Σηµειώσεις Μιγαδικής Ανάλυσης Θέµης Μήτσης

Transcript

1 Σηµειώσεις Μιαδικής Ανάλυσης Θέµης Μήτσης Τµηµα Μαθηµατικων Πανεπιστηµιο Κρητης Ηρακλειο

2

3 Περιεχόµενα Κεφάλαιο 1. Εισαωικά 5 Η αλεβρική δοµή 5 Η τοπολοική δοµή τού 6 Το εκτεταµένο µιαδικό επίπεδο 7 Συνεκτικότητα 8 Κεφάλαιο 2. Στοιχειώδης Θεωρία 11 Αναλυτικές συναρτήσεις 11 Ολοκλήρωση σε µονοπάτια 13 υναµοσειρές 17 Εφαρµοές 22 Κεφάλαιο 3. Το Γενικό Θεώρηµα τού Cauchy 27 Λοάριθµοι και ορίσµατα 27 Ο δείκτης ενός σηµείου σε σχέση µε µια κλειστή καµπύλη 28 Το Γενικό Θεώρηµα τού Cauchy 30 Κεφάλαιο 4. Εφαρµοές τής Θεωρίας τού Cauchy 35 Ανωµαλίες 35 Ολοκληρωτικά υπόλοιπα 38 Το Θεώρηµα Ανοιχτής Απεικόνισης 41 Αναλυτικές απεικονίσεις ενός δίσκου σ έναν άλλο 42 Το Θεώρηµα Phragmen Lindelof 44 Μια επέκταση τού Θεωρήµατος τού Cauchy και τού Ολοκληρωτικού Τύπου τού Cauchy 45 Ο Ολοκληρωτικός Τύπος τού Poisson και το Πρόβληµα Dirichlet 46 Αναλυτική συνέχιση και το Θεώρηµα Μονοδροµίας 48 Κεφάλαιο 5. Οικοένειες αναλυτικών συναρτήσεων 55 Οι χώροι A(U) και C(U) 55 Το Θεώρηµα Σύµµορφης Απεικόνισης τού Riemann 58 Η οµοτοπική έκδοση τού Θεωρήµατος τού Cauchy 60 Τα Θεωρήµατα Runge και Mittag Leffler 61 Το Θεώρηµα Παραοντοποίησης τού Weierstrass 64 3

4

5 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1 Εισαωικά Η αλεβρική δοµή τού Το σύνολο των µιαδικών αριθµών (ή µιαδικό επίπεδο) είναι το σύνολοê2 εφοδιασµένο µε µια πράξη πρόσθεσης (+) και µια πράξη πολλαπλασιασµού ( ) οι οποίες ορίζονται ως εξής. Για κάθε z 1 = (x 1, y 1 ), z 2 = (x 2, y 2 ), ϑέτουµε z 1 + z 2 = (x 1 + x 2, y 1 + y 2 ) z 1 z 2 = z 1 z 2 = (x 1 x 2 y 1 y 2, x 1 y 2 + x 2 y 1 ) Κατά παράδοση, ϑέτουµε i = (0, 1) και ονοµάζουµε το i ϕανταστική µονάδα. Από τον ορισµό τού πολλαπλασιασµού, έχουµε i 2 = ( 1, 0). Με τις πράξεις αυτές, το είναι σώµα. Το ουδέτερο ως προς την πρόσθεση είναι το (0, 0) και το αντίθετο τού (x, y) είναι το ( x, y). Το ουδέτερο ως προς τον πολλαπλασιασµό είναι το (1, 0) και το αντίστροφο τού (x, y) (0, 0) είναι το ( x y x 2 + y 2, x 2 + y 2 Εύκολα µπορεί να δείξει κανείς ότι το δεν είναι διατεταµένο σώµα. Θεωρούµε τώρα την απεικόνιση ). I :Ê, I(x)=(x, 0). Τότε η I είναι 1-1 και διατηρεί τη δοµή σώµατος, δηλαδή I(x+y)=I(x)+ I(y) και I(xy)= I(x)I(y), ια κάθε x, y Ê. Εποµένως, ταυτίζοντας τοêµε την εικόνα του µέσω τής I, δηλαδή µε το σύνολο{(x, 0) : x Ê}, µπορούµε να ϑεωρούµε τοêσαν υποσύνολο τού και να ράφουµε, καταχρηστικά,ê. Μέσω αυτής τής ταύτισης, και χρησιµοποιώντας την ισότητα (x, y)=(x, 0)+(0, y)=(x, 0)+(0, 1)(y, 0)= (x, 0)+i(y, 0)= I(x)+iI(y), µπορούµε να ράφουµε, επίσης καταχρηστικά, (x, y)= x+iy. Με τον συµβολισµό αυτόν έχουµε i 2 = 1, και εποµένως το i είναι µια «λύση» τής εξίσωσης x 2 + 1=0. Υπενθυµίζουµε τώρα κάποιες ϐασικές έννοιες οι οποίες πρέπει να είναι ήδη νωστές από κάποιο άλλο µάθηµα. Για κάθε z= x+iy ϑέτουµε Re z = x, Im z = y (πραµατικό και ϕανταστικό µέρος τού z). z = x 2 + y 2 (απόλυτη τιµή ή µέτρο τού z). z= x iy (συζυής τού z). Από την αναπαράσταση κάθε σηµείου στο επίπεδο σε πολικές συντεταµένες παίρνουµε ότι ια κάθε z, z 0, υπάρχει ένας µοναδικός αριθµόςθ ( π,π] τέτοιος ώστε z= z (cosθ+i sinθ). Ο αριθµός αυτός ονοµάζεται όρισµα τού z και συµβολίζεται µε arg z. Οι ϐασικές ιδιότητες τής απόλυτης τιµής και τού συζυούς είναι οι ακόλουθες. Re z= 1 2 (z+z),im z= 1 2i (z z). z+w=z+w, zw=zw. zw = z w. z/w = z / w, ια w 0. z = z. z+w z + w (τριωνική ανισότητα). 5

6 Η τοπολοική δοµή τού Θεωρούµε τη συνάρτησηρ : Ê+ µερ(z, w)= z w. Τότε ηρορίζει µια µετρική στο. Παρατηρήστε ότι ο χώρος (,ρ) ταυτίζεται µε τον Ευκλείδειο χώρο (Ê2, d), όπου d είναι η συνηθισµένη απόσταση d((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 ))= (x 1 x 2 ) 2 + (y 1 y 2 ) 2. Για z και r> 0 ϑέτουµε D(z, r)={w : z w <r} (ο ανοιχτός δίσκος µε κέντρο z και ακτίνα r), D(z, r)={w : z w r} (ο κλειστός δίσκος µε κέντρο z και ακτίνα r). Επίσης, ια A ϑα χρησιµοποιούµε τους κλασικούς συµβολισµούς A={z :υπάρχει ακολουθία z n A τέτοια ώστε z n z} (η κλειστότητα τού A), A ={z A : υπάρχειε>0τέτοιο ώστε D(z,ε) A} (το εσωτερικό τού A), A=A A (το σύνορο τού A), diam(a)=sup{ z w : z, w A} (η διάµετρος τού A). Αν A, B ϑέτουµε dist(a, B)=inf{ z w : z A, w B} (η απόσταση των A και B). Εφόσον (,ρ)=(ê2, d), η ακολουθιακή σύκλιση στο χαρακτηρίζεται ως εξής. Μια ακολουθία z n συκλίνει σε κάποιο z αν και µόνο ανre z n Re z καιim z n Im z. Χρησιµοποιώντας τον χαρακτηρισµό αυτόν, αποδεικνύονται τα εξής. Αν z n z, τότε z n z και z n z. Αν z n z και w n w, τότε z n + w n z+w και z n w n zw. Αν z n, z 0και z n z, τότε z 1 n z 1. Εστω A και f : A µια συνάρτηση. Τότε υπάρχουν µοναδικές συναρτήσεις u, v : A Êτέτοιες ώστε f (x+iy)=u(x, y)+ iv(x, y). Η u ονοµάζεται πραµατικό µέρος τής f και συµβολίζεται µε Re f, και η v ονοµάζεται ϕανταστικό µέρος τής f και συµβολίζεται µεim f. Η f είναι συνεχής στο σηµείο x+iy αν και µόνο αν οιre f καιim f είναι συνεχείς στο σηµείο (x, y). Μια συνάρτηση f : [a, b] λέεται Riemann ολοκληρώσιµη αν οιre f καιim f είναι Riemann ολοκληρώσιµες. Στην περίπτωση αυτή ϑέτουµε b a f (t) dt= b a Re f (t) dt+i b a Im f (t) dt. Εντελώς ανάλοα, η f : I, όπου I Êκάποιο διάστηµα, λέεται διαφορίσιµη αν οιre f καιim f είναι διαφορίσιµες. Τότε ϑέτουµε f (t)=(re f ) (t)+i(im f ) (t). Ορισµός 1.1. Μια συνεχής απεικόνιση : [a, b] ονοµάζεται καµπύλη µε αρχή το σηµείο(a) και τέλος το σηµείο(b). Αν(a)=(b), τότε ηλέεται κλειστή καµπύλη. Αν ηείναι µια καµπύλη, τότε η εικόνα ([a, b]) ϑα συµβολίζεται µε. Αν U, τότε ϑα λέµε ότι ηείναι µια καµπύλη στο U. Μια κατά τµήµατα συνεχώς διαφορίσιµη καµπύλη ονοµάζεται µονοπάτι. Το µήκος ενός µονοπατιού:[a, b] ορίζεται να είναι η ποσότητα b (t) dt. a 6

7 µε Το εκτεταµένο µιαδικό επίπεδο Εστω ένα αντικείµενο µε. Θέτουµε = { } και ορίζουµε z την απεικόνιση ρ : Ê+, z w ρ(z, w)=, z, (1+ z 2 w )(1+ w 2 ) 1 ρ(z, )= ρ(, z)=, 1+ z 2 ρ(, )=0. Αποδεικνύεται ότι ια z, w ρ(z, w)=d((π1(z),π2(z),π3(z)), (π1(w),π2(w),π3(w))), ρ(z, )=d((π 1 (z),π 2 (z),π 3 (z)), (0, 0, 1)), όπου d είναι η συνηθισµένη Ευκλείδεια απόσταση στονê3 και ια z= x+iy,π 1 (z),π 2 (z),π 3 (z) είναι οι συντεταµένες τής στερεοραφικής προβολής του σηµείου (x, y, 0) στην επιφάνεια τής σφαίρας µε κέντρο το σηµείο (0, 0, 1 2 ) και ακτίνα 1 2. Υπενθυµίζουµε ότι η στερεοραφική προβολή τού (x, y, 0) είναι η τοµή τής επιφάνειας τής σφαίρας µε την ευθεία που συνδέει το (x, y, 0) µε τον «ϐόρειο πόλο» (0, 0, 1). z Στερεοραφική προβολή Εύκολα µπορεί κανείς να δείξει ότι π 1 (z)= Χρησιµοποιώντας τις παραπάνω σχέσεις αποδεικνύεται ότι x y 1+ z 2,π 2(z)= 1+ z 2,π 3(z)= z 2 1+ z 2. Η ρ ορίζει µια µετρική στο. Ο χώρος (, ρ) ονοµάζεται εκτεταµένο µιαδικό επίπεδο ή σφαίρα τού Riemann. Αν z n, z τότε Αν z n τότε Ο (, ρ) είναι συµπαής µετρικός χώρος. z n z n ρ ρ z z n z. ρ z n +. Παρατηρήστε ότι η ρ και ηρορίζουν την ίδια τοπολοία στο. Αν z n 7 ρ, ϑα ράφουµε απλά z n.

