KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Samankaltaiset tiedostot
KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

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

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

3.3 Funktion raja-arvo

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Pro gradu -tutkielma

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

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

7. Tasaisen rajoituksen periaate

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

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

1 Kompleksitason geometriaa ja topologiaa

1 Analyyttiset funktiot

1 Supremum ja infimum

2 Funktion derivaatta

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

Joukot metrisissä avaruuksissa

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Täydellisyysaksiooman kertaus

Kompleksianalyysi, viikko 4

33. pohjoismainen matematiikkakilpailu 2019 Ratkaisut

Analyyttinen jatke ja Riemannin pinnat

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Kierrosluku ja yhdesti yhtenäiset alueet

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Kompleksianalyysi, viikko 6

Analyysin peruslause

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

8. Avoimen kuvauksen lause

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Funktiojonon tasainen suppeneminen

Kompleksianalyysi, viikko 5

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

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

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

Toispuoleiset raja-arvot

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi I, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotukset. I.1. Todista Cauchyn-Schwarzin epäyhtälö

Poistumislause Kandidaatintutkielma

Reaalisten funktioiden integrointia kompleksianalyysin keinoin

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

RIEMANNIN KUVAUSLAUSE. Sirpa Patteri

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 9

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN

Mat Matematiikan pk KP3-i - kertaus

2 Funktion derivaatta

Konformikuvauksista. Lotta Jokiniemi Ohjaaja: Jouni Parkkonen. Sivuainetutkielma

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Tasa-asteisesti jatkuvien funktioperheiden suppenevista osajonoista

Residylause ja sen sovelluksia

u(0, t) = 0 kaikille t > 0: lämpötila pidetään vakiona pisteessä x = 0;

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)

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

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

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

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI

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

= 5! 2 2!3! = = 10. Edelleen tästä joukosta voidaan valita kolme särmää yhteensä = 10! 3 3!7! = = 120

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Kompleksiset sarjat ja potenssisarjat

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

Taustatietoja ja perusteita

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

3 Lukujonon raja-arvo

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

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

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Tehtävä 1. Arvioi mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa. Vihje: voit aloittaa kokeilemalla sopivia lukuarvoja.

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

2 Konveksisuus ja ratkaisun olemassaolo

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

Tällöin on olemassa reaalilukuja c, jotka kuuluvat jokaiselle välille I n = [a n, b n ]. Toisin sanoen a n c b n kaikilla n.

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

3 Lukujonon raja-arvo

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Yhden muuttujan funktion minimointi

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Konvergenssilauseita

Olkoon seuraavaksi G 2 sellainen tasan n solmua sisältävä suunnattu verkko,

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

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

Harmoniset funktiot kompleksialueessa ja konformikuvaukset

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

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

KVASIKONVEKSISUUS TASOSSA. 1. Johdanto

Transkriptio:

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN 7. Integaalilauseita 7.1. Gousatin lemma. (Edouad Jean-Baptiste Gousat, 1858-1936, anskalainen matemaatikko) Olkoon R tason suljettu suoakaide, jonka sivut ovat koodinaattiakselien suuntaiset. Olkoon f suoakaiteen avoimessa ympäistössä analyyttinen funktio. Jos on suoakaiteen R positiivisesti suunnistettu euna, niin f()d = 0. Todistus: Olkoon L 1 suoakaiteen R vaakasämän pituus ja olkoon L 2 suoakaiteen R pystysämän pituus. Mekitsemme I = f()d. Jaetaan R neljään yhtenevään suoakaiteeseen R k, k = 1, 2, 3, 4. Olkoot k niiden positiivisesti suunnistetut eunapolut (eli niiden polkujen jäljet, joiden jälkenä on euna). Nyt 4 I = f()d = f()d, koska suoakaiteen R sisäpisteissä kulkevat suoakaiteiden R k eunapolkujen osat kumoavat toisensa. Nyt kolmioepäyhtälön nojalla jollekin näistä pikkusuoakaiteista R k, k = 1, 2, 3, 4, on I 4 f()d. k k=1 k Mekitsemme tätä suoakaidetta R 1 ja mekitsemme 1 f()d =: I 1. Date: 01112012. 1

