A komplex elemzés [1] , egy komplex változó (vagy összetett változó ; rövidítve TFCF ) függvényelmélete a matematikai elemzés egy része, amelyben egy komplex argumentum függvényeit veszik figyelembe és tanulmányozzák .
Minden komplex függvény két változóból álló valós függvénypárnak tekinthető: a valós és képzetes részeit definiálva. A függvényeket komplex függvény komponenseinek nevezzük .
Továbbá, bárhol is beszélünk egy komplex függvény korlátosságáról , a moduljának korlátosságát értjük alatta (ami mindkét komponens szokásos értelmében vett korlátot jelent).
A sorozat és a függvény határértékének fogalmát ugyanúgy vezetjük be, mint a valós esetben, az abszolút értéket komplex modulussal helyettesítjük. Ha , akkor és Ennek a fordítottja is igaz: magának a függvénynek a határértékének megléte következik az összetevők határértékeinek meglétéből, és a komponensek határai lesznek a határösszetevők. Egy komplex függvény folytonosságát is ugyanúgy definiáljuk, mint a valós esetben, és ekvivalens mindkét komponensének folytonosságával [2] .
A valós függvények határértékére és folytonosságára vonatkozó fő tételek összetett esetben is előfordulnak, ha ez a kiterjesztés nem kapcsolódik a komplex mennyiségek többé-kevésbé -val való összehasonlításához . Például nincs közvetlen analógja a folytonos függvény köztes értékeire vonatkozó tételnek.
-egy szám szomszédságát a következőnél kisebb pontok halmazaként határozzuk meg :
A komplex síkon a -szomszédság egy olyan kör belseje [2] , amelynek sugara középpontja .
A komplex elemzésben gyakran hasznos a teljes komplex síkot [3] figyelembe venni , kiegészítve a szokásos végtelen ponttal : Ezzel a megközelítéssel egy végtelenül növekvő (abszolút értékben) sorozatot úgy tekintünk, hogy konvergál a végtelenben lévő ponthoz. . A végtelennel végzett algebrai műveleteket nem hajtják végre, bár számos algebrai reláció érvényesül:
A végtelenben lévő pont -szomszédságának tekintjük azon pontok halmazát, amelyek modulusa nagyobb, mint , vagyis az origó -szomszédságának külső része .
Egy argumentum komplex függvényének deriváltját ugyanúgy definiáljuk, mint egy valós függvényét [4] :
Ha ez a határ létezik, akkor a függvényt differenciálhatónak vagy holomorfnak mondjuk . Ahol
ahol — az " o " kicsi .Egy fontos tulajdonságot érdemes figyelembe venni: mivel a komplex függvény a síkon adott, ezért a redukált határérték megléte azt jelenti, hogy bármely irányból való hajlásnál ugyanaz. Ez a tény jelentős megszorításokat szab a komponensfüggvények formájára, és meghatározza merev kapcsolatukat ( Cauchy-Riemann feltétel, ezek egyben Euler-D'Alembert feltételek is) [4] :
vagy röviden,
Ez azt jelenti , hogy a komponensek differenciálhatósága nem elegendő magának a függvénynek a differenciálhatóságához.
Ezenkívül a következő tulajdonságok különböztetik meg a komplex elemzést a valós elemzéstől [4] :
Így minden differenciálható komplex függvény a forma függvénye , ahol két argumentum egymással összefüggő harmonikus függvényei vannak.
Legyenek a és függvények differenciálhatóak a Akkor és tartományban is ebben a tartományban. Ha nem tűnik el a régióban , akkor differenciálható lesz a A függvények összetétele mindenhol differenciálható, ahol definiálva van. Ha egy függvény deriváltja a tartományban nem tűnik el, akkor van egy függvény inverze és differenciálható lesz.
Az összeg, a különbség, a szorzat, a hányados, a függvények összetétele és az inverz függvény deriváltja ugyanazokkal a képletekkel kerül kiszámításra, mint a valós elemzésben.
Minden komplex függvény meghatározza a koordinátákkal rendelkező komplex sík egy másik komplex síkra való leképezését koordinátákkal . Ugyanakkor a kifejezés
ha kicsi , akkor geometriailag úgy értelmezhető , mint a méretezési tényező , amelyet ez a leképezés végez , amikor pontról pontra mozog . A határérték , vagyis a derivált modulusa azt jelenti, hogy a skálázási tényező a ponttól bármely irányban azonos , azaz nem függ az iránytól. Általánosságban elmondható, hogy a skálázási tényező pontról pontra változik [5] .
Ha a méretezési tényező , akkor a pont közelében a pontok közötti távolságok nőnek, és a léptéktényezőt nyújtási tényezőnek nevezzük . Ha a léptékező tényező , akkor a pont közelében a pontok közötti távolságok csökkennek, és a léptéktényezőt tömörítési tényezőnek nevezzük . Példa a függvényre : egy pontban a derivált 4, tehát minden hossz megnégyszereződik.
