Monimutkainen analyysi [1] , kompleksisen muuttujan (tai kompleksisen muuttujan ; lyhennettynä TFCF ) funktioiden teoria on matemaattisen analyysin osa, jossa tarkastellaan ja tutkitaan kompleksisen argumentin toimintoja .
Jokaista kompleksista funktiota voidaan pitää kahden muuttujan reaalifunktion parina: määrittämällä sen reaali- ja imaginaariosat, vastaavasti. Funktioita kutsutaan kompleksisen funktion komponenteiksi .
Lisäksi missä tahansa puhumme monimutkaisen funktion rajoitteisuudesta , tarkoitamme sen moduulin rajoittuneisuutta (mikä tarkoittaa rajallisuutta molempien komponenttien tavanomaisessa merkityksessä).
Jakson ja funktion rajan käsite otetaan käyttöön samalla tavalla kuin todellisessa tapauksessa, ja absoluuttinen arvo korvataan kompleksimoduulilla. Jos , niin ja Päinvastoin on myös totta: itse funktion rajan olemassaolo seuraa komponenttien rajojen olemassaolosta, ja komponenttien rajat ovat rajan komponentteja. Myös kompleksisen funktion jatkuvuus määritellään samalla tavalla kuin todellisessa tapauksessa, ja se vastaa sen molempien komponenttien jatkuvuutta [2] .
Kaikki päälauseet todellisten funktioiden rajasta ja jatkuvuudesta tapahtuvat myös kompleksisessa tapauksessa, jos tämä laajennus ei liity kompleksisten suureiden vertailuun enemmän tai vähemmän . Esimerkiksi jatkuvan funktion väliarvojen lauseella ei ole suoraa analogia.
-luvun naapuruus määritellään joukoksi pisteitä, jotka ovat pienempiä kuin :
Kompleksisella tasolla , -naapuruus on ympyrän [2] sisäosa, jonka säde on keskitetty .
Monimutkaisessa analyysissä on usein hyödyllistä tarkastella koko kompleksista tasoa [3] täydennettynä tavanomaiseen äärettömyyteen verrattuna : Tällä lähestymistavalla äärettömästi kasvavan (absoluuttisen arvon) sekvenssin katsotaan konvergoivan äärettömän pisteeseen. . Algebrallisia operaatioita äärettömällä ei suoriteta, vaikka useat algebralliset suhteet ovat voimassa:
Äärettömän pisteen -naapurialueeksi katsotaan joukko pisteitä, joiden moduuli on suurempi kuin , eli origon -naapuruston ulompi osa .
Yhden argumentin kompleksisen funktion derivaatta määritellään samalla tavalla kuin reaalifunktiolle [4] :
Jos tämä raja on olemassa, funktion sanotaan olevan differentioituva tai holomorfinen . Jossa
missä — " o " on pieni .Yksi tärkeä piirre on otettava huomioon: koska kompleksifunktio on annettu tasossa, pelkistyneen rajan olemassaolo tarkoittaa, että se on sama suunnattuna mistä tahansa suunnasta. Tämä seikka asettaa merkittäviä rajoituksia komponenttifunktioiden muodolle ja määrittää niiden jäykän suhteen ( Cauchy-Riemannin ehdot, ne ovat myös Euler-D'Alembert-ehtoja) [4] :
tai lyhyesti sanottuna
Tämä tarkoittaa, että komponenttien erilaistuvuus ei riitä itse funktion differentiaatioon.
Lisäksi on olemassa seuraavat ominaisuudet, jotka erottavat monimutkaisen analyysin todellisesta analyysistä [4] :
Siten mikä tahansa differentioituva kompleksifunktio on muodon funktio , jossa ovat kahden argumentin toisiinsa liittyvät harmoniset funktiot.
Olkoon funktiot ja funktiot differentioituvia verkkotunnuksessa Sitten ja ovat myös erotettavissa tällä alueella. Jos se ei katoa alueelta , se on differentioituva in Funktioiden koostumus on differentioituva kaikkialla, missä se on määritelty. Jos funktion derivaatta alueella ei katoa, sille on käänteinen funktio ja se on differentioituva.
