista, että jokaisella parittoman asteen reaalikertoimisella polynomilla on ainakin yksi reaalinen nollakohta. VASTAUS: ...

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Kompleksianalyysi, viikko 6

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

5. lukujonot ja sarjat.

Kompleksiluvut. Johdanto

Transkriptio:

1 ja perusominaisuuksia 2 Laskutoimitukset kompleksiluvuilla 3 Reaaliluvut ja kompleksiluvut Matematiikan peruskurssi KP3 I OSA 1: Johdatus kompleksilukuihin 4 Kompleksilukujen algebraa 5 Kompleksitaso 6 Polaarimuoto Antti Rasila Jan v.pfaler (modif.) 7 Eulerin kaava 8 De Moivren kaava 11. syyskuuta 2007 9 Kompleksiluvun juuret 10 Logaritmifunktiot 11 Topologiaa 12 Yhtenäisyys, alueet 13 Raja-arvo, jatkuvuus Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 1 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 2 / 58 Perusominaisuuksia Kompleksiluku on z = x + iy, missä imaginaariyksikkö i toteuttaa yhtälön i 2 = 1 ja x, y ovat reaalisia. Re z = x on z:n reaaliosa. Im z = y on z:n imaginaariosa. Esimerkki Kompleksiluvun 4 8i reaaliosa on 4 ja imaginaariosa 8. Kompleksiluvut z = a + ib ja w = c + id ovat yhtäsuuret täsmälleen silloin, kun a = c ja b = d. Erityisesti kompleksiluku z = a + ib on nolla täsmälleen silloin, kun a = 0 ja b = 0. Vertailuoperaatiot <, eivät ole määriteltyjä kompleksiluvuille. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 3 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 4 / 58

Laskutoimitukset kompleksiluvuilla Olkoot z = a + ib ja w = c + id kompleksilukuja. Tällöin laskutoimitukset saadaan seuraavasti. Summa: Vastaluku Tulo: z + w = (a + c) + i(b + d). z + ( 1)z = z + ( z) = 0. Laskutoimitukset kompleksiluvuilla, esimerkki Olkoon z = 3 + 4i, w = 1 5i. z + w = 4 i, z w = 2 + 9i, zw = 3 1 + 4 5 + i(4 1 3 5) = 23 11i, zw = (a + ib)(c + id) = ac + i 2 bd + iad + ibc = (ac bd) + i(ad + bc). Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 5 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 6 / 58 Imaginaariyksikön potenssit Reaaliluvut ja kompleksiluvut i 2 = 1, i 3 = i, i 4 = 1,..., i 4 10+3 = i 3 Jos z = a + 0i, eli Im z = 0 niin z on reaaliluku. Jos imaginaariosa on nolla, kaavat palautuvat tunnetuiksi reaalilukujen ominaisuuksiksi. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 7 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 8 / 58

Kompleksilukujen algebraa Vaihdannaisuus: z + w = w + z, Liitännäisyys: zw = wz. Kompleksikonjugaatti eli liittoluku Konjugaatti Kompleksiluvun z = x + iy kompleksikonjugaatti eli liittoluku z := x iy (z + w) + u = z + (w + u), (zw)u = z(wu). z + w = z + w, zw = z w. Osittelulaki: z(w + u) = zw + zu. z + z = 2 Re z, z z = i2 Im z. Re z = z + z 2 z z, Im z =. 2i z = z. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 9 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 10 / 58 Seurauksia Seuraus 1 Reaalikertoimiselle kompleksimuuttujan polynomille pätee P(z) = P( z). Todistus. Lasketaan P(z) = a 0 + a 1 z + a 2 z 2 +... + a n z n P(z) = a 0 + a 1 z + a 2 z 2 +... + a n z n = ā 0 + ā 1 z + ā 2 z 2 +... + ā n z n. Koska a k on reaalinen, ā k = a k kaikilla k = 0,..., n, saadaan Seurauksia Seuraus 2 Reaalikertoimisen polynomin nollakohta on joko reaalinen tai kompleksisessa tapauksessa liittolukupari. Todistus. Olkoon z = x + iy reaalikertoimisen polynomin P kompleksinen nollakohta. Edellisen nojalla saadaan joten myös z on P:n nollakohta. 0 = 0 = P(z) = P( z), P( z) = a 0 + a 1 z + a 2 z 2 +... + a n z n = ā 0 + ā 1 z + ā 2 z 2 +... + ā n z n = P(z). Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 11 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 12 / 58

