1 Analyyttiset funktiot

Samankaltaiset tiedostot
3.3 Funktion raja-arvo

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

1 Kompleksitason geometriaa ja topologiaa

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

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)

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

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

Kompleksianalyysi viikko 3

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Kompleksianalyysi, viikko 4

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Kompleksianalyysi Funktiot

Täydellisyysaksiooman kertaus

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

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

2. Funktiot. Keijo Ruotsalainen. Mathematics Division

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

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

Kompleksianalyysi, viikko 6

Mat Matematiikan pk KP3-i - kertaus

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Tenttiin valmentavia harjoituksia

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

Matematiikan peruskurssi 2

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

Kompleksiluvut Kompleksitaso

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

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Funktioteoria I. Helsingin yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Syyslukukausi 2009

Pro gradu -tutkielma

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

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

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

Matematiikan tukikurssi

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

5.6 Yhdistetty kuvaus

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

2 Funktion derivaatta

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

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

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

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

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

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

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

Reaaliset sin ja cos voidaan palauttaa eksponenttifunktioon Eulerin kaavan avulla: Jos x on reaaliluku, niin e ix = cos x i sin x

Kompleksianalyysi, viikko 5

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Reaalimuuttujan kompleksiarvoisen funktion integraali

Sanomme, että kuvaus f : X Y on injektio, jos. x 1 x 2 f (x 1 ) f (x 2 ) eli f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2.

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

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

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

Analyyttinen jatke ja Riemannin pinnat

Harmoniset funktiot kompleksialueessa ja konformikuvaukset

Sini- ja kosinifunktio

OLLI HUOPIO JOHDANTO KOMPLEKSISIIN MONIARVOISIIN FUNKTIOI- HIN. Kandidaatintyö

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

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

HYPERBOLINEN JA KVASIHYPERBOLINEN GEOMETRIA

8. Avoimen kuvauksen lause

Ratkaisut vuosien tehtäviin

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Johdatus matematiikkaan

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

exp(x) = e x x n n=0 v(x, y) = e x sin y

RIEMANNIN KUVAUSLAUSE. Sirpa Patteri

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

Kuvaus eli funktio f joukolta X joukkoon Y tarkoittaa havainnollisesti vastaavuutta, joka liittää joukon X jokaiseen alkioon joukon Y tietyn alkion.

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

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

2 Funktion derivaatta

Kompleksiluvut. JYM, Syksy /99

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

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 4 Maanantai

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia.

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Transkriptio:

Analyyttiset funktiot. Kompleksimuuttujan kompleksiarvoinen funktio Olkoot A ja B kompleksitason C osajoukkoja. Kuvausta f : A B sanotaan kompleksimuuttujan kompleksiarvoiseksi funktioksi. Usein on B C..Vakiokuvaus. Esimerkiksi kuvaus f : C C, f(z) z C on kompleksimuuttujan kompleksiarvoinen funktio. Yleisesti olkoon A C ja a C. Silloin kuvaus f : A C, f(z) a z A on vakiofunktiona kompleksimuuttujan kompleksiarvoinen funktio. 2.Identtinen kuvaus. Olkoon A C ja f(z) z z A. Silloin f : A A on joukon A identtinen kuvaus.. Muotoa S(z) az + b ; a, b, c, d C cz + d olevia kuvauksia sanotaan Möbius-kuvauksiksi. Jos valitaan a d ja b c 0, on S(z) z eli S : C C on identtinen kuvaus. Jos ad bc 0 ja c + d 0 (eli cz + d 0), S on vakiokuvaus: Jos c 0, on S(z) Jos d 0, on vastaavasti S(z) acz + bc c(cz + d) adz + bd d(cz + d) acz + ad c(cz + d) bcz + bd d(cz + d) a(cz + d) c(cz + d) a c b(cz + d) d(cz + d) b d. Olkoon ad bc 0. Erotetaan kaksi tapausta: a) c 0. Kuvaus S(z) az+b on määritelty, kun cz + d 0 eli kun z d. cz+d c Kuvaus on bijektio { C\ d } { a } C\, c c sillä yhtälöllä az + b cz + d az + b cz + d (a c)z d b z d b a c