8 Συνεκτικότητα Ορισµός 1.2. Ενας µετρικός χώρος (X, ρ) λέεται συνεκτικός αν τα µοναδικά υποσύνολα τού X τα οποία είναι ανοιχτά και κλειστά είναι το και το X. Αν A X, τότε το A λέεται συνεκτικό υποσύνολο τού X αν ο µετρικός χώρος (A,ρ) είναι συνεκτικός. Μια ισοδύναµη διατύπωση είναι η εξής. Ο X δεν είναι συνεκτικός αν υπάρχουν µη κενά, ανοιχτά και ξένα A, B X τέτοια ώστε X=A B. Παραδείµατα µη συνεκτικών χώρων είναι το και τοé(ϑεωρούµενα σαν υπόχωροι τούêµε τη συνηθισµένη µετρική). Πρόταση 1.3. Εστω (X,ρ), (Y, d) µετρικοί χώροι και f : X Y συνεχής. Αν το A Xείναι συνεκτικό τότε το f (A) είναι συνεκτικό. Απόδειξη. Εστω ότι το f (A) δεν είναι συνεκτικό. Τότε υπάρχουν U, V Y ανοιχτά µε U f (A), V f (A) και U V f (A)= τέτοια ώστε Εποµένως f (A)=( f (A) U) ( f (A) V). A=(A f 1 (U)) (A f 1 (V)), όπου A f 1 (U) και A f 1 (V) µη κενά, ξένα και ανοιχτά στο A. Αυτό όµως είναι άτοπο διότι το A είναι συνεκτικό. Πρόταση 1.4. Ενα υποσύνολο A Êείναι συνεκτικό αν και µόνο αν είναι διάστηµα. Απόδειξη. Θα αποδείξουµε το αντίστροφο στην ειδική περίπτωση A=Ê. Η απόδειξη όταν το A είναι κάποιο άλλο διάστηµα είναι ανάλοη. Προσπαθήστε να δείξετε το ευθύ σαν άσκηση. Ας υποθέσουµε ότι τοêδεν είναι συνεκτικό. Τότε υπάρχει G Ê, G Êτο οποίο είναι µη κενό, ανοιχτό και κλειστό. Εφόσον το G είναι ανοιχτό, G= n ÆI n, όπου τα I n είναι µη κενά, ξένα ανά δυο ανοιχτά διαστήµατα. Εστω I 1 = (a 1, b 1 ). Τότε b 1 Ê G διότι τα I n είναι ξένα. Αλλά τοê G είναι επίσης ανοιχτό, άρα υπάρχειε>0τέτοιο ώστε (b 1 ε, b 1 +ε) Ê G. Αυτό όµως είναι άτοπο διότι I 1 (b 1 ε, b 1 +ε). Πρόταση 1.5. Ενα ανοιχτό υποσύνολο G είναι συνεκτικό αν και µόνο αν ια κάθε z, w Gυπάρχει µια καµπύληστο G η οποία συνδέει τα σηµεία z και w. Απόδειξη. Εστω ότι το G δεν είναι συνεκτικό. Τότε υπάρχουν µη κενά, ξένα και ανοιχτά U, V τέτοια ώστε G=U V. Επιλέουµε z U, w V. Από υπόθεση, υπάρχει µια καµπύλη G η οποία συνδέει τα z και w. Εποµένως = ( U) ( V), όπου U, V είναι µη κενά, ξένα, και ανοιχτά στο. Αυτό όµως είναι άτοπο διότι το είναι συνεκτικό σαν συνεχής εικόνα συνεκτικού συνόλου. Για το αντίστροφο, υποθέτουµε ότι το G είναι συνεκτικό, επιλέουµε τυχόν z 0 G, και ϑέτουµε A={z G : υπάρχει καµπύλη στο G η οποία συνδέει τα σηµεία z 0 και z}. Το A είναι προφανώς µη κενό. Θα δείξουµε ότι είναι ανοιχτό και κλειστό στο G, άρα G=A λόω συνεκτικότητας. Εστω z A. Εφόσον z G, υπάρχειε>0τέτοιο ώστε D(z,ε) G. Αφού z A, υπάρχει µια καµπύληστο G η οποία συνδέει τα z 0 και z. Τώρα, ια κάθε w D(z,ε), το σύνολο [z, w], όπου [z, w] είναι το ευθύραµµο τµήµα που συνδέει τα σηµεία z και w, είναι η εικόνα µιας καµπύλης στο G που συνδέει τα z 0 και w. Εποµένως w A, άρα D(z,ε) A. Συνεπώς το A είναι ανοιχτό. Εστω τώρα z A G. Εφόσον z G, υπάρχειε>0τέτοιο ώστε D(z,ε) G. Αλλά z Aσηµαίνει ότι υπάρχει w D(z,ε) A. Από υπόθεση, υπάρχει καµπύληστο G η οποία συνδέει τα z 0 και w. Και έτσι το σύνολο [w, z] είναι η εικόνα µιας καµπύλης στο G η οποία συνδέει τα z 0 και z. Άρα z A, εποµένως το A είναι κλειστό. Το z 0 είναι τυχόν και έτσι το συµπέρασµα έπεται. 8

9 Πρόταση 1.6. Εστω X µετρικός χώρος, x 0 X, και{a i : i I} µια οικοένεια συνεκτικών υποσυνόλων τού X τέτοια ώστε x 0 A i ια κάθε i I. Τότε η ένωση A= A i i I είναι συνεκτικό σύνολο. Απόδειξη. Εστω G ένα µη κενό υποσύνολο τού A το οποίο είναι ανοιχτό και κλειστό στο A. Τότε το G A i είναι ανοιχτό και κλειστό στο A i ια κάθε i I. Εποµένως, είτε G A i = είτε G A i = A i. Εφόσον τώρα G, υπάρχει i 0 I τέτοιο ώστε G A i0. Άρα G A i0 = A i0. Ιδιαίτερα, x 0 G και έτσι x 0 G A i ια κάθε i I. Συνεπώς G A i = A i ια κάθε i, άρα G=A. Ορισµός 1.7. Ενα υποσύνολο A ενός µετρικού χώρου X λέεται συνεκτική συνιστώσα τού X αν είναι ένα µειστικό συνεκτικό υποσύνολο τού X. ηλαδή το A είναι συνεκτικό και κανένα συνεκτικό υποσύνολο τού X δεν περιέχει νήσια το A. Πρόταση 1.8. Εστω X µετρικός χώρος. Τότε Απόδειξη. (1) Κάθε x 0 X περιέχεται σε µια συνεκτική συνιστώσα τού X. (2) ιακεριµένες συνεκτικές συνιστώσες τού X είναι ανά δυο ξένες. (1) Θέτουµε A={A X:x 0 A, A συνεκτικό}. Η οικοένεια A είναι µη κενή, διότι{x 0 } A. Επίσης, από την προηούµενη πρόταση, το σύνολο C= A A A είναι συνεκτικό. Από τον ορισµό του, το C είναι µειστικό, άρα είναι µια συνεκτική συνιστώσα τού X. (2) Αν C 1, C 2 ήταν δυο διακεκριµένες συνεκτικές συνιστώσες µε C 1 C 2, τότε, από την προηούµενη πρόταση, το σύνολο C 1 C 2 ϑα ήταν συνεκτικό και ϑα περιείχε νήσια τα C 1 και C 2, άτοπο. Πρόταση 1.9. Εστω G ανοιχτό. Τότε οι συνεκτικές συνιστώσες τού G είναι ανοιχτά σύνολα και αριθµήσιµες το πλήθος. Απόδειξη. Εστω A Gµια συνεκτική συνιστώσα τού G και z A. Αφού το G είναι ανοιχτό, υπάρχειε>0 τέτοιο ώστε D(z,ε) G. Αλλά το σύνολο D(z,ε) A είναι συνεκτικό. Εποµένως, από τη µειστικότητα του A, πρέπει να έχουµε D(z,ε) A=A, άρα D(z,ε) A, συνεπώς το A είναι ανοιχτό. Το ότι οι συνεκτικές συνιστώσες τού G είναι αριθµήσιµες το πλήθος έπεται από το ότι σ ένα διαχωρίσιµο µετρικό χώρο, κάθε οικοένεια µη κενών, ξένων ανά δυο ανοιχτών συνόλων είναι αριθµήσιµη. 9

