Komplex elemzés

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 .

Általános fogalmak

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 .

Pont a végtelenben

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 .

Differenciálás

Definíció

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.

Egyéb tulajdonságok

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.

A származék geometriai jelentése

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] .

Integráció

Összetett függvények integrációja

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.

Kontúrintegrál

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:

Egyediségi tételek és analitikus folytatás

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 sorozat bővítése

Teljesítménysorozat

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.

  1. A sorozat véges és nullától eltérő sugarú körben konvergál.
  2. A sorozat a teljes komplex síkban konvergál, azaz . Az ilyen függvényeket egész számoknak nevezzük .
  3. A sorozat csak a ponton konvergál . Példa: . Az ilyen pontokat szingulárisnak nevezzük a függvényhez A nem szinguláris pontokat szabályosnak nevezzük . A konvergenciakör belseje szabályos pontokból áll.

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 .

Laurent sorozat

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 .

  1. Eltávolítható szinguláris pont : ha a Laurent sorozat nem tartalmaz negatív hatványú elemeket . Akkor ez csak egy hatványsor, amely egy függvényt határoz meg valamilyen körben . Ebben a körben a sorozat összege véges, és csak a pontban térhet el , ezért elég újradefiniálni a -t , hogy a függvény a teljes körben analitikussá váljon. A következő kritérium teljesül: ha egy közeli függvény analitikus és korlátos, akkor  eltávolítható szinguláris pont.
  2. Pólus : ha a Laurent sorozat véges számú negatív hatványú elemet tartalmaz . Ebben az esetben a pont függvénye végtelen (modulo).
  3. Lényeges szinguláris pont : ha a Laurent-sorozat végtelen sok negatív hatványú elemet tartalmaz . Ebben az esetben a pontban lévő függvény nem definiálható megfelelően folytonosnak.

Alkalmazások a valós elemzésben

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 .

Történelem

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 .

Lásd még

Jegyzetek

  1. A kettős feszültséget a következő források szerint adjuk meg:
    • Nagy Szovjet Enciklopédia , 3. kiadás. (1973), 12. kötet, p. 588, Komplex számok cikk .
    • Szovjet enciklopédikus szótár (1982), p. 613, cikk Komplex szám .
    • A "Szótár az orosz nyelv nehézségeiről" legújabb kiadása (Rosenthal D. E., Telenkova M. A., Iris-press, 2005, 273. o.) mindkét lehetőséget jelzi: "összetett (komplex) számok".
    • A Nagy Orosz Enciklopédia (2010. 14. kötet) a hangsúlyokat egyszerre kínálja fel: Komplex szám (691. o.), de Komplex elemzés (695. o.).
    • Az orosz nyelv helyesírási szótára (6. kiadás, 2010), az orosz nyelv grammatikai szótára, az Orosz Tudományos Akadémia orosz helyesírási szótára , szerk. V. V. Lopatina és számos más szótár jelzi a lehetőségeket: „ komplex ” és „ összetett (matematikai)”.
  2. 1 2 Smirnov V.I., 2010 , p. 7-15..
  3. Sveshnikov A. G., Tikhonov A. N. Egy komplex változó függvényeinek elmélete. Rendelet. op., p. 20-21.
  4. 1 2 3 Smirnov V.I., 2010 , p. 15-22..
  5. Smirnov V.I., 2010 , p. 22-23.
  6. Smirnov V.I., 2010 , p. 24-25.
  7. Lavrentiev M. A., Shabat B. V. A hidrodinamika problémái és matematikai modelljeik . - M . : Nauka, 1973.  (elérhetetlen link)
  8. Fikhtengolts, Grigorij Mihajlovics . Differenciál- és integrálszámítás tantárgy 9. fejezet 2. bekezdés . Letöltve: 2021. június 8. Az eredetiből archiválva : 2020. július 19.
  9. Matematika, tartalma, módszerei és jelentése (három kötetben). - Szovjetunió Tudományos Akadémia, 1956. - T. 2. - S. 204-205. — 397 p.
  10. Smirnov V.I., 2010 , p. 33.

Irodalom