Ami a derivált argumentumot illeti, ez határozza meg egy adott ponton átmenő sima görbe elfordulási szögét . Ezen a kijelzőn az összes sima görbe azonos szögben van elforgatva. A szögeket megőrző térképeket konformálisnak nevezzük ; így minden differenciálható komplex függvény konformális leképezést határoz meg (abban a tartományban, ahol a deriváltja nem tűnik el) [6] . Ez a tény a komplex függvények térképészetben és hidrodinamikában elterjedt használatához kapcsolódik [7] .
Az antiderivatív komplex függvény (határozatlan integrál) fogalmát ugyanúgy vezetjük be, mint a valós esetben. A tól- ig intervallumban a határozott integrálnak azonban nincs analógja a komplex síkon, mivel a kezdőponttól a végsőig vezető út kétértelmű. Ezért a komplex integrál fő alakja a görbe vonalú integrál , amely egy adott útvonaltól függ. Az alábbiakban megjelöljük azokat a feltételeket, amelyek mellett az integrál nem függ az úttól, és akkor a „ponttól pontig” integrál helyesen definiálható.
Legyen az az egyenlet , ahol a t paraméter valamilyen a kezdeti értékről a b végértékre irányul, a komplex síkban egy darabonként sima görbét határozzon meg , amely egy irányt tartalmaz, és a függvény ennek a görbének a pontjain definiálható. A paraméter mozgásának iránya határozza meg a görbe fajlagos bejárását: nem mindegy, hogy melyik nagyobb - b vagy a . [8] Ossza fel a paraméterezési szegmenst egyenlő részekre
és vegye figyelembe az integrál összeget:
Ennek az összegnek a korlátlanul növekvő határát az adott függvény (irányított) görbéje feletti (komplex) integrálnak nevezzük ; ezt jelölik:
Bármely függvény mentén folytonos , ez az integrál létezik, és a szokásos valós integrállal számítható ki a paraméter felett:
Itt vannak az összetevők . Ebből az ábrázolásból látható, hogy a komplex integrál tulajdonságai hasonlóak a második típusú valós görbe integráléhoz.
Gyakorlatilag különösen érdekesek azok az integrálok, amelyek egy (zárt) kontúr mentén vannak, azaz egy darabonként sima, önmetszéspontok nélküli görbe mentén , amelyben a kezdőpont egybeesik a végponttal. A kontúr két irányban megkerülhető; pozitív az az irány, amelyben a körvonal által határolt terület a menetiránytól balra helyezkedik el.
Ha a görbe zárt kontúrt alkot, az integrál speciális jelölését alkalmazzuk:
Néha a körön lévő nyíl jelzi az irányt: az óramutató járásával megegyező vagy ellenkező irányba.
Van egy fontos Cauchy-integráltétel : minden olyan függvénynél , amely egy egyszerűen összekapcsolt tartományban analitikus , és bármely zárt hurkánál , a felette lévő integrál egyenlő nullával:
Következmény: legyen a függvény analitikus egy egyszerűen összekapcsolt tartományban , és a tartomány pontjait valamilyen görbe köti össze . Ekkor az integrál csak a pontoktól függ , de nem az őket összekötő görbe megválasztásától , így jelölhető
Ha a Cauchy-tétel feltételei teljesülnek, akkor bevezethetjük a határozatlan integrál fogalmát . Ehhez rögzítünk egy bizonyos pontot a régión belül, és figyelembe vesszük az integrált:
A derivált tehát az antideriválta A konstansban különbözõ antideriválták családja ( a választásától függõen ) határozatlan integrált alkot. A Newton-Leibniz tétel [9] a következőket tartalmazza :
Van egy általánosítása a Cauchy-féle integráltételnek egy többszörösen összefüggő tartományra: ha egy függvény egy zárt , többszörösen kapcsolt tartományban analitikus , akkor a tartomány külső kontúrja feletti integrálja egyenlő az összes belső kontúron lévő integrálok összegével (a ugyanabban az irányban, mint a külső mentén) [10] . Ezt az általánosítást akkor célszerű alkalmazni, ha a tartomány egy függvény szinguláris pontját tartalmazza (a szinguláris pont meghatározása alább ), ahol a függvény nem analitikus vagy nincs definiálva.
További hatékony eszközök az összetett és valós integrálok feltárásához:
Egy függvény nullája az a pont , ahol a függvény eltűnik: .
Tétel egy analitikus függvény nullapontjairól . Ha a tartományban analitikus függvény nulláin belül van egy határpont , akkor a függvény mindenhol eltűnik a tartományban.
Következmény: ha egy függvény egy tartományban analitikus, és nem egyformán nulla benne, akkor bármely korlátos zárt altartományban csak véges számú nulla lehet.