10

11 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2 Στοιχειώδης Θεωρία Στο κεφάλαιο αυτό ορίζουµε τις αναλυτικές συναρτήσεις, το ολοκλήρωµα µιας µιαδικής συνάρτησης πάνω σ ένα µονοπάτι, και αναπτύσσουµε τα εραλεία που χρειάζονται ια την απόδειξη µιας στοιχειώδους έκδοσης τού ϑεωρήµατος τού Cauchy. Στη συνέχεια παρουσιάζουµε τις ϐασικές ιδιότητες των δυναµοσειρών και την σχέση τους µε τις αναλυτικές συναρτήσεις. Αναλυτικές συναρτήσεις Τα ϐασικά αντικείµενα που ϑα µελετήσουµε στη µιαδική ανάλυση είναι οι αναλυτικές συναρτήσεις. Ορισµός 2.1. Εστω U ένα ανοιχτό υποσύνολο τού. Μια συνάρτηση f : U λέεται αναλυτική ή ολόµορφη στο U αν ια κάθε z U το όριο f (z+h) f (z) lim h 0 h υπάρχει. Η τιµή του συµβολίζεται µε f (z) και ονοµάζεται παράωος τής f στο z. Η έκφραση «η f είναι αναλυτική στο σηµείο z 0» σηµαίνει ότι υπάρχει ένα ανοιχτό σύνολο U τέτοιο ώστε z 0 U και η f είναι αναλυτική στο U. Γενικότερα, αν S είναι ένα υποσύνολο τού, τότε λέµε ότι η f είναι αναλυτική στο S αν υπάρχει ένα ανοιχτό U τέτοιο ώστε S U και η f είναι αναλυτική στο U. Σκεφτείτε τις οµοιότητες και τις διαφορές ανάµεσα στις παραπάνω έννοιες και στην οικεία από την Πραµατική Ανάλυση έννοια τής διαφορισιµότητας. Η απόδειξη των ακόλουθων αποτελεσµάτων είναι εντελώς ανάλοη µε την απόδειξη των αντίστοιχων αποτελεσµάτων από τον Απειροστικό Λοισµό. Θεώρηµα 2.2. Εστω S. (1) Αν η f : S είναι αναλυτική, τότε η f είναι συνεχής. (2) Αν οι f, g : S είναι αναλυτικές, τότε οι f+ g, f g είναι αναλυτικές και ( f+ g) = f + g, ( f g) = f g+ f g. (3) Αν η f : S είναι αναλυτική και δεν µηδενίζεται σε κάποια περιοχή τού S, τότε η 1/ f είναι αναλυτική και (1/ f ) = f / f 2. Απόδειξη. Αποδεικνύουµε µόνο το (1) ια να ϕανεί η απόλυτη αναλοία µε τον Απειροστικό Λοισµό. Εστω z 0 στην περιοχή τού S στην οποία η f είναι αναλυτική. Τότε f (z) f (z 0 ) lim( f (z) f (z 0 ))= lim lim(z z 0 )= f (z 0 ) 0=0. z z 0 z z0 z z 0 z z0 Θεώρηµα 2.3 (Ο Κανόνας τής Αλυσίδας). Εστω U, V ανοιχτά και f : U, g : V αναλυτικές. Υποθέτουµε ότι f (U) V. Τότε η g f είναι αναλυτική στο U και (g f ) (z)= f (z)g ( f (z)) ια όλα τα z U. Παρατήρηση. Αν το U είναι ανοιχτό, η f : U αναλυτική, το I Êείναι κάποιο διάστηµα, και η : I U παραωίσιµη, τότε η f είναι παραωίσιµη και ( f ) (t)= (t) f ((t)) ια όλα τα t I. Θεώρηµα 2.4 (Το Θεώρηµα Αντίστροφης Απεικόνισης). Εστω U, V ανοιχτά, f : U συνεχής, και g : V αναλυτική τέτοια ώστε η g δεν µηδενίζεται πουθενά. Υποθέτουµε ότι f (U) V και ότι g( f (z))=zια όλα τα z U. Τότε η f είναι αναλυτική στο U και f (z)= 1 g ( f (z)), z U. 11

12 Σ αυτό το σηµείο, τα µοναδικά παραδείµατα αναλυτικών συναρτήσεων που µπορούµε να σκεφτούµε είναι οι ϱητές συναρτήσεις, δηλαδή πηλίκα µιαδικών πολυωνύµων. Για να ορίσουµε περισσότερες, ϑα χρειαστούµε το ακόλουθο αποτέλεσµα, το οποίο χαρακτηρίζει τις αναλυτικές συναρτήσεις µέσω τού πραµατικού και τού ϕανταστικού τους µέρους. Θεώρηµα 2.5 (Οι συνθήκες Cauchy Riemann). Εστω U ανοιχτό και f : U. Θέτουµε u=re f και v=im f. Αν η f είναι αναλυτική, τότε οι µερικές παράωοι u x, u y, v x, v y υπάρχουν και ισχύει f (x 0 + iy 0 )=u x (x 0, y 0 )+iv x (x 0, y 0 )=v y (x 0, y 0 ) iu y (x 0, y 0 ), ια κάθε x 0 + iy 0 U. Κατά συνέπεια { } ux = v y (συνθήκες Cauchy Riemann). u y = v x Αντίστροφα, αν οι µερικές παράωοι u x, u y, v x, v y υπάρχουν, είναι συνεχείς και ικανοποιούν τις συνθήκες Cauchy Riemann, τότε η f είναι αναλυτική. Απόδειξη. Εστω z 0 = x 0 + iy 0 U. Τότε Ανάλοα, f (z 0 )=lim h 0 f (z 0 + h) f (z 0 ) h h = u x (x 0, y 0 )+iv x (x 0, y 0 ). h Ê h 0 = lim f (z 0 + h) f (z 0 ) h u(x 0 + h, y 0 )+iv(x 0 + h, y 0 ) u(x 0, y 0 ) iv(x 0, y 0 ) = lim h 0 h u(x 0 + h, y 0 ) u(x 0, y 0 ) v(x 0 + h, y 0 ) v(x 0, y 0 ) = lim + i lim h 0 h 0 h f (z 0 )=lim h 0 f (z 0 + h) f (z 0 ) h h Ê h 0 = lim f (z 0 + ih) f (z 0 ) ih u(x 0, y 0 + h)+ iv(x 0, y 0 + h) u(x 0, y 0 ) iv(x 0, y 0 ) = lim h 0 ih v(x 0, y 0 + h) v(x 0, y 0 ) u(x 0, y 0 + h) u(x 0, y 0 ) = lim i lim h 0 h h 0 h = v y (x 0, y 0 ) iu y (x 0, y 0 ). Για το αντίστροφο, έστω z 0 = x 0 + iy 0 U. Τότε υπάρχειε>0τέτοιο ώστε D(z 0,ε) U. Για κάθε h= s+it στο D(0,ε), ϑεωρούµε την ποσότητα f (z 0 + h) f (z 0 ) h = (u(x 0+s, y 0 + t) u(x 0, y 0 ))+i(v(x 0 + s, y 0 + t) v(x 0, y 0 )). s+it Από το Θεώρηµα Μέσης Τιµής έχουµε ότι υπάρχουν s 1, t 1 µε s 1 < s και t 1 < t τέτοια ώστε όπου u(x 0 + s, y 0 + t) u(x 0, y 0 ) = [u x (x 0 + s 1, y 0 + t) u x (x 0, y 0 )]s+[u y (x 0, y 0 + t 1 ) u y (x 0, y 0 )]t+u x (x 0, y 0 )s+u y (x 0, y 0 )t =φ(s, t)+u x (x 0, y 0 )s+u y (x 0, y 0 )t, διότι u x, u y συνεχείς. Οµοίως όπου φ(s, t) lim s+it 0 s+it = 0, v(x 0 + s, y 0 + t) v(x 0, y 0 )=ψ(s, t)+v x (x 0, y 0 )s+v y (x 0, y 0 )t, ψ(s, t) lim = 0. s+it 0 s+it 12

13 Εποµένως, χρησιµοποιώντας τις συνθήκες Cauchy Riemann, έχουµε f (z 0 + h) f (z 0 ) h = u x (x 0, y 0 )+iv x (x 0, y 0 )+ Παίρνοντας το όριο καθώς s+it 0, ϐλέπουµε ότι η f είναι αναλυτική. φ(s, t)+iψ(s, t). s+it Πρόταση 2.6. Εστω G ανοιχτό και συνεκτικό, και έστω f : G αναλυτική, τέτοια ώστε f (z)=0ια κάθε z G. Τότε η f είναι σταθερή. Απόδειξη. Σταθεροποιούµε z 0 G και ϑέτουµε A={z G : f (z)= f (z 0 )}. Το A είναι προφανώς µη κενό. Θα δείξουµε ότι είναι ανοιχτό και κλειστό στο G, εποµένως A=G. Εστω z=x+iy A. Αφού z G, υπάρχειε>0τέτοιο ώστε D(z, ε) G. Επιλέουµε τυχόν w D(z,ε). Τότε w=z+h ια κάποιο h= s+it D(0,ε). Από το Θεώρηµα Μέσης Τιµής, υπάρχουν s 1, s 2, t 1, t 2 µε s 1, s 2 < s και t 1, t 2 < t τέτοια ώστε f (w) f (z)=u x (x+ s 1, y+ t)s+u y (x, y+ t 1 )t+i[v x (x+ s 2, y+t)s+v y (x, y+t 2 )t]=0, διότι υποθέσαµε ότι f (z)=0ια κάθε z G. Εποµένως f (w)= f (z)= f (z 0 ). Άρα w Aκαι, αφού το w ήταν τυχόν, D(z, ε) A. Συνεπώς το A είναι ανοιχτό. Τέλος, το A είναι κλειστό στο G διότι η f είναι συνεχής. Χρησιµοποιώντας το Θεώρηµα 2.5, µπορούµε να κατασκευάσουµε µη τετριµµένες αναλυτικές συναρτήσεις. (Η µιαδική εκθετική συνάρτηση.) Για κάθε z= x+iy ϑέτουµε exp(z)=e z = e x (cos y+i sin y). Η exp είναι αναλυτική (από το Θεώρηµα 2.5), exp( )= {0}, είναι περιοδική µε περίοδο 2πi και ικανοποιεί τις σχέσεις exp(z+w)=exp(z) exp(w) ια κάθε z, w, και (exp) = exp. (Οι µιαδικές τριωνοµετρικές συναρτήσεις.) Ορίζουµε τις συναρτήσεις sin, cos : µε sin z= 1 2i (eiz e iz ), cos z= 1 2 (eiz + e iz ). Οι συναρτήσεις αυτές είναι αναλυτικές διότι η exp είναι αναλυτική, και ικανοποιούν τις σχέσεις sin z=cos z, cos z= sin z, sin 2 z+cos 2 z=1. (Ο κύριος κλάδος τού µιαδικού λοαρίθµου.) Θέτουµε A= {x Ê: x 0} και ορίζουµε τη συνάρτηση log : A µε log z=log z +i arg z. Η log είναι συνεχής και exp(log z)=z. Εφόσον η exp είναι αναλυτική, από το Θεώρηµα Αντίστροφης Απεικόνισης έχουµε ότι και η log είναι αναλυτική. Από το ίδιο ϑεώρηµα παίρνουµε ότι log z= 1 z, z A. (Η µιαδική δύναµη.) Αν A είναι όπως παραπάνω, τότε ια a, z A, ϑέτουµε z a = exp(a log z). Η z a είναι αναλυτική στο A σαν σύνθεση αναλυτικών συναρτήσεων. Εύκολα ϐλέπουµε ότι (z a ) = az a 1, z A. Ολοκλήρωση σε µονοπάτια Ορισµός 2.7. Εστω : [a, b] ένα µονοπάτι και f : µια συνεχής συνάρτηση. Τότε ορίζουµε το ολοκλήρωµα τής f πάνω στο ως εξής. b f (z) dz= f ((t)) (t) dt. a Απο τώρα και στο εξής, όταν ράφουµε f (z) dz, ϑα υποθέτουµε ότι τοείναι ένα µονοπάτι και ότι η f είναι συνεχής στο. Η ακόλουθη ανισότητα ϑα χρησιµοποιείται συχνά. 13