on täsmälleen yksi ratkaisu z, kun a. (Voidaan jo nyt havaita, että c S( d ja S( ) a. Kuvaus S on siis bijektio C { } C { }. c c Ongelmaksi jää vain joukon C { } määrittely topologisena avaruutena.) b) c 0. Koska ad bc 0, on d 0. Kuvaus S(z) az + b cz + d az + b d on nyt määritelty kaikille z C. Kuvaus on bijektio C C, sillä az + b d az d b z d b a (koska ad bc 0 ja c 0, on a 0). (Tässä tapauksessa S( ), joten S : C { } C { } on bijektio.) 4. Määritellään f : C C asettamalla Koska kuvaus r r r+ f ( re iϕ) r r + eiϕ, f(0) 0. on bijektio ]0, [ ]0, [ on f : C U(0, ) bijektio. Jos merkitään z re iϕ, on r z. Tällöin f(z) + r reiϕ + z z. Kuvaus f(z) z on siis bijektio C U(0, ). + z 5. Neliöjuuri. Tarkastellaan kuvausta f : z z 2. Binomiyhtälöllä z 2 on kaksi ratkaisua, joille käytetään merkintöjä ja. Jos re iϕ, niin re i ϕ 2 ja re i( ϕ 2 +π) re i ϕ 2. Kuvaus f : C C on siis surjektio, mutta ei injektio, sillä pisteille 0 kuvautuu aina kaksi pistettä z ja z 2. (On huomattava, että ei ole mitään yleistä tapaa erottaa, kumpi neliöjuurista on z ja kumpi z 2. Jos toista merkitään :llä, niin toinen on.) Olkoon A {z Im z > 0} ja B C\{z Im z 0, Re z 0}. 2

z A B Kuva : Silloin f : A B on bijektio. Sen käänteiskuvausta f : B A sanotaan neliöjuuren haaraksi, joka on määritelty pitkin positiivista reaaliakselia aukileikatussa tasossa. Neliöjuuri voidaan määritellä jokaisessa origoon päättyvää sädettä pitkin aukileikatussa tasossa. Neliöjuuri on yksikäsitteinen, kun sovitaan, miten taso aukileikataan ja kumpaan puolitasoon kuuluva haara valitaan. Ennen kuin voidaan ollenkaan puhua neliöjuuresta, on valittava tason aukileikkaus. Esimerkki. Mitä vikaa on seuraavassa päättelyssä? ( ) 2 ( ) 2. jos määritellään siten, että se kuvaa aukileikatun tason ylemmälle vinolle puolitasolle I, niin kuvaa sen alemmalle puolitasolle II. Onko? Ei ole, sillä i, ja i i.

z re iϕ ψ - + i z re i ϕ 2 ψ/2 z Kuva 2: Onko sitten? Ei ole, sillä i ja sekä i Haaralle I on siis I Yhtälöä I I i. ja haaralle II on siis II II II. ei siis voida johtaa yhtälöstä, määriteltiinpä neliöjuuri miten hyvänsä. Voidaan huomata, että ja, sillä Siis i i ja i i. pätee haaralle I, mutta ei haaralle II. 4

Mõõritellõõn I Aukileikataan pitkin negatiivista imaginaariakselia I I - II II II I II I π + n2π ( π + n2π) π + nπ 2 2 2 4 Kuva : pätee haaralle II, mutta ei haaralle I. 6. Kuutiojuuri. Kuvaus f(z) z on injektio esimerkiksi alueessa 0 < arg z < 2π. Sen kuva on pitkin positiivista reaaliakselia aukileikattu taso. Kuutiojuurella on tässä alueessa kolme haaraa, joiden kuvana ovat alueet I : 0 < arg z < 2π 2π II : < arg z < 4π 4π III : < arg z < 2π Yleisesti voidaan määritellä n, n 2,, 4,.... Esimerkki. Määrää suoran z + z 0 kuva Möbius-kuvauksessa S(z) z+. z Mikä suora? Yleinen tapa: x-akselin leikkauspisteessä on z z x. Siis 2x eli x. 2 y-akselin leikkauspisteessä on z iy, z iy. Siis iy iy 0 ei toteudu. Kyseessä on siis suora x. 2 z + z z z + 5

