Голоморфная функция
Математический анализ → Комплексный анализ |
Комплексный анализ |
---|
Комплексные числа |
Сложные функции |
Основная теория |
Геометрическая теория функций |
Люди |
В математике голоморфная функция — это комплекснозначная функция одной или нескольких комплексных переменных, которая комплексно дифференцируема в окрестности каждой точки области в комплексном координатном пространстве . . Существование комплексной производной в окрестности является очень сильным условием: оно означает, что голоморфная функция бесконечно дифференцируема и локально равна своему собственному ряду Тейлора ( аналитична ). Голоморфные функции — центральные объекты изучения комплексного анализа .
Хотя термин «аналитическая функция » часто используется как синоним «голоморфной функции», слово «аналитическая» определяется в более широком смысле для обозначения любой функции (действительной, комплексной или более общего типа), которую можно записать в виде сходящегося степенного ряда . в окрестности каждой точки своей области . То, что все голоморфные функции являются комплексными аналитическими функциями, и наоборот, является основной теоремой комплексного анализа . [ 1 ]
Голоморфные функции также иногда называют регулярными функциями . [ 2 ] Голоморфная функция, областью определения которой является вся комплексная плоскость, называется целой функцией . Фраза «голоморфен в точке " означает не просто дифференцируемый в , но дифференцируемо всюду в пределах некоторой близкой окрестности в комплексной плоскости.
Определение
[ редактировать ]Учитывая комплексную функцию одной комплексной переменной производная , в точку в своей области определяется как предел [ 3 ]
Это то же определение, что и для производной вещественной функции , за исключением того, что все величины являются комплексными. В частности, за предел берется комплексное число имеет тенденцию , а это означает, что одно и то же значение получается для любой последовательности комплексных значений для это имеет тенденцию . Если предел существует, Говорят, что комплексно дифференцируем в точке . Эта концепция комплексной дифференцируемости имеет несколько общих свойств с реальной дифференцируемостью : она линейна и подчиняется правилу произведения , правилу фактора и правилу цепочки . [ 4 ]
Функция голоморфна на открытом множестве если он комплексно дифференцируем в каждой точке . Функция голоморфен точке в , он голоморфен в некоторой окрестности если . [ 5 ] Функция голоморфна на некотором неоткрытом множестве , если он голоморфен в каждой точке .
Функция может быть комплексно дифференцируемой в некоторой точке, но не голоморфной в этой точке. Например, функция комплексно дифференцируем в , но не является комплексно дифференцируемым где-либо еще, особенно. в том числе нигде рядом (см. уравнения Коши – Римана ниже). Итак, он не голоморфен в точке .
Связь между действительной дифференцируемостью и комплексной дифференцируемостью следующая: если комплексная функция голоморфен, то и имеют первые частные производные по и и удовлетворяют уравнениям Коши – Римана : [ 6 ]
или, что то же самое, производная Виртингера от относительно , комплексно- сопряженный , равен нулю: [ 7 ]
то есть, грубо говоря, функционально независим от , комплексно-сопряженный .
Если непрерывность не задана, обратное не обязательно верно. Простое обратное: если и имеют непрерывные первые частные производные и удовлетворяют уравнениям Коши – Римана, тогда голоморфен. Более удовлетворительное обратное утверждение, которое гораздо труднее доказать, — это теорема Лумана–Меншоффа : если непрерывен, и имеют первые частные производные (но не обязательно непрерывные) и удовлетворяют уравнениям Коши – Римана, тогда голоморфен. [ 8 ]
Терминология
[ редактировать ]Термин «голоморфный» был введен в 1875 году Шарлем Брио и Жан-Клодом Буке , двумя учениками Коши , и происходит от греческого ὅλος ( hólos ), означающего «целое», и μορφή ( morphḗ ), означающего «форма» или «видимость». или «тип», в отличие от термина мероморфный, происходящего от μέρος ( méros ) означает «часть». Голоморфная функция напоминает целую функцию («целое») в области комплексной плоскости, тогда как мероморфная функция (определяемая как голоморфная, за исключением определенных изолированных полюсов ) напоминает рациональную дробь («часть») целых функций в области. сложной плоскости. [ а ] [ 9 ] [ 10 ] Вместо этого Коши использовал термин синектика . [ б ]
Сегодня термин «голоморфная функция» иногда предпочитают термину «аналитическая функция». Важным результатом комплексного анализа является то, что каждая голоморфная функция является комплексно-аналитической, что не следует очевидным образом из определений. Однако термин «аналитический» также широко используется.
Характеристики
[ редактировать ]Поскольку комплексное дифференцирование линейно и подчиняется правилам произведения, фактора и цепочки, суммы, произведения и композиции голоморфных функций голоморфны, а фактор двух голоморфных функций голоморфен везде, где знаменатель не равен нулю. [ 12 ] То есть, если функции и голоморфны в области , то и , , и . Кроме того, голоморфен, если не имеет нулей в ; в противном случае оно мероморфно .