2 Kompleksianalyysin kussi/rhs Jos sovellamme tehtyä päättelyä suoakaiteen R sijasta suoakaiteeseen R 1, niin löydämme suoakaiteen R 2, jolle I 1 4 f()d. 2 Jatkamalla näin saamme jonon sisäkkäisiä, yhdenmuotoisia suoakaiteita R j, j = 1, 2,..., siten, että ja j f()d =: I j (1) I 4 I 1 4 2 I 2... 4 j I j 4 j+1 I j+1.... Suoakaiteen R j sämien pituudet ovat 2 j L 1 ja 2 j L 2. Osoitamme, että leikkaus R = R j sisältää täsmälleen yhden pisteen. Koska joukon R j halkaisija on 2 j L 2 1 + L 2 2, niin joukon R j halkaisija suppenee kohti lukua 0, kun j, ja siis leikkaus R sisältää kokeintaan yhden pisteen. Olkoon j R j, j = 1, 2,..., mielivaltaisesti valittu piste. Koska k R j, kun k j, niin ( k ) on Cauchy-jono ja siis on olemassa aja-avo = lim k k. Koska jokainen suoakaide R k on suljettu, niin sisältyy jokaiseen suoakaiteeseen R k ja siten myös niiden leikkaukseen. Olkoon ε > 0 mielivaltaisesti valittu ja δ > 0 niin pieni, että funktio f on analyyttinen kiekossa D(, δ). Silloin (2) f() f( ) f ( )( ) < ε, kun < δ. Voidaan valita indeksi j niin suueksi, että Nyt siis j on kiinnitetty. R j D(, δ).

Kompleksianalyysin kussi/rhs 3 Koska vakiofunktiolla 1 on integaalifunktio, ja funktiolla on integaalifunktio 1 2 2, niin Integaalifunktion kaakteisaatiolauseen nojalla d = 0 ja d = 0. j j Siis I j = f()d j = f()d f( ) d f ( ) d + f ( ) j j j ( = f() f( ) f ( )( ) ) d. j j d Olemme siis kiinnittäneet suoakaiteen R j D(, δ). Suoakaiteelle R j length( j ) = 2 ( 2 j L 1 + 2 j L 2 ) = 2 j+1 (L 1 + L 2 ). Koska R j, niin kaikilla R j 2 j L 2 1 + L 2 2. Epäyhtälön (2) ja Aviolemman nojalla I j f() f( ) f ( )( ) d j ε d ε2 j L 2 1 + L 2 2 2 j+1 (L 1 + L 2 ) j = ε2 2j 2(L 1 + L 2 ) L 2 1 + L 2 2. Kohdan (1) nojalla I 4 j I j ε4 j 2 2j 2(L 1 + L 2 ) L 2 1 + L 2 2 = 2ε(L 1 + L 2 ) L 2 1 + L 2 2. Koska ε > 0 oli mielivaltaisesti valittu, niin I = 0. 7.2. Cauchyn-Gousatin teoeema avoimessa kiekossa. Olkoon f avoimessa kiekossa D( 0, R) analyyttinen funktio. Tällöin avoimen kiekon jokaisella suljetulla paloittain C 1 -polulla γ pätee f()d = 0. γ