II I III Kuva 4: Kuvan yhtälö: z( ) z + 0 + ( )( ) 0 + 2 + + 0 2 2 + 0 Ympyrä: zz + αz + βz + γ 0, α β, γ < αβ α β 2, γ, < ( 2)( 2) 4. Jos α a ib ja β a+ib, niin keskipiste on ( a, b) ja säde a 2 + b 2 γ. Kuvana on siis ympyrä, jonka keskipiste on (2, 0) ja säde on. Saamme erikoistapauksen yleisestä tuloksesta: Möbius-kuvaus kuvaa suoran ympyräksi (tai suoraksi). Yleisesti suoran x n yhtälö kompleksimuodossa on eli 2n 2x 2Re z z + z z + z 2n 0. Vastaavasti suoran y n yhtälö kompleksimuodossa on 2in 2iy z z 6

y x Kuva 5: eli Kuva 6: z z 2in 0. Kertomalla i:llä saadaan yhtälö normaalimuotoon αz + βz + γ 0, α β ja γ R: iz iz + 2n 0. Kuutiojuuri reaalifunktiona ja kompleksifunktiona. Kuvaus f : x x on määritelty kaikille x R. Derivaatta f (x) x 2 on määritelty kaikille x 0. Arvolla x 0 käyrän tangentti on pystysuora eikä funktuolla ole äärellistä derivaattaa. Jatkossa ehkä nähdään, että jo tämä riittää osoittamaan, ettei reaalista kuutiojuurta voida luonnollisella tavallajatkaa kompleksifunktioksi. Tarkastellaan kuutiojuurta kompleksifunktiona. Otetaan määrittelyjoukoksi pitkin negatiivista imaginaariakselia aukileikattu taso A C\{z Re z 0, Im z 0} C\{z arg z π}. 2 7

π + n2π < arg z < π + n2π 2 2 jokaisella arvolla n saadaan eri argumentina haara - z-taso I II III B 2 B I II... I B...... -taso n 0 Kuva 7: Kuutiojuurella on A:ssa kolme haaraa, joiden maaleina ovat sektorialueet { B C π 6 < arg < π } n 0 { 2 B 2 C π 2 < arg < 7π } n 6 { B C 7π } π < arg < n 2 6 6 Kuutiojuuren haarat ovat: I I II III : A B : A B 2 : A B kuvaa positiivisen reaaliakselin positiiviselle reaaliakselille ja negatiivisen reaaliakselin suoralle arg π. kuvaa positiivisen reaaliakselin suoralle arg 2π ja negatiivisen reaaliakselin negatiiviselle reaaliakselille (arg π). II kuvaa positiivisen reaaliakselin suoralle arg 4π ja negatiivisen reaaliakselin suoralle arg 5π. III Reaalinen kuutiojuuri f saadaan siis ottamalla positiivisella reaaliakselilla ja negatiivisella reaaliakselilla ja määrittelemällä f(0) 0. I II Funktion raja-arvo Olkoot A ja B kompleksitason joukkoja ja f : A B kuvaus. 8

Kuvauksella f on pisteessä z 0 A raja-arvo c, jos jokaista ε > 0 vastaa δ > 0 siten, että 0 < z z 0 < δ ja z A f(z) c < ε. Raja-arvoa varten riittää tarkastella jonoja z n z 0, z n A\{z 0 }. Funktiolla on raja-arvo c, jos ja vain jos kaikille tällaisille jonoille on voimassa lim f(z n) c. n Esimerkki. f(z) Re z z on määritelty joukossa A C\{0} ja 0 A. Onko olemassa raja-arvoa lim f(z)? z 0 Olkoon z n. Silloin Re z n n z n n ja f(z n ) Re z, joten z lim n f(z n ), lim z n 0. Olkoon z n i. Silloin Re z n n 0 ja f(z n ) 0, joten lim n f(z n ) 0, lim z n 0. Raja-arvoa ei siis ole olemassa. Funktio f on jatkuva pisteessä z 0 A, jos lim z z 0 f(z) f(z 0 ). Kuvaus f on jatkuva joukossa A, jos se on jatkuva jokaisessa A:n pisteessä. Oletetaan, että A on avoin joukko. Silloin f : A B on jatkuva, jos ja vain jos jokaisen avoimen joukon U C alkukuva f (U) on avoin. Funktio f u + iv on jatkuva, jos ja vain jos u : A R ja v : A R ovat jatkuvia. Olkoon I [0, ] yksikköväli. Polulla γ tarkoitetaan jatkuvaa kuvausta γ : I C γ(0) polun alkupiste γ() polun loppupiste γ(i) polun kantaja eli jälki. Jos γ(i) A, niin γ on joukon A polku. Pisteet γ(0) ja γ() on tällöin yhdistetty polulla γ joukossa A. Jos A:n kaksi pistettä voidaan aina yhdistää polulla A:ssa, niin A on polkuyhtenäinen. Jos A on lisäksi avoin, niin A on alue. Esimerkiksi joukko {z Im z 0} on polkuyhtenäinen, mutta se ei ole avoin. Sen sijaan esimerkiksi yksikkökiekko U(0, ) on sekä avoin että polkuyhtenäinen, eli siis alue. Polkuyhtenäisen joukon kuva jatkuvassa kuvauksessa on polkuyhtenäinen. 9