Kompleksitaso Yhteen- ja vähennyslaskun geometrinen tulkinta (Caspar Wessel 1797, Jean Argand 1806) Moduli eli itseisarvo: r z = x 2 + y 2 = z z. Argumentti eli vaihekulma: θ arg z = arctan y x. Kompleksilukujen yhteen- ja vähennyslasku vastaavat vektorien laskutoimituksia. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 13 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 14 / 58 Liittoluvun tulkinta Liittoluvulle voidaan antaa geometrinen tulkinta kompleksitasossa Modulin ominaisuuksia Kaikilla z C, kompleksiluvun moduli z 0, erityisesti z = 0 z = 0. Kerto ja jakolasku: zw = z w Kolmioepäyhtälö: z + w z + w. eli peilaus reaaliakselin suhteen. Normi: ( x + iy = x y) Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 15 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 16 / 58

Käänteisluku Kolmioepäyhtälön todistus Selvästi z z z 2 = z z z 2 = 1 kaikilla z 0, z C, niinpä voimme kirjoittaa z 1 = Kahden kompleksiluvun osamäärälle pätee siten ja modulille z w = z w, z 1 = z 1, w z = w z z z z z 2. z k = z k, kokonaisluvuille k Lasketaan z + w 2 = (z + w)(z + w) = z z + z w + zw + w w = z 2 + z w + zw + w 2. Koska z w = z w = zw, ja siis z w + zw = z w + z w = 2 Re (z w) 2 z w, saadaan z + w 2 z 2 + 2 z w + w 2 = ( z + w ) 2. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 17 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 18 / 58 Kolmioepäyhtälön geometrinen tulkinta Kolmioepäyhtälön geometrinen tulkinta Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 19 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 20 / 58

Kolmioepäyhtälön geometrinen tulkinta Seuraus Jonolla z 1, z 2,... on raja-arvo z, merkitään lim n z n = z, jos kaikille ε > 0 on olemassa sellainen N, että z n z < ε, kun n > N. Lause Olkoon (z n ) jono kompleksilukuja. Tällöin lim n z n = z, jos ja vain jos lim n Re z n = Re z ja lim n Im z n = Im z. Todistus. Seuraa välittömästi kolmioepäyhtälöstä. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 21 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 22 / 58 Argumentin päähaara Polaarimuoto Argumentin arvot ovat välillä π < θ Arg z +π. Kuvasta nähdään: { x = r cos θ, y = r sin θ. Siis Yleisesti: arg z = θ + 2nπ, z = x + iy = r cos θ + ir sin θ. missä θ on päähaaran arvo ja n on mikä tahansa kokonaisluku. Saadaan kompleksiluvun esitys polaarimuodossa: z = r(cos θ + i sin θ). Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 23 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 24 / 58

