stringtranslate.com

Интегральная формула Коши

В математике интегральная формула Коши , названная в честь Огюстена-Луи Коши , является центральным утверждением в комплексном анализе . Она выражает тот факт, что голоморфная функция, определенная на диске, полностью определяется своими значениями на границе диска, и она дает интегральные формулы для всех производных голоморфной функции. Формула Коши показывает, что в комплексном анализе «дифференциация эквивалентна интегрированию»: комплексное дифференцирование, как и интегрирование, хорошо ведет себя в равномерных пределах — результат, который не выполняется в реальном анализе .

Теорема

Пусть Uоткрытое подмножество комплексной плоскости C , и предположим, что замкнутый диск D , определенный как , полностью содержится в U. Пусть f  : UCголоморфная функция , а γокружность , ориентированная против часовой стрелки и образующая границу D. Тогда для любого a внутри D ,

Доказательство этого утверждения использует интегральную теорему Коши и, подобно этой теореме, требует только, чтобы f была комплексно дифференцируемой . Поскольку ее можно разложить в степенной ряд по переменной, то следует, что голоморфные функции являются аналитическими , т. е. их можно разложить в сходящиеся степенные ряды. В частности, f на самом деле бесконечно дифференцируема, причем

Эту формулу иногда называют формулой дифференцирования Коши .

Сформулированную выше теорему можно обобщить. Окружность γ можно заменить любой замкнутой спрямляемой кривой в U , которая имеет число оборотов один вокруг a . Более того, как и для интегральной теоремы Коши, достаточно потребовать, чтобы f была голоморфной в открытой области, охватываемой путем , и непрерывной на его замыкании .

Обратите внимание, что не каждая непрерывная функция на границе может быть использована для создания функции внутри границы, которая соответствует заданной граничной функции. Например, если мы положим функцию f ( z ) = 1/з , определенный для | z | = 1 , в интегральную формулу Коши, мы получаем ноль для всех точек внутри круга. Фактически, задание только действительной части на границе голоморфной функции достаточно, чтобы определить функцию с точностью до мнимой константы — на границе есть только одна мнимая часть, которая соответствует заданной действительной части, с точностью до прибавления константы. Мы можем использовать комбинацию преобразования Мёбиуса и формулы обращения Стилтьеса , чтобы построить голоморфную функцию из действительной части на границе. Например, функция f ( z ) = iiz имеет действительную часть Re f ( z ) = Im z . На единичной окружности это можно записатья/зиз/2 . Используя преобразование Мёбиуса и формулу Стилтьеса, строим функцию внутри круга.я/з член не вносит никакого вклада, и мы находим функциюiz . Она имеет правильную действительную часть на границе, а также дает нам соответствующую мнимую часть, но с погрешностью в константе, а именно i .

Эскиз доказательства

Используя интегральную теорему Коши , можно показать, что интеграл по C (или замкнутой спрямляемой кривой) равен тому же интегралу, взятому по произвольно малой окружности вокруг a . Поскольку f ( z ) непрерывна, мы можем выбрать достаточно малую окружность, на которой f ( z ) будет произвольно близка к f ( a ) . С другой стороны, интеграл по любой окружности C с центром в a . Это можно вычислить напрямую с помощью параметризации ( интегрирование подстановкой ) z ( t ) = a + εe it , где 0 ≤ t ≤ 2π, а ε — радиус окружности.

Позволяя ε → 0, получаем искомую оценку

Пример

Поверхность действительной части функции g ( z ) = з 2/z 2 + 2 z + 2 и его особенности, контуры которых описаны в тексте.

Пусть и пусть C — контур, описываемый уравнением | z | = 2 (окружность радиуса 2).

Чтобы найти интеграл g ( z ) по контуру C , нам нужно знать особенности g ( z ) . Заметим, что мы можем переписать g следующим образом: где z 1 = − 1 + i и z 2 = − 1 − i .

Таким образом, g имеет полюса в z 1 и z 2 . Модули этих точек меньше 2 и, таким образом, лежат внутри контура. Этот интеграл можно разбить на два меньших интеграла по теореме Коши–Гурса ; то есть, мы можем выразить интеграл по контуру как сумму интеграла по z 1 и z 2 , где контур представляет собой маленькую окружность вокруг каждого полюса. Назовем эти контуры C 1 вокруг z 1 и C 2 вокруг z 2 .

Теперь каждый из этих меньших интегралов можно оценить с помощью интегральной формулы Коши, но сначала их нужно переписать, чтобы применить теорему. Для интеграла вокруг C 1 определим f 1 как f 1 ( z ) = ( zz 1 ) g ( z ) . Это аналитическое выражение (поскольку контур не содержит другой сингулярности). Мы можем упростить f 1 до: и теперь

Поскольку интегральная формула Коши гласит: мы можем вычислить интеграл следующим образом:

Аналогично поступаем с другим контуром: оцениваем

Тогда интеграл по исходному контуру C представляет собой сумму этих двух интегралов:

Элементарный трюк с использованием разложения дробей :

Последствия

Интегральная формула имеет широкое применение. Во-первых, она подразумевает, что функция, которая голоморфна в открытом множестве, на самом деле бесконечно дифференцируема там. Более того, это аналитическая функция , что означает, что ее можно представить в виде степенного ряда . Доказательство этого использует теорему о доминируемой сходимости и геометрический ряд, примененный к

Формула также используется для доказательства теоремы о вычетах , которая является результатом для мероморфных функций , и связанного с ней результата, принципа аргумента . Из теоремы Мореры известно , что равномерный предел голоморфных функций голоморфен. Это также можно вывести из интегральной формулы Коши: действительно, формула также верна в пределе, и подынтегральное выражение, а следовательно, и интеграл, можно разложить в степенной ряд. Кроме того, формулы Коши для производных более высокого порядка показывают, что все эти производные также сходятся равномерно.