14 Πρόταση 2.8. Εστω f και όπως στον ορισµό. Τότε f (z) dz M f ()l(), όπου b M f ()=max{ f (z) : z },l()= (t) dt (το µήκος του). a Απόδειξη. Άσκηση. Στην απόδειξη τού ϑεωρήµατος τού Cauchy ια ένα τρίωνο, ϑα χρειαστεί να υπολοίσουµε το ολοκλήρωµα zn dz, όπου τοπαριστάνει το ευθύραµµο τµήµα που συνδέει δυο σηµεία z 1 και z 2. Η απάντηση είναι η αναµενόµενη. Ορισµός 2.9. Εστω z 1, z 2 και έστω ότι [z 1,z 2 ] συµβολίζει το ολοκλήρωµα της f πάνω στο µονοπάτι f (z) dz : [0, 1],(t)=(1 t)z 1 + tz 2. ΑνΓείναι ένα πολύωνο µε διαδοχικές κορυφές z 1, z 2,..., z n, τότε ϑέτουµε n 1 f (z) dz= f (z) dz Γ k=1 [z k,z k+1 ] Πρόταση Για κάθε n=0, 1, 2,... έχουµε z n dz= 1 n+1 (zn+1 2 z n+1 1 ). Απόδειξη. Άσκηση. [z 1,z 2 ] Θεώρηµα 2.11 (Το Θεώρηµα τού Cauchy ια τρίωνα). ΕστωΓένα τρίωνο τέτοιο ώστε τογκαι το εσωτερικό του περιέχονται σ ένα ανοιχτό σύνολο U. Αν η f είναι αναλυτική στο U, τότε f (z) dz=0. Γ Απόδειξη. Χωρίζουµε το εσωτερικό τού Γ όπως ϕαίνεται στο σχήµα (τα a, b και c είναι τα µέσα των πλευρών τού τριώνου). V03 a b V04 V 01 V 02 c ΕστωΓ 0 j το σύνορο του V 0 j, j=1, 2, 3, 4. Τότε, υποθέτοντας ότι έχουµε διατάξει τις κορυφές όλων των τριώνων µε ϕορά αντίθετη από τη ϕορά των δεικτών τού ϱολοιού, παίρνουµε 4 f (z) dz= f (z) dz. Εστω τώρα k τέτοιο ώστε Γ 0k Γ f (z) dz = max j=1 Γ 0 j 14 Γ 0 j f (z) dz : j=1, 2, 3, 4.

15 ΘέτουµεΓ 1 =Γ 0k και V 1 = V 0k. Τότε f (z) dz Γ 4 f (z) dz 1. Γ Οµοίως, χωρίζουµε το εσωτερικό τούγ 1 στα σύνολα V 11, V 12, V 13, V 14 και παίρνουµε Γ 1 f (z) dz 4 Γ 2 f (z) dz, όπουγ 2 είναι κάποιο από τα «υποτρίωνα» τούγ 1. Συνεχίζοντας µε τον ίδιο τρόπο παίρνουµε µια ϕθίνουσα ακολουθία συνόλων V 1 V 2 V 3 (V n είναι το εσωτερικό τού τριώνουγ n ), τέτοια ώστε (1) f (z) dz 4n f (z) dz Γ Γ n. Εστω V n το κλειστό τριωνικό σύνολο V n Γ n. Τότε η{v n } είναι µια ϕθίνουσα ακολουθία κλειστών συνόλων. Επιπλέον, αφού το ευθύραµµο τµήµα που συνδέει τα µέσα δυο πλευρών ενός τριώνου έχει το µισό µήκος από το µήκος τής απέναντι πλευράς, έχουµε Εποµένως µήκος(γ n )= 1 2 µήκος(γ n 1). diam(v n ) µήκος(γ n )= 1 2n µήκος(γ) 0. Από το Θεώρηµα Cantor, η τοµή n=1 V n περιέχει ακριβώς ένα σηµείο, έστω z 0. Αφού η f είναι αναλυτική στο z 0, ια δοσµένοε>0υπάρχειδ>0τέτοιο ώστε f (z) f (z 0 ) f (z 0 ) z z 0 <ε ια 0< z z 0 <δ. Συνεπώς, αν ορίσουµε έχουµε Τώρα, ια n αρκετά µεάλο, έχουµε g(z)= f (z) f (z 0 ) (z z 0 ) f (z 0 ), g(z) ε z z 0 ια V n {z : z z 0 <δ}, 0 z z 0 <δ. και έτσι (2) f (z) dz= [ f (z 0 )+(z z 0 ) f (z 0 )] dz+ g(z) dz, Γ n Γ n Γ n όπου g(z) ε z z 0 ια z Γ n. Το πρώτο ολοκλήρωµα στο δεξιά µέλος τής (2) είναι ίσο µε µηδέν από την Πρόταση Από την Πρόταση 2.8, το δεύτερο ολοκλήρωµα είναι, σε απόλυτη τιµή, µικρότερο από ή ίσο µε ε max{ z z 0 : z Γ n } µήκος(γ n ) ε [µήκος(γ n )] 2 = ε 4 n [µήκος(γ)]2. Η (1) και (2) µάς δίνουν f (z) dz ε [µήκος(γ)]2. Γ Αφού τοεείναι αυθαίρετο, έχουµε το Ϲητούµενο. Χωρίς πολλή επιλέον προσπάθεια, µπορούµε να δείξουµε ότι αν U είναι ένα ανοιχτό και κυρτό υποσύνολο τού και η f είναι αναλυτική στο U, τότε το ολοκλήρωµα τής f πάνω σε οποιοδήποτε κλειστό µονοπάτι στο U είναι µηδέν. Πρώτα δείχνουµε ότι ια κάθε ανοιχτό σύνολο U η πρόταση «f (z) dz=0ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U» είναι ισοδύναµη µε την πρόταση «η f έχει παράουσα στο U». Ορισµός Εστω U ένα ανοιχτό υποσύνολο τού και f : U. Μια (αναλυτική) συνάρτηση F : U λέεται παράουσα τής f αν F = f στο U. Πρόταση Εστω U ανοιχτό και f : U συνεχής. Τότε η f έχει παράουσα στο U αν και µόνο αν f (z) dz=0ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U. 15

16 Απόδειξη. Αν F = f στο U, τότε ια οποιοδήποτε κλειστό µονοπάτι:[a, b] U, το Θεµελιώδες Θεώρηµα τού Απειροστικού Λοισµού µάς δίνει b f (z) dz= f ((t)) (t) dt=[f((t))] b a = 0. a Αντίστροφα, έστω ότι f (z) dz=0 ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U. Αρχικά υποθέτουµε ότι το U είναι συνεκτικό. Σταθεροποιούµε ένα σηµείο z 0 U και ορίζουµε F(z)= f (w) dw, z U, z όπου z οποιοδήποτε µονοπάτι συνδέει το z 0 µε το z. Η συνεκτικότητα τού U και η υπόθεση µάς εξασφαλίζουν ότι η F είναι καλά ορισµένη (το ολοκλήρωµα εξαρτάται µόνο από τα σηµεία z 0, z και όχι από το µονοπάτι που τα συνδέει). Τώρα ια h αρκετά κοντά στο 0 έχουµε F(z+h) F(z) h f (z) = 1 h [z,z+h] [ f (w) f (z)] dw 1 max{ f (w) f (z) : w [z, z+h]} h 0, h καθώς h 0, διότι η f είναι συνεχής. Αν τώρα το U δεν είναι συνεκτικό, εφαρµόζουµε αυτό που αποδείξαµε σε κάθε συνεκτική συνιστώσα τού U. Αν το U είναι κυρτό, τότε αρκεί να πάρουµε τρίωνα στην υπόθεση ια το αντίστροφο τής προηούµενης πρότασης. Πρόταση Εστω U ανοιχτό και κυρτό, και f : U συνεχής. Αν f (z) dz=0 ια κάθε τρίωνογ Γ στο U, τότε η f έχει παράουσα στο U, και άρα f (z) dz=0ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U. Απόδειξη. Σταθεροποιούµε z 0 U και ορίζουµε F(z)= f (w) dw, z U. [z 0,z] Η παραπάνω έκφραση έχει νόηµα διότι [z 0, z] U λόω κυρτότητας. Υποθέτοντας ότι f (z) dz=0ια κάθε Γ τρίωνογστο U, έχουµε F(z+h) F(z) = 1 f (w) dw, h h [z,z+h] και το επιχείρηµα τής προηούµενης πρότασης µάς δίνει F = f στο U. Είµαστε τώρα σε ϑέση να αποδείξουµε το ϐασικό αποτέλεσµα αυτής τής ενότητας. Θεώρηµα Εστω U ανοιχτό και f : U συνεχής στο U και αναλυτική στο U {z 0 }, όπου z 0 κάποιο σταθεροποιηµένο σηµείο τού U. ΑνΓείναι ένα τρίωνο τέτοιο ώστε τογκαι το εσωτερικό του περιέχονται στο U, τότε f (z) dz=0. Γ Ετσι, αν το U είναι κυρτό, έπεται από την Πρόταση 2.14 ότι f (z) dz=0ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U. Αυτό είναι το Θεώρηµα τού Cauchy ια κυρτά σύνολα. Απόδειξη. Εστω V το εσωτερικό τούγ. Αν z 0 V Γ, τότε f (z) Γ dz=0από το Θεώρηµα Αν z 0 είναι µια κορυφή τούγ, τότε αντικαθιστούµε το z 0 µε ένα «ειτονικό» σηµείο z 0 V όπως στο σχήµα. Ετσι f (z) dz=0 Γ πάλι από το Θεώρηµα Αλλά f (z) dz f (z) dz Γ Γ καθώς z 0 z 0, διότι η f είναι οµοιόµορφα συνεχής στο V Γ. Τέλος, αν z 0 V ή z 0 Γ αλλά το z 0 δεν είναι κορυφή τούγ, τότε χωρίζουµε τογσε τρία «υποτρίωνα» έτσι ώστε το καθένα να έχει το z 0 κορυφή, και το συµπέρασµα έπεται από την προηούµενη περίπτωση. 16