Если кто-то идентифицирует с настоящим самолётом , то голоморфные функции совпадают с теми функциями двух действительных переменных с непрерывными первыми производными, которые решают уравнения Коши – Римана , набор двух уравнений в частных производных . [ 6 ]
Любую голоморфную функцию можно разделить на действительную и мнимую части , и каждая из них является гармонической функцией на (каждый удовлетворяет уравнению Лапласа ), с гармоническое сопряжение . [ 13 ] И наоборот, каждая гармоническая функция в односвязной области — действительная часть голоморфной функции: Если — гармоническое сопряжение , единственный с точностью до константы, то голоморфен.
Интегральная теорема Коши подразумевает, что контурный интеграл каждой голоморфной функции вдоль петли равен нулю: [ 14 ]
Здесь — спрямляемый путь в односвязной комплексной области начальная точка которого равна его конечной точке, и — голоморфная функция.
Интегральная формула Коши утверждает, что каждая голоморфная внутри диска функция полностью определяется своими значениями на границе диска. [ 14 ] Более того: предположим, что — комплексная область, — голоморфная функция, а замкнутый диск содержится полностью в . Пусть — круг, границу образующий . Тогда для каждого в интерьере :
где контурный интеграл берется против часовой стрелки .
Производная можно записать в виде контурного интеграла [ 14 ] используя формулу дифференцирования Коши :
для любой простой петли, положительно обвивающей один раз и
для бесконечно малых положительных петель вокруг .
В областях, где первая производная не равна нулю, голоморфные функции конформны : они сохраняют углы и форму (но не размер) маленьких фигур. [ 15 ]
Любая голоморфная функция аналитична . То есть голоморфная функция имеет производные любого порядка в каждой точке в своей области определения и совпадает со своим рядом Тейлора в точке в окрестностях . На самом деле, совпадает со своим рядом Тейлора в точке в любом диске с центром в этой точке и лежащем в пределах области определения функции.
С алгебраической точки зрения множество голоморфных функций на открытом множестве представляет собой коммутативное кольцо и комплексное векторное пространство . Кроме того, множество голоморфных функций в открытом множестве является областью целостности тогда и только тогда, когда открытое множество подключен. [ 7 ] Фактически, это локально выпуклое топологическое векторное пространство , полунормы которого являются супремумами на компактных подмножествах .
С геометрической точки зрения функция голоморфен в тогда и только тогда, когда его внешняя производная в районе из равен для некоторой непрерывной функции . Это следует из
это также пропорционален , подразумевая, что производная сам по себе голоморфен, и поэтому бесконечно дифференцируема. Точно так же подразумевает, что любая функция голоморфный в односвязной области также интегрируемо на .
(Для пути из от до полностью лежит в , определить ; в свете теоремы о жордановой кривой и обобщенной теоремы Стокса , не зависит от конкретного выбора пути , и, таким образом , — корректно определенная функция на имея или .
Примеры
[ редактировать ]Все полиномиальные функции в с комплексными коэффициентами — целые функции (голоморфные во всей комплексной плоскости ), а также показательная функция и тригонометрические функции и (ср. формулу Эйлера ). Главная ветвь функции комплексного логарифма голоморфен в области . Функцию квадратного корня можно определить как и поэтому голоморфен везде, где логарифм есть. функция Обратная голоморфен на . Обратная функция и любая другая рациональная функция мероморфны на ( .)
Как следствие уравнений Коши-Римана , любая голоморфная функция с действительным знаком должна быть постоянной . Следовательно, абсолютное значение , аргумент , настоящая часть и мнимая часть не голоморфны. Другим типичным примером непрерывной функции, которая не является голоморфной, является комплексно-сопряженная (Комплексное сопряжение антиголоморфно .)
Несколько переменных
[ редактировать ]Определение голоморфной функции напрямую обобщается на несколько комплексных переменных. Функция в комплексная переменная аналитична в точке , если существует окрестность в котором равен сходящемуся степенному ряду в комплексные переменные; [ 16 ] функция голоморфен в открытом подмножестве из если он аналитичен в каждой точке . Лемма Осгуда показывает (с использованием многомерной интегральной формулы Коши), что для непрерывной функции , это эквивалентно голоморфен по каждой переменной в отдельности (это означает, что если таковые имеются координаты фиксированы, то ограничение — голоморфная функция оставшейся координаты). Гораздо более глубокая теорема Хартогса доказывает, что предположение о непрерывности не является необходимым: голоморфен тогда и только тогда, когда он голоморфен по каждой переменной в отдельности.
В более общем смысле, функция нескольких комплексных переменных, интегрируемая с квадратом по каждому компактному подмножеству своей области определения, является аналитической тогда и только тогда, когда она удовлетворяет уравнениям Коши – Римана в смысле распределений.
Функции нескольких комплексных переменных в некоторых основных отношениях более сложны, чем функции одной комплексной переменной. Например, область сходимости степенного ряда не обязательно представляет собой открытый шар; эти области представляют собой логарифмически-выпуклые области Рейнхардта , простейшим примером которых является полидиск . Однако они также имеют некоторые фундаментальные ограничения. В отличие от функций одной комплексной переменной, возможные области, в которых существуют голоморфные функции, которые не могут быть расширены на более крупные области, сильно ограничены. Такое множество называется областью голоморфности .