Summan, erotuksen, tulon, osamäärän, funktioiden koostumuksen ja käänteisfunktion derivaatta lasketaan samoilla kaavoilla kuin todellisessa analyysissä.
Jokainen kompleksifunktio määrittelee kompleksisen tason ja koordinaatit toiselle kompleksitasolle koordinaatteineen . Samaan aikaan ilmaisu
kun se on pieni , se voidaan geometrisesti tulkita skaalaustekijäksi, jonka tämä kartoitus suorittaa liikkuessaan pisteestä pisteeseen . Rajan olemassaolo eli derivaatan moduuli tarkoittaa, että skaalauskerroin on sama mihin tahansa suuntaan pisteestä , eli se ei riipu suunnasta. Yleisesti ottaen skaalauskerroin vaihtelee pisteestä toiseen [5] .
Jos skaalauskerroin , niin pisteen läheisyydessä pisteiden väliset etäisyydet kasvavat ja skaalaustekijää kutsutaan venytyskertoimeksi . Jos skaalauskerroin , niin pisteen läheisyydessä pisteiden väliset etäisyydet pienenevät ja skaalauskerrointa kutsutaan pakkauskertoimeksi . Esimerkki funktiosta : pisteessä derivaatta on 4, joten kaikki pituudet nelinkertaistuvat.
Mitä tulee derivaatan argumenttiin, se määrittää tietyn pisteen läpi kulkevan tasaisen käyrän kiertokulman . Kaikki tasaiset käyrät käännetään tässä näytössä samassa kulmassa. Kulmia säilyttäviä karttoja kutsutaan konformisiksi ; siten mikä tahansa differentioituva kompleksifunktio määrittelee konformisen mappauksen (alueella, jossa sen derivaatta ei katoa) [6] . Tämä tosiasia liittyy monimutkaisten funktioiden laajaan käyttöön kartografiassa ja hydrodynamiikassa [7] .
Antiderivatiivisen kompleksifunktion (indefinite integraali) käsite otetaan käyttöön samalla tavalla kuin todellisessa tapauksessa. Kompleksitasolla ei kuitenkaan ole analogia määrätylle integraalille intervallissa osoitteeseen , koska polku alkupisteestä loppupisteeseen on moniselitteinen. Siksi kompleksisen integraalin päämuoto on kaareva integraali , joka riippuu tietystä polusta. Alla osoitamme ehdot, joissa integraali ei riipu polusta, ja sitten integraali "pisteestä pisteeseen" voidaan määritellä oikein.
Määrittelee yhtälö , jossa parametri t on suunnattu jostain alkuarvosta a loppuarvoon b , kompleksitasossa jokin paloittain sileä käyrä , jolla on suunta, ja funktio määritellään tämän käyrän pisteissä. Suunta, johon parametri liikkuu, määrittää käyrän tietyn läpimenon: ei ole väliä kumpi on suurempi - b vai a . [8] Jaa parametrisointisegmentti yhtä suuriin osiin
ja harkitse kokonaissummaa:
Tämän summan rajaa sen kasvaessa ilman rajoitusta kutsutaan (kompleksi) integraaliksi annetun funktion (suunnatun) käyrän yli ; se on merkitty:
Jokaiselle funktiolle , joka jatkuu pitkin , tämä integraali on olemassa ja se voidaan laskea tavallisen reaaliintegraalin avulla parametrin yli:
Tässä komponentit . Tästä esityksestä voidaan nähdä, että kompleksisen integraalin ominaisuudet ovat samanlaiset kuin toisen tyyppisen todellisen kaarevan integraalin ominaisuudet.
Käytännössä erityisen kiinnostavia ovat integraalit (suljettua) ääriviivaa pitkin, toisin sanoen paloittain sileää käyrää pitkin ilman itseleikkauspisteitä , joissa aloituspiste on sama kuin loppupiste. Ääriviiva voidaan ohittaa kahteen suuntaan; positiivinen on suunta, jossa ääriviivan rajoittama alue sijaitsee kulkusuunnassa vasemmalla.