17 z 0 z 0 Γ z0 Γ Θα δείξουµε αρότερα ότι αν µια συνάρτηση είναι συνεχής στο U και αναλυτική στο U {z 0 }, τότε είναι κατ ανάκη αναλυτική στο U. υναµοσειρές Το ϐασικό αποτέλεσµα που ϑα δείξουµε στην ενότητα αυτήν είναι ότι µια συνάρτηση είναι αναλυτική σ ένα σηµείο z 0 αν και µόνο αν µπορεί να αναπαρασταθεί σαν συκλίνουσα δυναµοσειρά σε µια περιοχή τού z 0. Ορισµός Μια δυναµοσειρά είναι ένα (τυπικό) άθροισµα τής µορφής a n (z z 0 ) n, n=0 όπου a n µια ακολουθία µιαδικών αριθµών και z 0 κάποιο σταθεροποιηµένο σηµείο. Το z το ϑεωρούµε µεταβλητή. Η δυναµοσειρά λέεται συκλίνουσα στο σηµείο z, αν και µόνο αν η ακολουθία των µερικών αθροισµάτων S n (z)= n k=0 a k (z z 0 ) k συκλίνει σε κάποιον µιαδικό αριθµό καθώς n +. Η δυναµοσειρά λέεται απολύτως συκλίνουσα στο z, αν και µόνο αν a n (z z 0 ) n <+. n=0 Η δυναµοσειρά λέεται οµοιόµορφα συκλίνουσα σ ένα σύνολο A, αν και µόνο αν υπάρχει µια συνάρτηση f : A τέτοια ώστε S n f οµοιόµορφα στο A. Το ακόλουθο αποτέλεσµα µάς λέει ότι το σύνολο των σηµείων στα οποία µια δυναµοσειρά συκλίνει είναι ένας δίσκος µαζί, ενδεχοµένως, µε ένα κοµµάτι τού συνόρου του. Πρόταση Εστω z 0. Υποθέτουµε ότι η δυναµοσειρά n=0 a n (z z 0 ) n συκλίνει ια κάποιο z z 0. Θέτουµε r = z z 0. Τότε η σειρά συκλίνει απόλυτα στον ανοιχτό δίσκο D(z 0, r), και οµοιόµορφα σε κάθε συµπαές υποσύνολο τού D(z 0, r). Απόδειξη. Εφόσον η σειρά συκλίνει, έχουµε ότι a n (z z 0 ) n M ια κάποιο M> 0. Αν w D(z 0, r), τότε a n (w z 0 ) n = a n (z z 0 ) n w z 0 n ( ) n w z0 z z n=0 n=0 0 M <+, r n=0 διότι w z 0 <r. Εστω τώρα K D(z 0, r) συµπαές. Τότε υπάρχει r 1, µε 0<r 1 < r, τέτοιο ώστε K D(z 0, r 1 ). Εποµένως, ια κάθε w K έχουµε a n (w z 0 ) n = a n (z z 0 ) n w z 0 n ( r1 ) n. z z 0 M r Αφού n=0 (r 1 /r) n <+, το συµπέρασµα έπεται από το κριτήριο τού Weierstrass. Θα συσχετίσουµε τώρα τη σύκλιση µιας δυναµοσειράς µε τη συµπεριφορά των συντελεστών της. Πρόταση Εστω n=0 a n (z z 0 ) n µια δυναµοσειρά. Θέτουµε r=(lim sup a n 1/n ) 1. Ο αριθµός αυτός ονοµάζεται ακτίνα σύκλισης τής σειράς (κάνουµε τις συνηθισµένες συµβάσεις 1/0 = και 1/+ =0). Αν 0<r<+, τότε η σειρά συκλίνει απόλυτα στον ανοιχτό δίσκο D(z 0, r) και οµοιόµορφα στα 17

18 συµπαή υποσύνολα τού D(z 0, r). Η σειρά αποκλίνει ια z z 0 >r. Αν r=0, τότε η σειρά συκλίνει µόνο ια z=z 0. Αν r=+, τότε η σειρά συκλίνει οµοιόµορφα σε όλα τα συµπαή υποσύνολα τού. Απόδειξη. Αποδεικνύουµε µόνο την περίπτωση 0<r<+. Αν z z 0 <r, τότε lim sup a n (z z 0 ) n 1/n = z z 0 < 1. r Από το κριτήριο ϱίζας, η σειρά συκλίνει απόλυτα στον D(z 0, r). Η οµοιόµορφη σύκλιση στα συµπαή υποσύνολα τού D(z 0, r) έπεται από την Πρόταση Αν τώρα η σειρά συνέκλινε σε κάποιο σηµείο z µε z z 0 >r, τότε ϑα είχαµε, από την Πρόταση 2.17, ότι ϑα συνέκλινε απόλυτα σε όλα τα σηµεία z µε r< z z 0 < z z 0. Αλλά lim sup a n (z z 0 ) n 1/n = z z 0 > 1, r το οποίο είναι άτοπο από το κριτήριο ϱίζας. Για να µπορέσουµε να συσχετίσουµε αναλυτικές συναρτήσεις και δυναµοσειρές, πρέπει να δείξουµε ένα πολύ σηµαντικό ενδιάµεσο αποτέλεσµα. Αν η f είναι αναλυτική σ έναν κλειστό δίσκο, τότε η τιµή τής f σε οποιοδήποτε εσωτερικό σηµείο τού δίσκου καθορίζεται πλήρως από τις τιµές τής f πάνω στο σύνορο τού δίσκου. Επιπλέον, ϑα δώσουµε έναν τύπο ο οποίος περιράφει ακριβώς αυτήν την εξάρτηση. Παρατηρήστε πάλι τη διαφορά µε την κατάσταση που ξέρετε στην Πραµατική Ανάλυση. Μια διαφορίσιµη πραµατική συνάρτηση δεν έχει κατ ανάκη αυτήν την ιδιότητα. Ορισµός ΑνΓείναι ο κύκλος{z : z z 0 =r} τότε ϑέτουµε 2π f (z) dz= f (z 0 + re it )ire it dt. Γ 0 ηλαδή f (z) dz= f (z) dz, όπου(t)=z 0 + re it, t [0, 2π]. Γ Θεώρηµα 2.20 (Ο Ολοκληρωτικός Τύπος τού Cauchy ια κύκλους). Εστω V ένα ανοιχτό υποσύνολο τού το οποίο περιέχει τον κύκλογ={z : z z 0 =r} και το εσωτερικό τούγ, δηλαδή τον ανοιχτό δίσκο U= D(z 0, r). Εστω f : V µια αναλυτική συνάρτηση. Τότε ια κάθε z U Απόδειξη. Θέτουµε f (z)= 1 2πi Γ f (w) w z dw. f (w) f (z), αν w U, w z g(w)= w z. f (z), αν w=z Τότε η g είναι συνεχής στο U και αναλυτική στο U {z}, εποµένως, από το Θεώρηµα 2.15, έχουµε ότι g(w) dw= Γ 0 (παρατηρήστε ότι υπάρχει έναν ανοιχτός δίσκος D τέτοιος ώστε Γ U D V. Ετσι, αφού ο D είναι κυρτό σύνολο, µπορούµε να εφαρµόσουµε το Θεώρηµα 2.15). Άρα Τώρα Γ 1 2πi Γ f (w) f (z) dw= w z 2πi dw w z = dw Γ (w z 0 ) (z z 0 ) = Γ Γ dw w z. n=0 (z z 0 ) n dw. (w z 0 ) n+1 Εφόσον (z z 0 ) n (w z 0 ) n+1 = z z 0 n r n+1 και z z 0 <r, έχουµε ότι η σειρά συκλίνει οµοιόµορφα (κριτήριο Weierstrass), άρα µπορούµε να εναλλάξουµε το ολοκλή- ϱωµα µε το άπειρο άθροισµα. Αλλά 1 2π dw= r (n+1) e i(n+1)t ire it 0 αν n=1, 2,... dt= (w z 0 ) n+1 2πi αν n=0. Γ 0 18

19 Συνεπώς Γ dw w z = 2πi. Στην παραπάνω απόδειξη υπολοίσαµε ένα χρήσιµο ολοκλήρωµα. Αποµονώνουµε αυτόν τον υπολοισµό. Λήµµα ΑνΓείναι ένας κύκλος, τότε dw Γ w z = 2πi αν το z είναι στο εσωτερικό τούγ 0 αν το z είναι στο εξωτερικό τούγ. Απόδειξη. Αν το z είναι µέσα στον κύκλο, τότε χρησιµοποιούµε το επιχείρηµα τής προηούµενης απόδειξης. Αν το z ϐρίσκεται έξω από τον κύκλο, τότε η συνάρτηση f (w)=(w z) 1 είναι αναλυτική σ έναν ανοιχτό δίσκο ο οποίος περιέχει τονγαλλά όχι το z. Το συµπέρασµα τώρα έπεται από το Θεώρηµα Μια άλλη ιδιότητα των µιαδικών συναρτήσεων η οποία δεν έχει κάποιο ανάλοο στην Πραµατική Ανάλυση είναι ότι αν η f είναι αναλυτική σ ένα ανοιχτό σύνολο U, τότε η f είναι απείρως παραωίσιµη, και µάλιστα η n-τάξης παράωός της µπορεί να ϐρεθεί αν παραωίσουµε n ϕορές τον Ολοκληρωτικό Τύπο τού Cauchy. Θεώρηµα 2.22 (Ο Ολοκληρωτικός Τύπος τού Cauchy ια παραώους). Εστω V ανοιχτό και f : V αναλυτική. Τότε η f έχει παραώους όλων των τάξεων στο V. Ειδικότερα, ια κάθε z V, αν U είναι ένας ανοιχτός δίσκος µε περιφέρειαγτέτοιος ώστε z U και U Γ V, τότε f (n) (z)= n! 2πi Γ f (w) dw. (w z) n+1 Απόδειξη. Η απόδειξη ϑα ίνει µε επαωή στο n. Κατ αρχάς αποδεικνύουµε τον τύπο ια n=1. Από το Θεώρηµα 2.20, έχουµε ια h αρκετά κοντά στο 0 f (z+h) f (z) 1 f (w) h 2πi Γ (w z) dw= 1 [ f (w) 2 2πih Γ w z h f (w) w z h f (w) ] dw (w z) 2 = h f (w) 2πi (w z) 2 dw 0, καθώς h 0 (w z h) διότι η f είναι ϕραµένη στονγκαι η ποσότητα (w z) 2 (w z h) είναι κάτω ϕραµένη από µια ϑετική σταθερά. Τώρα υποθέτουµε ότι έχουµε αποδείξει τον τύπο ια n=k. Τότε f (k) (z+h) f (k) (z) (k+1)! [ ] f (w) k! f (w) f (w) h(k+1) f (w) dw= h 2πi Γ (w z) k+2 2πih Γ (w z h) k+1 (w z) k+1 dw (w z) k+2 = hk! f (w)g(w, z, h) dw, 2πi Γ όπου η G(w, z, h) είναι ίση µε k 1 j=0 ( k+1 ) j (w z) j+1 ( h) k j 1 (k+1) k j=0 Γ ( k+1 ) j (w z) j ( h) k j. (w z h) k+1 (w z) k+2 Η παραπάνω ποσότητα είναι ϕραµένη, εποµένως hk! f (w)g(w, z, h) dw 0, καθώς h 0. 2πi Γ Άρα ο τύπος ισχύει ια n=k+1. Πόρισµα Αν µια συνάρτηση f έχει παράουσα σ ένα ανοιχτό σύνολο U, τότε η f είναι αναλυτική στο U. Απόδειξη. Άµεση από το Θεώρηµα Πόρισµα Εστω U ανοιχτό και f : U συνεχής. Αν z 0 U και η f είναι αναλυτική στο U {z 0 }, τότε η f είναι αναλυτική στο U. 19