Комплексный дифференциал -form голоморфен тогда и только тогда, когда его антиголоморфная производная Дольбо равна нулю: .
Расширение функционального анализа
[ редактировать ]Понятие голоморфной функции можно распространить на бесконечномерные пространства функционального анализа . Например, производная Фреше или Гато может использоваться для определения понятия голоморфной функции в банаховом пространстве над полем комплексных чисел.
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^
Оригинальные французские термины были голоморф и мероморф .
- Когда функция непрерывна, монотропна и имеет производную, когда переменная движется в определенной части плоскости , мы будем говорить, что она голоморфна в этой части плоскости. Этим именем мы указываем, что она подобна целочисленным функциям , обладающим этими свойствами на всей протяженности плоскости. [...]
- Рациональная дробь принимает в качестве полюсов корни знаменателя; это голоморфная функция в любой части плоскости, не содержащей ни одного из ее полюсов.
- Когда функция голоморфна в какой-то части плоскости, за исключением некоторых полюсов, мы будем говорить, что она мероморфна в этой части плоскости, то есть подобна рациональным дробям. - Брио и Букет (1875) , стр. 14–15 [ 9 ]
-
- [Когда функция непрерывна, монотропна и имеет производную, когда переменная движется в определенной части плоскости , мы говорим, что она голоморфна в этой части плоскости. Под этим названием мы подразумеваем, что оно напоминает целые функции , обладающие этими свойствами во всем объеме плоскости. ... ]
-
- [Когда функция голоморфна в части плоскости, за исключением определенных полюсов, мы говорим, что она мероморфна в этой части плоскости, то есть она похожа на рациональные дроби. - Харкнесс и Морли (1893) , с. 161 [ 10 ] ]
- ^ Брио и Букет (1859) , с. 11 ранее также использовали Коши термин синектика ( по-французски Synectique ) в первом издании своей книги. [ 11 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Аналитические функции одной комплексной переменной» . Энциклопедия математики . Европейское математическое общество / Спрингер. 2015 г. - через энциклопедию ofmath.org.
- ^ «Аналитическая функция» , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994] , получено 26 февраля 2021 г.
- ^ Альфорс, Л. , Комплексный анализ, 3-е изд. (МакГроу-Хилл, 1979).
- ^ Хенричи, П. (1986) [1974, 1977]. Прикладной и вычислительный комплексный анализ . Уайли. Три тома, изд.: 1974, 1977, 1986.
- ^ Эбенфельт, Питер; Хунгербюлер, Норберт; Кон, Джозеф Дж.; Мок, Нгайминг; Штраубе, Эмиль Дж. (2011). Комплексный анализ . Научные и деловые СМИ. Спрингер – через Google.
- ^ Jump up to: а б Маркушевич, А.И. (1965). Теория функций комплексного переменного . Прентис-Холл. [В трех томах.]
- ^ Jump up to: а б Ганнинг, Роберт С .; Росси, Хьюго (1965). Аналитические функции нескольких комплексных переменных . Современный анализ. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл . ISBN 9780821869536 . МР 0180696 . Збл 0141.08601 – через Google.
- ^ Грей, Джей Ди; Моррис, ЮАР (апрель 1978 г.). «Когда функция, удовлетворяющая уравнениям Коши-Римана, является аналитической?». Американский математический ежемесячник . 85 (4): 246–256. дои : 10.2307/2321164 . JSTOR 2321164 .
- ^ Jump up to: а б Бриот, Калифорния ; Буке, Ж.-К. (1875). «§15 голоморфные функции» . Теория эллиптических функций на ( французском языке) (2-е изд.). Готье-Виллар. стр. 14–15.
- ^ Jump up to: а б Харкнесс, Джеймс ; Морли, Фрэнк (1893). «5. Интеграция» . Трактат по теории функций . Макмиллан. п. 161.
- ^ Бриот, Калифорния ; Буке, Ж.-К. (1859). «§10» . Теория двоякопериодических функций . Малле-Башелье. п. 11.
- ^ Хенричи, Питер (1993) [1986]. Прикладной и вычислительный комплексный анализ . Библиотека классической литературы Уайли. Том. 3 (Переиздание). Нью-Йорк – Чичестер – Брисбен – Торонто – Сингапур: John Wiley & Sons . ISBN 0-471-58986-1 . МР 0822470 . Zbl 1107.30300 – через Google.
- ^ Эванс, LC (1998). Уравнения в частных производных . Американское математическое общество.
- ^ Jump up to: а б с Ланг, Серж (2003). Комплексный анализ . Спрингер Верлаг GTM. Спрингер Верлаг .
- ^ Рудин, Уолтер (1987). Реальный и комплексный анализ (3-е изд.). McGraw – Hill Book Co. Нью-Йорк: ISBN 978-0-07-054234-1 . МР 0924157 .
- ^ Ганнинг и Росси. Аналитические функции нескольких комплексных переменных . п. 2.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Блейки, Джозеф (1958). Университетская математика (2-е изд.). Лондон, Великобритания: Блэки и сыновья. ОСЛК 2370110 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Аналитическая функция» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]