Eulerin kaava Eksponenttifunktiolle ja trigonometrisille funktioille pätevät kaikille reaaliluvulle t seuraavat sarjaesitykset: e t = 1 + t + t2 2! + t3 3! +... + tn n! +... (7.1) sin t = t t3 3! + t5 5!... + ( 1)k t 2k+1 +... (7.2) (2k + 1)! Eulerin kaava, jatkoa Jos hyväksytään annetut sarjaesitykset, niin: e it = 1 + it + (it)2 2! = 1 + it + i 2 t 2 + (it)3 3! + i 3 t 3 2! 3! ( 4! +... + i = 1 t2 2! + t4 = cos(t) + i sin(t). +... +... t t3 3! + t5 ) 5!... cos t = 1 t2 2! + t4 4!... + ( 1)k t 2k (2k)! +... (7.3) Huomaa: potenssisarjaesitykset suppenevat kaikilla t R, joten sarjan termien järjestys voidaan vaihtaa. Saadaan Eulerin kaava: e iθ = cos θ + i sin θ. (7.4) Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 25 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 26 / 58 Seurauksia, identiteetit trigonometrisille funktioille Koska Saadaan seuraavat kaavat: e iθ = cos(θ) + i sin(θ) e iθ = cos( θ) + i sin( θ) cos θ = eiθ + e iθ 2 = cos(θ) i sin(θ)., sin θ = eiθ e iθ. (7.5) 2i Identiteetit trigonometrisille funktioille Yleisesti kompleksiluvulle z = x + iy määritellään sarjan avulla e z := 1 + z + 1 2 z2 +... = e x+iy = e x e iy Samalla tavalla käyttäen sarjaa määritelmänä cos z := = 1 2 (eiz + e iz ), sin z := = 1 2i (eiz e iz ), Huomaa, että tämän seurauksena pätee e z = cos z + i sin z tan z := sin z cot z := cos z cos z, sin z. Huomaa: Sarjat suppenevat koska suppenemista voidaan tarkastella erikseen osasummien reaali- ja imaginaariosille; niiden suppeneminen vuorostaan palautuu reaalisten sarjojen ominaisuuksiin. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 27 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 28 / 58

Hyperboliset funktiot Määritellään: Saadaan kaavat cosh z := cos(iz), i sinh z := sin(iz). cosh z = ez + e z, sinh z = ez e z. 2 2 Kuten edellä, voidaan myös määritellä tanh z = sinh z cosh z, cosh z coth z = sinh z. Identiteettejä eksponenttifunktiolle e iθ = cos θ + i sin θ = Siis cos 2 θ + sin 2 θ = 1. e iθ = 1. (7.6) Koska e z = e x+iy = e x e iy = e x (cos y + i sin y), saadaan e z = e x, arg(e z ) = y, (7.7) e i2π = 1, e iπ/2 = i, e iπ = 1 ja e iπ/2 = i. (7.8) e z+i2π = e z e i2π = e z. (7.9) Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 29 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 30 / 58 Kertolaskun geometrinen tulkinta De Moivren kaava Lasketaan esitys kompleksiluvun kokonaislukupotenssille: Sovelletaan Eulerin kaavaa kompleksilukujen kertolaskuun: w = z 1 z 2 = r 1 e iθ1 r 2 e iθ 2 = (r 1 r 2 )e i(θ 1+θ 2 ). Kompleksilukujen kertolaskussa: modulit kerrotaan z 1 z 2 = z 1 z 2, ja argumentit lasketaan yhteen arg(z 1 z 2 ) = arg(z 1 ) + arg(z 2 ). z n = (re iθ ) n = r n e i(nθ) = r n (cos nθ + sin nθ). Erityisesti, jos r = 1, saadaan: Lause (De Moivre) (cos θ + i sin θ) n = cos nθ + i sin nθ. (8.1) Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 31 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 32 / 58