4 Kompleksianalyysin kussi/rhs 7.3. Huomautus. (1) Cauchyn-Gousatin teoeeman oletuksessa on oleellista, että meillä on avoin kiekko. Teoeema ei päde kaikissa alueissa. Esimekki: Funktio f : C \ {0} C, f() = 1, on analyyttinen punkteeatussa kompleksitasossa C\{0}, joka on avoin ja yhtenäinen, mutta ei yhdesti yhtenäinen. Funktion f integaali yli yksikkökiekon eunan positiiviseen kietosuuntaan on f()d = 2πi 0. + D(0,1) Siis Cauchyn-Gousatin teoeema ei päde alueessa C \ {0}. (2) Jos valitaan alueeksi avoimen kiekon sijasta ylempi puolitaso, niin Cauchyn-Gousatin teoeeman väite pätee. Keskipisteen sijasta valitaan 0 = i. 7.4. Gousatin lemman yleistys. Olkoon R suljettu suoakaide, jonka sivut ovat koodinaattiakseleiden suuntaiset. Olkoon U suoakaiteen avoin ympäistö ja w R. Jos funktio f on jatkuva joukossa R ja analyyttinen joukossa U \ {w}, niin f()d = 0. 7.5. Cauchyn-Gousatin integaaliteoeeman yleistys. Olkoon kompleksiavoinen funktio f jatkuva kompleksitason avoimessa kiekossa D( 0, R). Olkoon w D( 0, R). Jos funktio f on analyyttinen alueessa D( 0, R) \ {w}, niin jokaiselle kiekossa D( 0, R) paloittain jatkuvasti deivoituvalle suljetulle polulle γ pätee f()d = 0. γ Todistus: Todistus on melkein samanlainen kuin Cauchyn-Gousatin integaaliteoeema avoimessa kiekossa. 7.6. Cauchyn integaalikaavan lokaali muoto. Olkoot A kompleksitason avoin joukko, f : A C analyyttinen funktio ja D( 0, ) joukon A osajoukko. Olkoon + D kiekon D( 0, ) positiivisesti suunnistettu euna. Tällöin f() = 1 f(ξ) 2πi ξ dξ kaikilla D( 0, ). + D

Kompleksianalyysin kussi/rhs 5 7.7. Huomautus. Funktion avot kiekon kehällä määäävät funktion avot kiekon sisällä. Esimekki. Määää d. =1 Ratkaisu: Koska funktio on analyyttinen koko kompleksitasossa ja = 0, saamme d = 2πi exp(0) = 2πi. =1 Cauchyn integaalikaavan todistus: Asetamme f(ξ) f(), kun ξ F (ξ) = ξ f (), kun ξ =. Tällöin funktio F on analyyttinen joukossa A \ {} ja jatkuva joukossa A. Koska D( 0, ) A ja joukko A on avoin, niin on olemassa avoin kiekko D 1 siten, että D( 0, ) D 1 A. Cauchyn-Gousatin integaaliteoeeman yleistyksen nojalla f(ξ) f() 0 = F (ξ)dξ = dξ. ξ + D( 0,) Siis (3) f() + D( 0,) + D( 0,) + D( 0,) dξ ξ = f(ξ) + D( 0,) ξ dξ. Koska polun γ 0 : [0, 1] C, γ(t) = 0 + exp 2πit, jälki on + D( 0, ), niin saamme dξ 1 ξ = 2πi exp 2πit 1 1 dt = 2πi 0 0 + exp 2πit 0 1 + dt 0 exp 2πit Mekitsemme 1 = 2πi = 2πi 0 1 1 + 0 1 + 0 0 2πi ( 0 ) γ 1 (t) = 0 1 dt 2πi 0 1 + 0 dt., t [0, 1] 0 1 + 0 dt

6 Kompleksianalyysin kussi/rhs ja silloin γ 1(t) = 2πi ( 0 ). Siis 1 γ 1(t) 0 1 + γ 1 (t) dt = dξ γ 1 1 + ξ. Koska 0 <, niin γ 1 on suljettu C 1 -polku yksikkökiekossa. Funktio ξ 1 1 + ξ on analyyttinen avoimessa yksikkökiekossa D(0, 1), joten Cauchyn-Gousatin integaaliteoeeman avoimessa kiekossa peusteella dξ 1 + ξ = 0. Siis + D Näin ollen yhtälöstä (3) saamme eli väitteen. γ 1 dξ = 2πi 0 = 2πi. ξ f()2πi = + D f() ξ dξ Cauchyn integaalikaavan lokaalia muotoa voidaan käyttää laskemaan integaaleja, joita muutoin on vaikea laskea. 7.8. Esimekki. (1) Olkoon γ polku, joka antaa yksikkökiekon kehän negatiiviseen kietosuuntaan eli myötäpäivään. Tällöin d = 2πi exp(0) = 2πi. γ (2) Määää integaali Ratkaisu: ( 2) d = =1 =1 =1 ( 2) d. 2 d = 2πi exp(0) 0 2 = πi, koska funktio 2 on analyyttinen kiekossa D(0, 3 2 ).