Jos käyrä muodostaa suljetun ääriviivan, integraalille käytetään erityistä merkintää:
Joskus ympyrässä oleva nuoli osoittaa suunnan: myötä- tai vastapäivään.
On olemassa tärkeä Cauchyn integraalilause : jokaiselle funktiolle , joka on analyyttinen yksinkertaisesti yhdistetyssä toimialueella , ja mille tahansa suljetulle silmukalle , sen päällä oleva integraali on nolla:
Seuraus: olkoon funktio analyyttinen yksinkertaisesti yhdistetyssä toimialueessa ja toimialueen pisteet yhdistetään jollain käyrällä . Tällöin integraali riippuu vain pisteistä , mutta ei niitä yhdistävän käyrän valinnasta , joten se voidaan merkitä
Jos Cauchyn lauseen ehdot täyttyvät, voimme ottaa käyttöön epämääräisen integraalin käsitteen . Tätä varten kiinnitämme tietyn pisteen alueen sisällä ja harkitsemme integraalia:
Johdannainen on siis , antiderivaata varten . Perhe antiderivaatteja, jotka eroavat vakiosta (valinnasta riippuen ), muodostaa määrittelemättömän integraalin. Newton-Leibnizin lause [9] pätee :
Cauchyn integraalilauseessa on yleistys moninkertaisesti kytketylle alueelle: jos funktio on analyyttinen suljetulla moninkertaisesti kytketyllä alueella , niin sen integraali alueen ulkoääriviivalla on yhtä suuri kuin kaikkien sisäääriviivojen integraalien summa ( samaan suuntaan kuin ulompaa) [10] . Tätä yleistystä on kätevä käyttää, jos toimialue sisältää funktion singulaaripisteen (singulaarisen pisteen määritelmä alla ), jossa funktio ei ole analyyttinen tai sitä ei ole määritelty.
Muita tehokkaita työkaluja monimutkaisten ja todellisten integraalien tutkimiseen:
Funktion nolla on piste , jossa funktio katoaa: .
Lause analyyttisen funktion noloista . Jos toimialueella analyyttisen funktion nollien sisällä on rajapiste , funktio katoaa kaikkialle funktiossa .
Seuraus: jos funktio on analyyttinen alueella, eikä se ole siinä identtisesti nolla, niin missä tahansa rajoitetussa suljetussa aliverkkotunnuksessa sillä voi olla vain äärellinen määrä nollia.
Analyyttisen funktion ainutlaatuisuuslause. Antaa olla ääretön konvergentti sekvenssin eri pisteitä . Jos kaksi analyyttistä funktiota osuvat yhteen tämän sekvenssin kaikissa kohdissa, ne ovat identtisesti yhtä suuret
Erityisesti, jos kaksi analyyttistä funktiota osuvat yhteen palakohtaisesti tasaisella käyrällä :ssä , niin ne ovat kaikkialla yhteneväisiä kohdassa . Tämä tarkoittaa, että analyyttisen funktion arvot, jopa pienellä alueella, määrittävät täysin funktion käyttäytymisen sen määritelmän koko alueella. Kun olet antanut analyyttisen funktion käyrällä (esimerkiksi reaaliakselilla), määritämme yksiselitteisesti sen laajennuksen (jos mahdollista) laajemmalle alueelle, jota kutsutaan alkuperäisen funktion analyyttiseksi jatkoksi .