20 Απόδειξη. Εστω D=D(z 0, r) U. Αρκεί να δείξουµε ότι η f είναι αναλυτική στο D. Από το Θεώρηµα 2.15, f (z) dz=0ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο D, εποµένως, από την Πρόταση 2.13, η f έχει παράουσα στο D. Άρα, από το Πόρισµα 2.23, η f είναι αναλυτική στο D. Είδαµε ότι αν η f είναι αναλυτική σ ένα ανοιχτό και κυρτό σύνολο U, τότε το ολοκλήρωµα τής f πάνω σε οποιοδήποτε κλειστό µονοπάτι στο U είναι 0. Θα δείξουµε ότι το αντίστροφο ισχύει χωρίς την υπόθεση τής κυρτότητας. Θεώρηµα 2.25 (Το Θεώρηµα Morera). Εστω U ανοιχτό και f : U συνεχής. Αν f (z) dz=0 ια Γ κάθε τρίωνογστο U, τότε η f είναι αναλυτική στο U. Απόδειξη. Εστω D ένας ανοιχτός δίσκος που περιέχεται στο U. Από την Πρόταση 2.14, η f έχει παράουσα στο D. Από το Πόρισµα 2.23, η f είναι αναλυτική στο D. Αφού ο D ήταν τυχόντας, η f είναι αναλυτική σ ολόκληρο το U. Το επιχείρηµα στην απόδειξη τού Θεωρήµατος 2.22 δείχνει ότι µπορούµε να κατασκευάσουµε αναλυτικές συναρτήσεις µέσω ολοκληρωµάτων. Πρόταση Εστωένα µονοπάτι και f : συνεχής. Για κάθε z ορίζουµε g(z)= 1 f (w) 2πi w z dw. Τότε η g έχει παραώους όλων των τάξεων, και g (n) (z)= n! 2πi Επιπλέον, g (n) (z) 0καθώς z, ια κάθε n. f (w) dw. (w z) n+1 Απόδειξη. Η απόδειξη τού Θεωρήµατος 2.22 µπορεί να επαναληφθεί κατά λέξη. Ο µόνος λόος που χρησιµοποιήσαµε το εονός ότι η f ήταν αναλυτική (και ότι τογήταν κύκλος), ήταν ια να εκφράσουµε την f (z) µέσω τής f (w), w Γ, χρησιµοποιώντας τον Ολοκληρωτικό Τύπο τού Cauchy. Στην παρούσα κατάσταση, αυτό είναι ήδη τµήµα τής υπόθεσης. Τέλος, το είναι ένα συµπαές και εποµένως ϕραµένο σύνολο, άρα περιέχεται σε κάποιον κλειστό δίσκο D(0, r). Αν f M στο, τότε ια z >r έχουµε g (n) (z) n! M 2π ( z r) n+1 µήκος() 0, καθώς z. Ο Ολοκληρωτικός Τύπος τού Cauchy µάς επιτρέπει να αποδείξουµε ότι µια αναλυτική συνάρτηση µπορεί να αναπαρασταθεί τοπικά σαν συκλίνουσα δυναµοσειρά. Πρόταση 2.27 (Ανάπτυµα Taylor). Εστω f αναλυτική στο D(z 0, r). Τότε f (n) (z 0 ) f (z)= (z z 0 ) n, z D(z 0, r). n! n=0 Η σειρά συκλίνει απόλυτα στο D(z 0, r) και οµοιόµορφα στα συµπαή υποσύνολα τού D(z 0, r). Απόδειξη. Εστω r 1 µε 0<r 1 < r. ΘέτουµεΓ={w : w z 0 =r 1 }. Από το Θεώρηµα 2.20, έχουµε f (z)= 1 f (w) 2πi Γ w z dw= 1 f (w) 1 2πi Γ w z 0 1 z z 0 dw= 1 (z z 0 ) n f (w) dw, 2πi w z 0 Γ (w z n=0 0 ) n+1 ια κάθε z D(z 0, r 1 ). Παρατηρούµε ότι ια κάθε w Γ, έχουµε f (w)(z z 0 ) n w z 0 n+1 max{ f (w) : w Γ} r 1 Εποµένως, από το κριτήριο τού Weierstrass, η σειρά (z z 0 ) n f (w) (w z n=0 0 ) n+1 20 ( ) n z z0. r 1

21 συκλίνει οµοιόµορφα ια w Γ, άρα µπορούµε να εναλλάξουµε το άθροισµα και το ολοκλήρωµα. Συνεπώς f (z)= (z z 0 ) n 1 f (w) 2πi n=0 Γ (w z 0 ) n+1 dw= f (n) (z 0 ) (z z 0 ) n, n! n=0 από το Θεώρηµα Αφού το r 1 είναι αυθαίρετο, έχουµε σύκλιση ια κάθε z D(z 0, r). Η απόλυτη και η οµοιόµορφη σύκλιση έπονται από την Πρόταση Τυπικά παραδείµατα αναπτυµάτων Taylor είναι τα ακόλουθα. e z = 1+z+ z2 zn + + +, z 2! n! cos z=1 z2 2! + z4 z2n +( 1)n +, z 4! (2n)! sin z=z z3 3! + z5 z 2n+1 5! +( 1)n +, z (2n+1)! log z=(z 1) (z 1)2 n+1 (z 1)n + +( 1) +, z D(1, 1). 2 n Παρατηρήστε την αναλοία µε τα αντίστοιχα αναπτύµατα από τον Απειροστικό Λοισµό. Για να αποδείξου- µε το αντίστροφο τής παραπάνω πρότασης, δηλαδή ότι κάθε συκλίνουσα δυναµοσειρά ορίζει µια αναλυτική συνάρτηση, χρειαζόµαστε το ακόλουθο αποτέλεσµα. Πρόταση Εστω f 1, f 2,... µια ακολουθία αναλυτικών συναρτήσεων σ ένα ανοιχτό σύνολο U. Υπο- ϑέτουµε ότι f n f οµοιόµορφα στα συµπαή υποσύνολα τού U. Τότε η f είναι αναλυτική στο U. Επιπλέον, ια κάθε m, έχουµε f (m) n f (m) οµοιόµορφα στα συµπαή υποσύνολα τού U. Απόδειξη. Εστω z 0 U. Επιλέουµε r>0τέτοιο ώστε D(z 0, r) U, και ϑέτουµε Γ={w : w z 0 =r}. Από το Θεώρηµα 2.20 έχουµε f n (z)= 1 f n (w) 2πi Γ w z dw, ια κάθε z D(z 0, r). Αφού η ποσότητα w z, w Γείναι κάτω ϕραµένη από µια ϑετική σταθερά, έχουµε ότι f n (w) w z f (w) w z οµοιόµορφα στο Γ. Εποµένως f (z)= 1 f (w) 2πi Γ w z dw. Το ολοκλήρωµα υπάρχει διότι η f είναι συνεχής στο Γ ως οµοιόµορφο όριο συνεχών συναρτήσεων. Τώρα, από την Πρόταση 2.26, η f είναι αναλυτική στον D(z 0, r), και αφού το z 0 είναι τυχόν, η f είναι αναλυτική σ ολόκληρο το U. Τέλος, από το Θεώρηµα 2.22, έχουµε f (m) n (z) f (m) (z)= m! 2πi Γ f n (w) f (w) (w z) m+1 dw, z D(z 0, r). Αν τώρα z D(z 0, r 1 ), όπου r 1 < r, τότε, από την Πρόταση 2.8, έχουµε f n (m) (z) f (m) (z) m! 2π max f 2πr n(w) f (w) w Γ (r r 1 ) m+1 0, καθώς n +. Εποµένως f n (m) f (m) οµοιόµορφα σε κάθε κλειστό υποδίσκο τού D(z 0, r), άρα σε κάθε κλειστό υποδίσκο τού U (διότι το z 0 είναι τυχόν), άρα σε κάθε συµπαές υποσύνολο τού U (διότι κάθε συµπαές υποσύνολο τού U µπορεί να καλυφθεί από πεπερασµένο πλήθος κλειστών υποδίσκων τού U). Μπορούµε τώρα να δείξουµε το ϐασικό αποτέλεσµα αυτής τής ενότητας. Θεώρηµα Η f είναι αναλυτική στο z 0 αν και µόνο αν η f µπορεί να αναπαρασταθεί σαν µια δυναµοσειρά n=0 a n (z z 0 ) n σε µια περιοχή τού z 0. 21

22 Απόδειξη. Το ευθύ προκύπτει από την Πρόταση Για το αντίστροφο, έχουµε ότι ια κάθε n, η n k=0 a k(z z 0 ) k είναι αναλυτική στο και συκλίνει στην f (z) οµοιόµορφα στα συµπαή υποσύνολα κάποιου δίσκου D(z 0, r). Εποµένως, η f είναι αναλυτική από την Πρόταση Τέλος, δείχνουµε ότι οι συντελεστές τού αναπτύµατος σε δυναµοσειρά µιας αναλυτικής συνάρτησης f είναι µοναδικοί, και ότι οι παράωοι τής f µπορούν να ϐρεθούν αν παραωίσουµε τους όρους τής δυναµοσειράς. Πρόταση Αν f (z)= n=0 a n (z z 0 ) n ια z D(z 0, r), τότε Απόδειξη. (1) f (m) (z)= n=m a n n(n 1)(n 2) (n m+1)(z z 0 ) n m, m=1, 2,... (2) a n = f (n) (z 0 )/n!, ια κάθε n. ηλαδή, η δυναµοσειρά συµπίπτει µε το ανάπτυµα Taylor. (1) Από την Πρόταση 2.17, n k=0 a k(z z 0 ) k f (z) οµοιόµορφα στα συµπαή υποσύνολα τού D(z 0, r). Από την Πρόταση 2.28, έχουµε n a k k(k 1) (k m+1)(z z 0 ) k m f (m) (z). k=m (2) Θέτουµε z=z 0 στο (1) και παίρνουµε f (m) (z 0 )=a m m!. Εφαρµοές Στην ενότητα αυτή ϑα δείξουµε την ισχύ των αποτελεσµάτων που διαθέτουµε µέσα από µια σειρά (αναπάντεχων) εφαρµοών. Πρόταση 2.31 (Εκτιµήσεις Cauchy). Εστω f αναλυτική στο D(z 0, R). Θέτουµε Τότε M f (z 0, r)=max{ f (z) : z z 0 =r}, 0<r<R. f (n) (z 0 ) n! r n M f (z 0, r). Εποµένως, αν f (z)= n=0 a n (z z 0 ) n, z D(z 0, R), τότε a n M f (z 0, r) r n. Απόδειξη. Άµεση από το Θεώρηµα 2.22 και την Πρόταση 2.8. Ορισµός Μια συνάρτηση f : ονοµάζεται ακέραιη αν είναι αναλυτική σ ολόκληρο το. Το επόµενο αποτέλεσµα έρχεται σε πλήρη αντίθεση µε ό,τι νωρίζουµε από την Πραµατική Ανάλυση. Θεώρηµα 2.33 (Το Θεώρηµα Liouville). Αν η f είναι ακέραιη και ϕραµένη, τότε η f είναι σταθερή. Απόδειξη. Από την Πρόταση 2.27, η f αναπτύσσεται σε δυναµοσειρά µε κέντρο το 0 και άπειρη ακτίνα σύκλισης. f (z)= a n z n, z. Από την Πρόταση 2.31, έχουµε ια n 1 n=0 a n M f (z 0, r) 0, καθώς r +, r n διότι η f είναι ϕραµένη. Συνεπώς a n = 0 ια όλα τα n 1. Άρα f (z)=a 0 ια κάθε z. Είµαστε τώρα σε ϑέση να δείξουµε ένα διάσηµο αποτέλεσµα. Θεώρηµα 2.34 (Το Θεµελιώδες Θεώρηµα τής Αλεβρας). Εστω P ένα πολυώνυµο ϐαθµού τουλάχιστον 1. Τότε P(z) = 0 ια κάποιο z. 22