Kompleksiluvun juuret Kompleksiluvun juuret, jatkoa Kaikki luvun z n:net juuret saadaan siis kaavasta De Moivren kaava on erityisen hyödyllinen etsittäessä kompleksiluvun z 0 0 n:nsiä juuria. Jos z n = z 0, voidaan kirjoittaa z = re iθ ja z 0 = r 0 e iθ 0, ja saadaan r n e inθ = r 0 e iθ 0, eli r = n r 0 ja nθ = θ 0 + 2kπ, missä r = n r 0 on positiivisen reaaliluvun r 0 n:s juuri. n z0 e i(θ0+2kπ)/n, (9.1) missä k on mikä tahansa kokonaisluku. Havaitaan myös, että jokainen k = 0, 1,..., n 1 antaa eri arvon, mutta muut k:n arvot vain toistavat jonkun edellisistä, koska e 2πik/n = 1, kun k/n on kokonaisluku joten e 2πi(k+n)/n = e 2πik/n e 2πin/n = e 2πik/n. Siten kompleksiluvulla z 0 0 on täsmälleen n n:ttä juurta. Kaavasta (9.1) havaitaan myös, että kaikki juurilla on sama itseisarvo n z0, ja argumentit ovat tasavälisiä. Siksi kaikki juuret sijaitsevat origokeskisen ympyrän kehällä. Ympyrän säde on n z 0. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 33 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 34 / 58 Kompleksiluvun juuret, jatkoa Olemme osoittaneet: Lause Jos z = e iθ 0, yhtälöllä w n = z on täsmälleen n erillistä ratkaisua, jotka saadaan kaavasta w k = n re i(θ+2kπ)/n, (9.2) missä k = 0, 1,..., n 1, n r on luvun r = z positiivinen n:äs juuri ja θ = Arg z. Ykkösen juuret: z n = 1 Esimerkki Ykkösen n:net juuret, yhtälön z n = 1 ratkaisut, saadaan kaavasta ω k = e i2kπ/n, k = 0, 1,..., n 1. (9.3) Kuva: Ykkösen n:net juuret, kun n = 3 ja 8. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 35 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 36 / 58

Ykkösen juuret, jatkoa Logaritmifunktiot Asetetaan jollakin kokonaisluvulla n, ω = e 2πi/n 1. Selvästi ω n = 1, ja kaikki ykkösen n:nnet juuret ovat tällöin 1, ω, ω 2, ω 3,..., ω n 1. Koska ω 1, saamme 0 = ω n 1 = (ω 1)(1 + ω + ω 2 +... + ω n 1 ). 1 + ω + ω 2 +... + ω n 1 = 0. On luonnollista ajatella logaritmifunktiota eksponenttifunktion käänteiskuvauksena. Palautetaan mieleen seuraavat eksponenttifunktion perusominaisuudet reaaliluvuille: e x > 0 kaikille x R, e x, kun x, e x = 1/e x (joten e x 0, kun x ), x ex = e x, ja siten e x on aidosti kasvava. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 37 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 38 / 58 Logaritmifunktiot, jatkoa Eksponenttifunktio e x on siis jatkuva, aidosti kasvava ja derivoituva funktio R:ltä joukolle R + = {x R : x > 0}. Siten sillä on jatkuva ja aidosti kasvava käänteiskuvaus, (luonnollinen) logaritmi (kantaluku e) ln: R + R, jolle pätee ln x = y on yhtälön e y = x ratkaisu. Erityisesti jokaiselle x > 0 on olemassa täsmälleen yksi sellainen y, että e y = x. Logaritmifunktiot, jatkoa Samaan tapaan voidaan määritellä kompleksiluvun z logaritmi w C yhtälön e w = z ratkaisuna, eli kirjoitetaan w = ln z, jos e w = z. Koska e w 0 kaikilla w C, luvulla 0 ei ole logaritmia. Tarkastellaan mielivaltaista kompleksilukua z 0 polaarimuodossa z = z e Arg z = re iθ (r = z > 0, π < θ π). Ratkaistaan yhtälö w = ln z. Jos kirjoitetaan w = x + iy (x, y R), niin yhtälö e w = z saadaan muotoon e x+iy = re iθ joten e x = r, e (y θ)i = 1, eli x = ln r, v = θ + 2kπ, k Z, Saadaan siis seuraava kaava kompleksiluvun z 0 logaritmille: w = ln z = ln z + i(arg z + 2kπ), k Z. jos ymmärrämme arg z joukkona: w = ln z = ln z + i arg z Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 39 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 40 / 58