γ x γ(i) y A f f(y) f γ(i) f(x) B f(a) Kuva 8:.2 Analyyttinen funktio Olkoon f : G C kuvaus, G C. Jotta voisimme derivoida, joudumme olettamaan, että G on avoin joukko. Integrointia varten joudumme olettamaan, että G on polkuyhtenäinen. Avoimet ja yhtenäiset joukot ovat alueita. Jatkossa oletamme siis yleensä, että funktioden määrittelyjoukot ovat alueita. Olkoon G alue ja z G. Tällöin on olemassa r > 0 siten, että U(r, z) {z + < r} G. z r r z + 0 U(z, r) U(0, r) Kuva 9: Funktio f(z + ) f(z) h() on määritelty punkteeratussa kiekossa U (0, r) { 0 < < r} U(0, r)\{0} 0

ja 0 on U (0, r):n kasautumispiste. Edellä olleen määritelmän mukaisesti voidaan tutkia raja-arvoa a lim 0 h() lim 0 f(z + ) f(z) olemassaoloa. Jos tämä raja-arvo on olemassa, niin f on differentioituva pisteessä z ja luku a f (z) on f:n derivaatta tässä pisteessä. Funktio, joka on differentioituva alueen G jokaisessa pisteessä, on analyyttinen G:ssä. Analyyttisyyden määritelmä on erittäin vahva. Siitä seuraa mm., että myös f on analyyttinen, jolloin edelleen f on analyyttinen jne. Analyyttisellä funktiolla on siis kaikkien kertalukujen derivaatat. Funktio on analyyttinen pisteessä z, jos se on analyyttinen jossakin tämän pisteen ympäristössä. Kompleksifunktion derivaatan määrittely erotusosamäärän avulla on mahdollista, koska kompleksiluvut voidaan jakaa keskenään. Jos tarkastellaan vektorimuuttujan x R n vektoriarvoisia funktioita f : R n R n, niin derivaatan määrittely tällä tavalla ei onnistu, kun n. Tämä johtuu siitä, että lukualuetta ei voida laajentaa tasoa useampiulotteiseksi. (Hamilton ja kvaternionit 844.) Kirjoitetaan f(z + ) f(z) ε() a. Silloin f(z + ) f(z) a + ε(), () joten a on funktion f derivaatta pisteessä z, jos ja vain jos kehitelmä () pätee ja ε() 0, kun 0. Tätä kautta kompleksinen derivaatta a f (z) ja Analyysi4:n yleinen derivaatta (lineaarikuvauksena) liittyvät toisiinsa. Esimerkkejä.. Vakiokuvaus f(z) c on analyyttinen koko tasossa ja f (z) 0, sillä f(z + ) f(z) 0 + 0. Tässä 0 f (z) ja ε() 0. 2. Identtinen kuvaus f(z) z on analyyttinen koko tasossa ja f (z), sillä f(z + ) f(z) + 0. Tässä f (z) ja ε() 0.. Funktio f(z) z 2 on analyyttinen koko tasossa ja f (z) 2z, sillä f(z + ) f(z) (z + ) 2 z 2 z 2 + 2z + 2 z 2 2z +.