Az egyediség tétele egy analitikus függvényhez. Legyen a tartomány különböző pontjainak végtelen konvergens sorozata . Ha két analitikus függvény ennek a sorozatnak minden pontjában egybeesik, akkor ezek megegyeznek
Különösen, ha két analitikus függvény egybeesik valamelyik darabonkénti sima görbén -ben , akkor mindenhol egybeesik -ben . Ez azt jelenti, hogy egy analitikus függvény értékei még a tartomány egy kis területén is teljesen meghatározzák a függvény viselkedését a definíciójának teljes tartományában. Miután megadtunk egy analitikus függvényt egy görbén (például a valós tengelyen), egyedileg meghatározzuk a kiterjesztését (ha lehetséges) egy szélesebb területre, amit az eredeti függvény analitikus folytatásának nevezünk.
Minden szabványos elemzési függvény - polinom , lineáris törtfüggvény , hatványfüggvény , exponenciális , trigonometrikus függvény , inverz trigonometrikus függvény , logaritmus - lehetővé teszi az analitikus folytatást a komplex síkra. Ugyanakkor ugyanazok az algebrai, differenciális és egyéb azonosságok érvényesek az analitikai folytatásukra, mint a valódi eredetire, például:
A számsor összegének és a konvergencia előjeleinek meghatározása a komplex elemzésben gyakorlatilag megegyezik a valós elemzéssel, az abszolút értéket komplex modullal helyettesítjük; Kivételt képeznek a konvergencia jelei, amelyekben maguknak a sorozatoknak az elemeihez és nem moduljaihoz van összehasonlítás.
Minden függvény, amely egy pontban differenciálható, a Taylor-hatványsor e pontjának szomszédságában bővül :
A sorozat együtthatóit a szokásos képletekkel számítjuk ki. Ez a sorozat egy függvényhez konvergál valamilyen sugarú körben, amelynek középpontja a pontban van , és amely a valós sorozatok konvergencia intervallumának analógjaként szolgál. A sorozat abszolút ebben a körben konvergál, és azon kívül is eltávolodik. Ebben az esetben 3 eset lehetséges.
A konvergenciakör határa legalább egy szinguláris pontot tartalmaz. Ebből következik, hogy a konvergenciakör sugara egy pontban egyenlő a hozzá legközelebbi szinguláris pont távolságával.
Ábel-tétel : ha egy hatványsor konvergenciakörének sugara, akkor bármely azonos középpontú, de kisebb sugarú körben a sorozat egyenletesen konvergál .
Nagy gyakorlati érdeklődésre tart számot egy függvény viselkedésének tanulmányozása egy izolált szinguláris pont közelében , vagyis egy olyan pont közelében, amelynek közelében a függvény analitikus, de maga a pont vagy nem analitikus, vagy nem definiált. A power sorozat itt haszontalan, ezért bemutatjuk az általánosabb Laurent sorozatot :
Ha a Laurent-sor konvergenciatartománya nem üres, akkor ez egy körgyűrű : .
Főtétel : ha egy függvény analitikus egy körgyűrűben, akkor ebben a gyűrűben egy konvergens Laurent-sorral ábrázolható, és egyedileg.
Ami egy hatványsort illeti, a konvergenciagyűrű határait a függvény szinguláris pontjainak eloszlása határozza meg. A Laurent-sor alakja alapján néhány következtetést levonhatunk a függvény viselkedésére a pont közelében .
A TFKP részét képező maradékok elméletének segítségével számos összetett integrált számítanak ki zárt körvonalakon.
A komplex elemzés eszközei megmagyaráznak néhány olyan pontot, amelyek anyagelemzés szempontjából nem könnyen értelmezhetők. Vegyünk egy klasszikus példát: a függvényt
folytonos és végtelenül differenciálható a teljes valós vonalon. Tekintsük a Taylor sorozatot
Ez a sorozat csak az intervallumban konvergál , bár a pontok nem speciálisak .
A helyzet világosabbá válik, ha áttérünk egy komplex változó függvényére , amelynek két szinguláris pontja van: . Ennek megfelelően ez a függvény csak a körben bővíthető Taylor sorozattá .
A komplex elemzés alapvető munkája Euler , Riemann , Cauchy , Weierstrass és sok más híres matematikus nevéhez fűződik. A konformális leképezések elmélete a meglévő mérnöki alkalmazásoknak köszönhetően rohamos fejlődésnek indult, a komplex elemzés módszereit és eredményeit az analitikus számelméletben alkalmazzák . A komplex elemzés iránti érdeklődés új hulláma a komplex dinamikához és a fraktálok elméletéhez kapcsolódik .
A matematika ágai | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
"Tudomány" portál | ||||||||||
A matematika alapjai halmazelmélet matematikai logika logikai algebra | ||||||||||
Számelmélet ( aritmetika ) | ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
|
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|