Logaritmin päähaara Esimerkkejä Logaritmin päähaara (merkitään Ln ) vastaa argumentin päähaaraa. Toisin sanoen, jos z 0, niin Ln z = ln z + iarg z, π < Arg z π. Jos z on positiivinen reaaliluku (eli Arg z = 0), tämä vastaa merkinnän merkinnän ln z tuttua merkitystä. Ln (±i) = ±iπ/2, Ln (1 + i) = ln 2 + iπ/4, Ln ((1 ± i)/ 2) = ±iπ, Ln ( 1) = iπ, Ln (i 1/4 ) = iπ/8, Ln (αz) = ln α + Ln z (α > 0), Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 41 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 42 / 58 Tulon logaritmi Yleinen potenssi Yleisesti kompeksiluvuille z 1, z 2 ei ole totta, että Ln (z 1 z 2 ) = Ln z 1 + Ln z 2, vaikka rajoituttaisiin logaritmin päähaaran tarkasteluun. Jos z 1, z 2 0, pätee kuitenkin: ln(z 1 z 2 ) = ln z 1 + ln z 2 ( mod 2π), (10.1) ja ln(z 1 /z 2 ) = ln z 1 ln z 2 ( mod 2π). (10.2) Kompleksiluvun z = x + iy yleinen potenssi määritellään kaavalla z c = e c ln z, (10.3) missä c C \ {0}. Koska ln z ei ole yksikäsitteinen, ei myöskään z c ole yksikäsitteinen. Erityisesti z c = e c Ln z, on päähaaran arvo. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 43 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 44 / 58

Avoimet ja suljetut joukot Avoin joukko Merkitään: B(z, r) = {w : z w < r} (avoin kiekko), B(z, r) = {w : z w r} (suljettu kiekko). Joukko D C on avoin, jos jokaiselle z D on olemassa sellainen r > 0, että B(z, r) D. Joukko E C on suljettu, jos sen komplementti D = C \ E on avoin. Kaikille x D löydetään sellainen ε > 0, että B(x, ε) D. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 45 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 46 / 58 Joukko, joka ei ole avoin Joukko, joka ei ole avoin Joukkoon D kuuluu (ainakin yksi) sellainen piste x, jolla B(x, ε) ei koskaan sisälly kokonaan joukkoon D. Joukkoon D kuuluu (ainakin yksi) sellainen piste x, jolla B(x, ε) ei koskaan sisälly kokonaan joukkoon D. Säteen pienentäminen ei auta. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 47 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 48 / 58

Avoin ympäristö Yhtenäisyys, alueet Joukko D C on pisteen z C (avoin) ympäristö, jos D on avoin ja z D. Joukko D C on yhtenäinen, jos kaksi pistettä z, w D voidaan aina yhdistää murtoviivalla joukossa D. Joukko D C on alue, jos se on avoin ja yhtenäinen. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 49 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 50 / 58 Esimerkkejä alueista Esimerkkejä alueista Kiekko (avoin kiekko, jossa reuna ei kuulu alueeseen). Esimerkiksi {z : z < 1}. (Ylempi) puolitaso {z : Im z > 0}. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 51 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 52 / 58

Esimerkkejä alueista Esimerkkejä alueista Punkturoitu kiekko, esimerkiksi {z : 0 < z < r}, jossa r > 0. Ympyrärengas eli annulus, esimerkiksi {z : 0 < z z 0 < r}, jossa r > 0 ja z 0 C. Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 53 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 54 / 58 Esimerkkejä alueista Esimerkkejä alueista Alue, jonka reuna on epäsäännöllinen. Kampa-avaruus Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 55 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 56 / 58

Raja-arvo Funktiolla f : D C on raja-arvo c pisteessä z 0 (merkitään lim z z0 f (z) = c), jos kaikille ε > 0 on olemassa sellainen δ > 0, että jos z z 0 < δ, niin f (z) c < ε. Jatkuvuus Funktio f on jatkuva pisteessä z 0, jos f on määritelty jossakin z 0 :n ympäristössä ja f (z 0 ) = lim z z0 f (z). D f (D) Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 57 / 58 Antti Rasila, Jan v.pfaler (modif.) () KP3 Kompleksiluvut 11. syyskuuta 2007 58 / 58