Kaikki standardianalyysifunktiot - polynomi , lineaarinen murtoluku , potenssifunktio , eksponenttifunktio , trigonometriset funktiot , käänteiset trigonometriset funktiot , logaritmi - mahdollistavat analyyttisen jatkamisen kompleksitasolle. Samanaikaisesti samat algebralliset, differentiaaliset ja muut identiteetit pätevät analyyttisille jatkoilleen kuin todelliselle alkuperäiselle, esimerkiksi:
Lukusarjan summan määritelmä ja konvergenssin merkit kompleksisessa analyysissä ovat käytännössä samat kuin todellisessa analyysissä, absoluuttinen arvo on korvattu kompleksisella moduulilla; Poikkeuksena ovat konvergenssin merkit, joissa vertailu on enemmän tai vähemmän kuin itse sarjan elementtejä, ei niiden moduuleja.
Mikä tahansa pisteessä differentioituva funktio laajenee tämän pisteen läheisyydessä Taylorin potenssisarjassa :
Sarjan kertoimet lasketaan tavallisilla kaavoilla. Tämä sarja konvergoi funktioon jossain sädeympyrässä , jonka keskipiste on piste , joka toimii analogisena reaalisarjan konvergenssivälille. Sarja suppenee ehdottomasti tässä ympyrässä ja hajoaa sen ulkopuolella. Tässä tapauksessa 3 tapausta on mahdollista.
Lähestymisympyrän raja sisältää ainakin yhden pisteen. Tästä seuraa, että lähentymisympyrän säde pisteessä on yhtä suuri kuin etäisyys lähimpänä olevaan singulaaripisteeseen.
Abelin lause : jos on potenssisarjan konvergenssiympyrän säde, niin missä tahansa ympyrässä, jolla on sama keskus, mutta jonka säde on pienempi, sarja konvergoi tasaisesti .
On erittäin käytännön kiinnostavaa tutkia funktion käyttäytymistä lähellä eristettyä singulaaripistettä eli pistettä, jonka läheisyydessä funktio on analyyttinen, mutta itse piste ei ole analyyttinen tai sitä ei ole määritelty. Power-sarja on tässä hyödytön, joten yleisempi Laurent-sarja esitellään :
Jos Laurent-sarjan konvergenssialue ei ole tyhjä, se on pyöreä rengas : .
Päälause : jos funktio on analyyttinen ympyrärenkaassa, niin se voidaan esittää tässä renkaassa konvergentilla Laurent-sarjalla ja yksiselitteisesti.
Mitä tulee potenssisarjaan, konvergenssirenkaan rajat määräytyvät funktion singulaaripisteiden jakauman perusteella. Laurent-sarjan muodon perusteella voimme tehdä johtopäätöksiä funktion käyttäytymisestä lähellä pistettä .
TFKP:n osana olevan jäännösteorian avulla lasketaan monia kompleksisia integraaleja suljettujen ääriviivojen yli.
Monimutkaisen analyysin keinot selittävät joitakin kohtia, joita ei voida helposti tulkita materiaalianalyysin kannalta. Otetaan klassinen esimerkki: funktio
on jatkuva ja äärettömästi differentioituva koko reaaliviivalla. Harkitse sen Taylor-sarjaa
Tämä sarja konvergoi vain välissä , vaikka pisteet eivät ole erityisiä .
Tilanne selkiytyy siirryttäessä kompleksisen muuttujan funktioon , jolla on kaksi singulaaripistettä: . Näin ollen tämä funktio voidaan laajentaa Taylor-sarjaksi vain ympyrässä .
Monimutkaisen analyysin perustavanlaatuinen työ liittyy Eulerin , Riemannin , Cauchyn , Weierstrassin ja monien muiden kuuluisien matemaatikoiden nimiin. Konformisten mappausten teoria alkoi kehittyä nopeasti jo olemassa olevien tekniikan sovellusten ansiosta, kompleksisen analyysin menetelmiä ja tuloksia käytetään analyyttisessä lukuteoriassa . Uusi kiinnostus kompleksianalyysiin liittyy monimutkaiseen dynamiikkaan ja fraktaaliteoriaan .
Matematiikan alat | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Portaali "Tiede" | ||||||||||
Matematiikan perusteet joukko teoria matemaattinen logiikka logiikan algebra | ||||||||||
Lukuteoria ( aritmetiikka ) | ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
|
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|