Tässä f (z) 2z ja ε() 0, kun 0. 4. Funktiolla f(z) z ei ole derivaattaa missään pisteessä z C. Todistus. Tarkastellaan erotusosamäärää f(z + ) f(z) z + z säteillä { t, t > 0 it, t > 0 it te iϕ ϕ t Kuva 0: f(z + ) f(z) f(z + ) f(z), kun t > 0 it it, kun it, t > 0. Annetaan t 0+. Erotusosamäärällä on eri raja-arvot ( ja -) näillä säteillä, joten sillä ei ole raja-arvoa kompleksitason topologiassa. On mielenkiintoista huomata, että erotusosamäärällä on raja-arvo jokaisella origosta lähtevällä -tason säteellä te iϕ : f(z + ) f(z) te iϕ te iϕ e 2ϕ cos 2ϕ i sin 2ϕ. Jokaisella origon kautta kulkevalla suoralla saadaan eri raja-arvo. 2

Kehitelmän () avulla voidaan tavalliseen tapaan perustella summan, tulon, osamäärän, käänteisfunktion ja yhdistetyn funktion derivointikaavat kompleksifunktioille. Esimerkiksi, jos niin joten f (z + ) f (z) a + ε (), f 2 (z + ) f 2 (z) a 2 + ε 2 (), (f + f 2 )(z + ) (z + f 2 )(z) (a + a 2 ) + (ε () + ε 2 ()), (f + f 2 ) (z) f (z) + f 2(z). Käänteisfunktion derivaatta: Oletetaan, että funktiolla f on pisteessä z derivaatta f (z) 0 ja että käänteisfunktio f on määritelty ja jatkuva eräässä pisteen f(z) ympäristössä V. Silloin f on differentioituva pisteessä ja ( ) f () f (z) f (f ()). Todistus. (Huomaa merkinnän muuttuminen. Nyt on f(z). Merkitään siksi z:n lisäystä h:lla.) f + k f(z + h) z z + h U f (V ) f(z) V Kuva : f:n jatkuvuuden nojalla k 0, kun h 0, f : U V jatkuva bijektio, jonka käänteiskuvaus f : V U on jatkuva ja f :n jatkuvuuden nojalla h 0, kun k 0. Jos + k V, k 0, niin merkitään f ( + k) z + h. Silloin h 0 ja f ( + k) f() k z + h z f(z + h) f(z) h f (z)h + hε(h) f (z) + ε(h), kun k 0. f (z)

H f f(z) z 2 E z f () Kuva 2: Esimerkki. Funktio f(z) z 2 on injektio ylemmässä puolitasossa H {z Im z > 0} ja E f(h) on pitkin positiivista reaaliakselia aukileikattu taso C\[0, [. Neliöjuuri voidaan määritellä kuvauksena f : E H. Merkitään f (). Osoitetaan, että f on jatkuva E:ssä. Olkoon, 2 E ja z x + iy z 2 x 2 + iy 2 2, jolloin y > 0 ja y 2 > 0. Saadaan arvio 2 z 2 2 z 2 z2 z z + z 2 z 2 z (x + x 2 ) 2 (y + y 2 ) 2 z 2 z (y + y 2 ) > y z 2 z, mistä saadaan z 2 z < 2 y. Pidetään (ja siis myös y ) vakiona ja annetaan 2. Silloin 2 0, joten myös z 2 z 2. Näin ollen on jatkuva pisteessä. Koska (ja 2 ) valittiin mielivaltaisesti E:stä, on jatkuva E:ssä. 4

Käänteisfunktion derivaattaa koskevasta tuloksesta seuraa, että on derivoituva E:ssä ja sen derivatta on sillä f(z) z 2 ja f (z) 2z. Vastaavalla tavalla nähdään, että f (z) f ( ) 2, f(z) z z E Kuva : kuutiojuuri on jatkuva E:ssä ja sen derivaatta on Tulos yleistyy n:teen juureen n. f (z) f ( ) ( ) 2. Cauchy-Riemannin -yhtälöt Olkoon f : A C kuvaus ja z Ajoukon A sisäpiste. Oletetaan, että f on differentioituva pisteessä z x + iy, jolloin f(z + ) f(z) a + ε(), (2) missä ε() 0, kun 0. Hajotetaan kaikki termit reaali- ja imaginaariosiinsa: f(z) u(x, y) + iv(x, y) a α + iβ h + ik ε() ε () + iε 2 (). 5