23 Απόδειξη. Αν P(z) 0ια όλα τα z, τότε η 1/P είναι ακέραιη. Εφόσον P(z) καθώς z, η 1/P είναι ϕραµένη, εποµένως σταθερή από το Θεώρηµα Αυτό είναι άτοπο διότι υποθέσαµε ότι ο ϐαθµός τού P είναι τουλάχιστον 1. Ορισµός Ενας µιαδικός αριθµός z 0 λέεται ϱίζα µιας συνάρτησης f αν f (z 0 )=0. Εστω τώρα ότι η f είναι αναλυτική στο z 0, και έστω n=0 a n (z z 0 ) n το ανάπτυµα τής f σε δυναµοσειρά σε µια περιοχή τού z 0. Λέµε ότι το z 0 είναι ϱίζα τάξης m τής f, αν και µόνο αν a n = 0 ια n<mκαι a m 0. Μια ϱίζα τάξης 1 λέεται µερικές ϕορές απλή ϱίζα. Παρατηρήστε ότι αν το z 0 είναι ϱίζα τάξης m της f, τότε το ανάπτυµα τής f σε δυναµοσειρά έχει τη µορφή f (z)=a m (z z 0 ) m + a m+1 (z z 0 ) m+1 + =(z z 0 ) m [a m + a m+1 (z z 0 )+ ]=(z z 0 ) m g(z), όπου g(z 0 )=a m 0. Από το Θεώρηµα 2.29, η g είναι αναλυτική. Εποµένως σε µια περιοχή τής ϱίζας, η f µπορεί να «παραοντοποιηθεί». Σαν εφαρµοή αυτής τής παρατήρησης, εύκολα µπορεί να δείξει κανείς (άσκηση!) το ανάλοο τού κανόνα L Hôpital ια αναλυτικές συναρτήσεις. Εστω f, g : D(z 0, r) αναλυτικές και όχι ταυτοτικά µηδέν. Αν lim f (z)= lim g(z)=0, z z 0 z z0 τότε το υπάρχει (ενδεχοµένως είναι ) και ισχύει lim z z 0 lim z z 0 f (z) g(z) f (z) g(z) = lim z z 0 f (z) g (z). Είδαµε ότι αν η f είναι αναλυτική σ ένα ανοιχτό σύνολο U που περιέχει ένα κύκλογκαι το εσωτερικό του, τότε οι τιµές τής f στονγκαθορίζουν τις τιµές τής f στο εσωτερικό τούγ. Θα δείξουµε τώρα ότι αν S είναι ένα υποσύνολο τού U το οποίο έχει σηµείο συσσώρευσης στο U, τότε οι τιµές τής f στο S καθορίζουν τις τιµές τής f στο U. Πρόταση Εστω U ανοιχτό και συνεκτικό, και f : U αναλυτική. Υποθέτουµε ότι το σύνολο των ϱιζών τής f έχει ένα σηµείο συσσώρευσης z 0 στο U. Τότε η f είναι ταυτοτικά ίση µε 0 στο U. Απόδειξη. Αναπτύσσουµε την f σε δυναµοσειρά ύρω από το z 0. f (z)= a n (z z 0 ) n, z z 0 <r. n=0 Ισχυριζόµαστε ότι a n = 0 ια όλα τα n. ιαφορετικά, έστω m ο ελάχιστος ακέραιος τέτοιος ώστε a m 0. Τότε f (z)=(z z 0 ) m g(z), όπου g αναλυτική στο z 0, και g(z 0 ) 0. Λόω συνέχειας, η g είναι µη µηδενική σε κάποια περιοχή τού z 0, το οποίο αντιφάσκει µε το ότι το z 0 είναι σηµείο συσσώρευσης τού συνόλου των ϱιζών τής f. Τώρα, ϑέτουµε A ={z U : Το z είναι σηµείο συσσώρευσης τού συνόλου των ϱιζών τής f}. Από υπόθεση, z 0 A, άρα το A είναι µη κενό. Θα δείξουµε ότι το A είναι ανοιχτό και κλειστό στο U, άρα A=U διότι το U είναι συνεκτικό. Αν z A, τότε το επιχείρηµα στην προηούµενη παράραφο δείχνει ότι η f είναι ταυτοτικά ίση µε µηδέν σ έναν δίσκο D(z,ε), άρα D(z,ε) A. Εποµένως το A είναι ανοιχτό στο, συνεπώς και στο U. Εστω τώρα µια ακολουθία w n A τέτοια ώστε w n w, όπου w U. Αν w n = w ια κάποιο n, τότε w A και τελειώσαµε. Αν w n w ια κάθε n, τότε από τη συνέχεια τής f, έχουµε f (w n )=0, άρα w A. Εποµένως το A είναι κλειστό. Θεώρηµα 2.37 (Το Θεώρηµα τής Ταυτότητας). Εστω U ανοιχτό και συνεκτικό και f, g : U αναλυτικές. Θέτουµε A={z U : f (z)=g(z)}. Αν το A έχει σηµείο συσσώρευσης στο U, τότε f= g ταυτοτικά στο U. Απόδειξη. Εφαρµόζουµε την Πρόταση 2.36 στην αναλυτική συνάρτηση f g. 23

24 Άµεση συνέπεια τού Θεωρήµατος 2.37 είναι ότι η exp είναι η µοναδική αναλυτική συνάρτηση η οποία συµφωνεί µε τη συνηθισµένη εκθετική συνάρτηση στοê. Το ίδιο ισχύει ια τις log, sin και cos. Παρατηρήστε ότι στο προηούµενο ϑεώρηµα, η υπόθεση ότι το σηµείο συσσώρευσης ανήκει στο U είναι απαραίτητη. Για παράδειµα, αν U= {0}, τότε η συνάρτηση f : U µε f (z)=sin(1/z), έχει ϱίζες στα σηµεία 1/(kπ), k, τα οποία συσσωρεύονται στο 0 U, αλλά προφανώς η f δεν είναι ταυτοτικά ίση µε µηδέν. Στη συνέχεια ϑα δείξουµε ότι, χοντρικά, η απόλυτη τιµή µιας συνάρτησης αναλυτικής σ ένα σύνολο S δεν µπορεί να πάρει maximum σ ένα εσωτερικό σηµείο τού S. Θεώρηµα 2.38 (Η Αρχή τού Μείστου). Εστω U ανοιχτό και συνεκτικό, και f αναλυτική στο U, όχι σταθερή. Τότε Απόδειξη. (1) Αν z 0 U και D(z 0, r) U, τότε υπάρχει ένα σηµείο z 1 D(z 0, r) τέτοιο ώστε f (z 1 ) > f (z 0 ). (2) Ανλ=sup f (z), τότε f (z) <λαι κάθε z U. z U (3) Αν το U είναι ϕραµένο και U είναι το σύνορο τού U, ϑέτουµε M= lim sup f (z). z U Ο συµβολισµός σηµαίνει ότι το M είναι το supremum των ορίων όλων των συκλινουσών ακολουθιών τής µορφής f (z n ), όπου z n U και z n z, z U. Τότε f (z) < M ια κάθε z U. (4) Αν το U είναι ϕραµένο και η f ορίζεται και είναι συνεχής στο U, ϑέτουµε M 0 = max z U f (z). Τότε f (z) < M 0 ια όλα τα z U, και εποµένως, M 0 = max f (z) = f (z 0 ), z U ια κάποιο z 0 U, δηλαδή η f παίρνει τη µέιστη τιµή της στο σύνορο τού U. (1) Υποθέτουµε ότι το συµπέρασµα δεν ισχύει. Τότε f (z 0 + se iθ ) f (z 0 ), ια κάθε θ [0, 2π] και κάθε s µε 0 s < r. Από τον Ολοκληρωτικό Τύπο τού Cauchy, έχουµε Εποµένως f (z 0 ) 1 2π 2π 0 2π f (z 0 + se iθ ) dθ 1 2π 2π ( f (z 0 ) f (z 0 + se iθ ) ) dθ=0, 0 f (z 0 ) dθ= f (z 0 ). 0 ια κάθε 0 s<r. Στο παραπάνω ολοκλήρωµα, η συνάρτηση την οποία ολοκληρώνουµε είναι µη αρνητική και συνεχής, άρα πρέπει να είναι ταυτοτικά ίση µε 0. Με άλλα λόια, η f (z) είναι σταθερή στο D(z 0, r). Τότε όµως και η f είναι σταθερή (άσκηση!) σ αυτήν την περιοχή, άρα και σ ολόκληρο το U από το Θεώρηµα 2.37, άτοπο. (2) Αν f (z 0 ) =λια κάποιο z 0 U, τότε από το (1) ϑα είχαµε f (z 1 ) >λια κάποιο άλλο z 1 U. Αυτό όµως αντιφάσκει µε τον ορισµό τούλ. (3) Εστω z n U τέτοια ώστε f (z n ) λ. Τότε υπάρχει υπακολουθία z kn τέτοια ώστε z kn z 0 ια κάποιο z 0 U. Αν z 0 U τότε, από τη συνέχεια τής f, f (z 0 ) =λ, το οποίο είναι άτοπο από το (2). Εποµένως z 0 U. Από τον ορισµό τού M έχουµελ M, άρα από το (2), f (z) < M ια όλα τα z U. (4) Αν z n U, z n z, z U, τότε f (z n ) f (z) από τη συνέχεια τής f. Προφανώς f (z) M 0, άρα M M 0, από τον ορισµό τού M. Το συµπέρασµα έπεται από το (3). Η απόλυτη τιµή µιας αναλυτικής είναι δυνατό να παίρνει ελάχιστη τιµή σ ένα εσωτερικό σηµείο ενός συνόλου. Για παράδειµα, ϑεωρήστε την f (z) = z στο D(0, 1). Αν όµως υποθέσουµε ότι η συνάρτηση δεν µηδενίζεται πουθενά, τότε έχουµε µια «Αρχή Ελαχίστου». 24