Yhtälö (2) hajoaa tällöin kahdeksi reaaliseksi yhtälöksi: Koska u(x + h, y + k) u(x, y) αh βk + hε () kε 2 () v(x + h, y + k) v(x, y) βh + αk + kε () + hε 2 (). hε () kε 2 () 2 (h, k) (ε (), ε 2 ()) 2 Scharzin ey. (h, k) 2 (ε (), ε 2 ()) 2 (h 2 + k 2 )(ε () 2 + ε 2 () 2 ), on hε () kε 2 () lim 0. h 2 +k 2 0 h2 + k 2 Näin ollen funktio u : A R on (Analyysi:n ja Analyysi4:n mielessä) differentioituva pisteessä z (x, y) ja D u u x α, D 2 u u y β. Samalla perusteella v : A R on differentioituva pisteessä z (x, y) ja D v v x β, D 2 v y α. Funktiot u ja v toteuttavat siis ns. Cauchy-Riemannin differentiaaliyhtälöt { ux v y () u y v x. Oletetaan kääntäen, että funktiot u : A R ja v : A R ovat differentioituvia joukon A sisäpistessä z (x, y) ja toteuttavat tässä pisteessä Cauchy- Riemannin differentiaaliyhtälöt (). Muodostetaan funktio f u + iy : A C. Väitös: f on differentioituva pisteessä z ja f (z) u x (x, y) + iv x (x, y) v y (x, y) u y (x, y). Todistus: Differentioituvuuden määritelmän perusteella u:lla ja v:llä on kehitelmät u(x + h, y + k) u(x, y) u x (x, y)h + u y (x, y)k + ε () v(x + h, y + k) v(x, y) v x (x, y)h + v y (x, y)k + ε 2 (), 6

missä h + ik ja ε j 0, kun 0, j, 2,.... Yhtälöiden () nojalla on f(z + ) f(z) u x h + u y k + iv x h + iv y k + ε () + i ε 2 () Merkitään Silloin missä ε() 0, kun 0. On siis todistettu u x h + iv y k + i(v x h iu y k) + ε () + i ε 2 () u x h + iu x k + i(v x h + iv x k) + (ε () + iε 2 ()) u x (h + ik) + iv x (h + ik) + (ε () + iε 2 ()) (u x + iv x ) + (ε () + iε 2 )). a u x (x, y) + iv x (x, y) ε() (ε () + iε 2 ()). f(z + ) f(z) a + ε(), Lause Funktio f u + iv : G C on analyyttina en alueessa G, jos ja vain jos funktiot u : G R ja v : G R ovat G:ssä differentioituvia ja toteuttavat Cauchy-Riemannin yhtälöt (). Oletetaan, että olemme unohtaneet Cauchy-Riemannin yhtälöt. Miten ne voidaan palautta mieleen? Oletetaan, että derivaatta f (z) lim 0 f(z + ) f(z) on olemassa pisteessä z G. Valitaan :lle sopivia teitä lähestyä nollaa, h + ik (h, k), z x + iy (x, y): ) menee reaalisena kohti nollaa. Merkitään h (h, 0) f(z + ) f(z) u(x + h, y) + iv(x + h, y)u(x, y) iv(x, y) h u(x + h, y) u(x, y) v(x + h, y) v(x, y) + i h h u x (x, y) + iv x (x, y) f (z). 7

2) menee puhtaasti imaginaarisena kohti nollaa. Merkitään ik (0, k). f(z + ) f(z) u(x, y + k) + iv(x, y + k) u(x, y) iv(x, y) ik u(x, y + k) u(x, y) i(v(x, y + k) v(x, y)) i + k ik iu y (x, y) + v y (x, y) v y (x, y) iu y (x, y) f (z). Oletetaan, että f (z) on olemassa. Kohdassa on f:n osittaisderivaatta x:n suhteen: f(z + h) f(z) f x (x, y) lim f (z), h R. h 0 h Kohdassa 2 on f:n osittaisderivaatta y:n suhteen vakiolla kerrottuna: f y (x, y) lim k 0 f(z + ik) f(z) k i lim k 0 f(z + ik) f(z) k lim k 0 i(f(z + ik) f(z)) ik if (z). Siis f x (x, y) i f y(x, y) if y (x, y). Saadaan Cauchy-Riemannin yhtälöiden kompleksimuoto f x if y. 8