25 Θεώρηµα 2.39 (Η Αρχή τού Ελαχίστου). Εστω U ανοιχτό και συνεκτικό, και f αναλυτική στο U, όχι σταθερή, πουθενά 0. Τότε (1) Αν z 0 U και D(z 0, r) U, τότε υπάρχει ένα σηµείο z 1 D(z 0, r) τέτοιο ώστε f (z 1 ) < f (z 0 ). (2) Ανλ=inf f (z), τότε f (z) >λκαι κάθε z U. z U (3) Αν το U είναι ϕραµένο και ϑέσουµε m=lim inf f (z), z U τότε f (z) >mια κάθε z U. (4) Αν το U είναι ϕραµένο και η f ορίζεται και είναι συνεχής στο U, ϑέτουµε m 0 = min z U f (z). Τότε f (z) >m 0 ια όλα τα z U, και εποµένως, m 0 = min f (z) = f (z 0 ), z U ια κάποιο z 0 U, δηλαδή η f παίρνει την ελάχιστη τιµή της στο σύνορο τού U. Απόδειξη. Εφαρµόζουµε το Θεώρηµα 2.38 στην 1/ f. Τέλος, δείχνουµε ότι το πραµατικό και το ϕανταστικό µέρος µιας αναλυτικής συνάρτησης ικανοποιούν τις αρχές τού µείστου και τού ελαχίστου. Θεώρηµα Εστω f αναλυτική και όχι σταθερή σ ένα ανοιχτό και συνεκτικό σύνολο U. Θέτουµε u=re f και v=im f. Τότε οι u και v ικανοποιούν τις αρχές τού µείστου και τού ελαχίστου, δηλαδή τα (1)-(4) των Θεωρηµάτων 2.38 και 2.39 ισχύουν µε την u ή την v στην ϑέση τής f. Απόδειξη. Η συνάρτηση e f είναι αναλυτική στο U, όχι σταθερή και πουθενά 0. Εφόσον e f =e u, η u ικανοποιεί τις αρχές τού µείστου και τού ελαχίστου. Εφόσον e i f =e v, το ίδιο ισχύει και ια την v. 25

26

27 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3 Το Γενικό Θεώρηµα τού Cauchy Στο κεφάλαιο αυτό ϑα ασχοληθούµε µε δυο ϐασικά ερωτήµατα. Για ένα δεδοµένο ανοιχτό σύνολο U, ποια είναι τα κλειστά µονοπάτιαστο U µε την ιδιότητα f (z) dz=0ια κάθε αναλυτική συνάρτηση f στο U; Πώς µπορούµε να χαρακτηρίσουµε εκείνα τα ανοιχτά σύνολα U µε την ιδιότητα f (z) dz=0ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U και κάθε αναλυτική συνάρτηση f στο U; Λοάριθµοι και ορίσµατα Ορισµός 3.1. Εστω S και f : S {0} συνεχής. (1) Μια συνάρτηση g : S λέεται συνεχής λοάριθµος τής f αν είναι συνεχής και e g(z) = f (z) ια κάθε z S. (2) Μια συνάρτησηθ : S Êλέεται συνεχές όρισµα τής f αν είναι συνεχής και f (z)= f (z) e iθ(z) ια κάθε z S. Πρόταση 3.2. Εστω f όπως στον Ορισµό 3.1. Απόδειξη. (1) Αν g είναι ένας συνεχής λοάριθµος τής f, τότεim g είναι ένα συνεχές όρισµα τής f. (2) Αν θ είναι ένα συνεχές όρισµα τής f, τότε log f (z) + iθ(z), z S είναι ένας συνεχής λοάριθµος τής f. (3) Αν το S είναι συνεκτικό και g 1, g 2 είναι συνεχείς λοάριθµοι τής f, τότε g 1 g 2 = 2πin ια κάποιον ακέραιο n. Οµοίως, ανθ 1,θ 2 είναι συνεχή ορίσµατα τής f, τότεθ 1 θ 2 = 2πm ια κάποιον ακέραιο m. (4) Αν το S είναι συνεκτικό, g ένας συνεχής λοάριθµος τής f, καιθένα συνεχές όρισµα τής f, τότε ια κάθε z, w S. g(w) g(z)=log f(w) log f(z) +i[θ(w) θ(z)], (1) f (z)=e g(z) = e Re g(z) e iim g(z) = f (z) e iim g(z). (2) e log f (z) +iθ(z) = f (z) e iθ(z) = f (z). (3) e g 1 = f = e g 2, εποµένως η συνάρτηση g 2 g 1 είναι συνεχής και παίρνει ακέραιες τιµές. Αφού το S 2πi είναι συνεκτικό, πρέπει να είναι σταθερή. Οµοίως, e iθ 1 = f f = e iθ 2, άρα η θ 2 θ 1 είναι σταθερή. 2π (4) Από το (2), η συνάρτηση log f +iθ είναι συνεχής λοάριθµος τής f. Από το (3), g=log f +iθ+ 2πin ια κάποιο n, και το συµπέρασµα έπεται. Μια συνάρτηση f όπως στον Ορισµό 3.1, δεν έχει κατ ανάκη συνεχή λοάριθµο. Αν όµως το S είναι ένα κλειστό υποδιάστηµα των πραµατικών αριθµών, τότε η f έχει συνεχή λοάριθµο. Πρόταση 3.3. Εστω f : [a, b] {0} συνεχής. Τότε η f έχει συνεχή λοάριθµο. Απόδειξη. Αν D είναι ένας ανοιχτός δίσκος που δεν περιέχει το 0, τότε υπάρχει µια αναλυτική συνάρτηση h στον D τέτοια ώστε e h(z) = z ια κάθε z D (άσκηση!). Αφού το [a, b] είναι συµπαές, η f παίρνει minimum, έστω m, στο [a, b]. Από υπόθεση, m>0. Αφού η f είναι οµοιόµορφα συνεχής, µπορούµε να ϐρούµε µια διαµέριση a=t 0 < t 1 < <t n = b 27

28 τέτοια ώστε f (t) f (t i ) <mια t i t t i+1, i=0, 1,..., n 1. Ετσι f (t) D( f (t i ), m) ια t i t t i+1 και 0 D( f (t i ), m) από τον ορισµό του m. Αν επιλέξουµε την h όπως παραπάνω, τότε e h( f (t)) = f (t), t i t t i+1, εποµένως η f περιορισµένη στο [t i, t i+1 ] έχει συνεχή λοάριθµο, έστω g i. Τώρα, αν e g0(t) = f (t) ια t 0 t t 1, και e g1(t) = f (t) ια t 1 t t 2, τότε g 0 (t 1 )=g 1 (t 1 )+2πin ια κάποιον ακέραιο n. Αντικαθιστούµε την g 1 µε την g 1 + 2πin, η οποία είναι επίσης ένας συνεχής λοάριθµος τής f στο [t 1, t 2 ]. Ετσι παίρνουµε έναν συνεχή λοάριθµο τής f στο [t 0, t 2 ]. Επαναλαµβάνοντας αυτή τη διαδικασία, παίρνουµε ένα συνεχή λοάριθµο τής f στο [a, b]. Ορισµός 3.4. Εστω U ανοιχτό και f : U αναλυτική, πουθενά µηδέν. Μια συνάρτηση g : U λέεται αναλυτικός λοάριθµος τής f αν η g είναι αναλυτική και e g = f. Πρόταση 3.5. Εστω U ανοιχτό και f : U αναλυτική, πουθενά µηδέν. Τότε η f έχει αναλυτικό λοάριθµο αν και µόνο αν η «λοαριθµική παράωος» f / f έχει παράουσα στο U. Ισοδύναµα, αν και µόνο αν f (z) f (z) dz=0, ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U. Απόδειξη. Αν e g = f στο U, τότε g e g = f, εποµένως f / f= g. Αντίστροφα, αν η g είναι αναλυτική στο U και g = f / f, τότε ( f e g ) = f e g f g e g = 0 στο U. Εποµένως η f e g είναι ίση µε µια σταθερά k A πάνω σε κάθε συνεκτική συνιστώσα A τού U. Αν επιλέξουµε C A έτσι ώστε e C A = k A, τότε e g+c A = f στο A. Αφού τώρα το A είναι µια αυθαίρετη συνεκτική συνιστώσα τού U, αυτή η διαδικασία µάς δίνει έναν αναλυτικό λοάριθµο τής f στο U. Πρόταση 3.6. Εστω U ανοιχτό και κυρτό, και f : U αναλυτική, πουθενά 0. Τότε η f έχει αναλυτικό λοάριθµο στο U. Γενικότερα, αν U είναι ένα ανοιχτό υποσύνολο τού τέτοιο ώστε h(z) dz=0 ια κάθε κλειστό µονοπάτιστο U και κάθε αναλυτική συνάρτηση h στο U, τότε κάθε f : U αναλυτική και πουθενά 0, έχει αναλυτικό λοάριθµο στο U. Απόδειξη. Κατ αρχάς υποθέτουµε ότι το U είναι κυρτό. Εφόσον η f f είναι αναλυτική στο U, το Θεώρηµα 2.15 µας δίνει f (z) f (z) dz=0, ια κάθε κλειστό µονοπάτι στο U. Από την Πρόταση 3.5, η f έχει αναλυτικό λοάριθµο. Στη ενική περίπτωση, f (z) f (z) dz=0από υπόθεση, και το συµπέρασµα έπεται όπως πριν. Πρόταση 3.7. Εστω U ανοιχτό, f : U αναλυτική, και g : U αναλυτικός λοάριθµος τής f. Τότε ια κάθε µονοπάτι:[a, b] U έχουµε f (z) dz=g((b)) g((a)). f (z) Απόδειξη. Το επιχείρηµα στην απόδειξη τής Πρότασης 3.5 µάς δίνει g = f f στο U. Συνεπώς f (z) b f (z) dz= g ((t)) (t) dt=g((b)) g((a)). a Ο δείκτης ενός σηµείου σε σχέση µε µια κλειστή καµπύλη Μια µορφή τού ενικού ϑεωρήµατος τού Cauchy λέει ότι αν η f είναι αναλυτική σ ένα ανοιχτό σύνολο U και επιπλέον το U είναι απλά συνεκτικό, δηλαδή «δεν έχει τρύπες», τότε το ολοκλήρωµα τής f πάνω σε οποιοδήποτε κλειστό µονοπάτι στο U είναι µηδέν. Ενας τρόπος να εκφράσουµε το ότι το U «δεν έχει τρύπες» είναι να πούµε ότι αν:[a, b] U είναι ένα κλειστό µονοπάτι στο U και z 0 U, τότε η συνολική µεταβολή τού ορίσµατος τού (t) z 0 καθώς το t κινείται από το a στο b είναι µηδέν. 28