Аналогом интегральной формулы Коши в вещественном анализе является интегральная формула Пуассона для гармонических функций ; многие результаты для голоморфных функций переносятся в эту установку. Однако такие результаты недействительны для более общих классов дифференцируемых или вещественных аналитических функций. Например, существование первой производной вещественной функции не обязательно подразумевает существование производных более высокого порядка, или, в частности, аналитичность функции. Аналогично, равномерный предел последовательности (вещественных) дифференцируемых функций может не быть дифференцируемым или может быть дифференцируемым, но с производной, которая не является пределом производных членов последовательности.

Другим следствием является то, что если f ( z ) = Σ an z n голоморфна по | z | < R и 0 < r < R , то коэффициенты an удовлетворяют оценке Коши [ 1 ]

Из оценки Коши можно легко вывести, что каждая ограниченная целая функция должна быть постоянной (что является теоремой Лиувилля ).

Эту формулу можно также использовать для вывода теоремы Гаусса о среднем значении , которая гласит [2]

Другими словами, среднее значение f по окружности с центром в точке z и радиусом r равно f ( z ) . Это можно вычислить напрямую через параметризацию окружности.

Обобщения

Гладкие функции

Версия интегральной формулы Коши — это формула Коши– Помпейю , [3] и она справедлива также для гладких функций , поскольку основана на теореме Стокса . Пусть D — диск в C и предположим, что f — комплекснозначная функция C 1 на замыкании D . Тогда [ 4] [5] [6]

Эту формулу представления можно использовать для решения неоднородных уравнений Коши–Римана в D. Действительно, если φ — функция в D , то частное решение f уравнения — голоморфная функция вне носителя μ . Более того, если в открытом множестве D для некоторого φC k ( D ) (где k  ≥ 1 ) , то f ( ζ , ζ ) также находится в C k ( D ) и удовлетворяет уравнению

Первый вывод, вкратце, заключается в том, что свертка μk ( z ) меры с компактным носителем с ядром Коши является голоморфной функцией вне носителя μ . Здесь pv обозначает главное значение . Второй вывод утверждает, что ядро ​​Коши является фундаментальным решением уравнений Коши–Римана. Отметим, что для гладких комплекснозначных функций f с компактным носителем на C обобщенная интегральная формула Коши упрощается до и является переформулировкой того факта, что, рассматриваемая как распределение , z ) −1 является фундаментальным решением оператора Коши–Римана / . [7]

Обобщенная интегральная формула Коши может быть выведена для любой ограниченной открытой области X с границей C 1X из этого результата и формулы для распределительной производной характеристической функции χ X области X : где распределение в правой части обозначает контурное интегрирование вдоль X. [8 ]

Доказательство

Для расчета:

затем пройдите в направлении против часовой стрелки. Зафиксируйте точку и пусть обозначает длину дуги на , измеренную против часовой стрелки. Тогда, если есть длина является параметризацией . Производная есть единичная касательная к и есть единичная внешняя нормаль на . Мы выстроены для использования теоремы о расходимости : поместите так, чтобы и мы получаем

Таким образом, мы доказали .

Теперь мы можем вывести обобщенную интегральную формулу Коши:

Доказательство

Так как и поскольку это распределение локально имеет вид «распределение умноженное на функцию C », то мы можем применить правило Лейбница для вычисления его производных:

Используя это, z ) −1 является фундаментальным решением оператора Коши–Римана / , получаем:

Подача заявления на :

где используется в последней строке.

Переставляя, получаем

по желанию.

Несколько переменных

В нескольких комплексных переменных интегральная формула Коши может быть обобщена на полидиски . [9] Пусть D — полидиск, заданный как декартово произведение n открытых дисков D 1 , ..., D n :

Предположим, что f голоморфная функция в D, непрерывная на замыкании D. Тогда ζ = ( ζ 1 ,..., ζ n ) ∈ D .

В реальных алгебрах

Интегральная формула Коши обобщается на вещественные векторные пространства двух или более измерений. Понимание этого свойства приходит из геометрической алгебры , где рассматриваются объекты за пределами скаляров и векторов (такие как плоские бивекторы и объемные тривекторы ), и надлежащего обобщения теоремы Стокса .

Геометрическое исчисление определяет оператор производной ∇ = ê ii под его геометрическим произведением — то есть для k -векторного поля ψ ( r ) производная ψ обычно содержит члены степени k + 1 и k − 1 . Например, векторное поле ( k = 1 ) обычно имеет в своей производной скалярную часть, дивергенцию ( k = 0 ), и бивекторную часть, ротор ( k = 2 ). Этот конкретный оператор производной имеет функцию Грина : где S n — площадь поверхности единичного n -шара в пространстве (то есть S 2 = 2π , окружность круга с радиусом 1, и S 3 = 4π , площадь поверхности сферы с радиусом 1). По определению функции Грина,

Именно это полезное свойство можно использовать в сочетании с обобщенной теоремой Стокса: где для n -мерного векторного пространства d S является ( n − 1) -вектором, а d V является n -вектором. Функция f ( r ) может, в принципе, состоять из любой комбинации поливекторов. Доказательство интегральной теоремы Коши для пространств более высокой размерности основано на использовании обобщенной теоремы Стокса о величине G ( r , r ′) f ( r ′) и использовании правила произведения:

Когда f = 0 , f ( r ) называется моногенной функцией , обобщением голоморфных функций на многомерные пространства — действительно, можно показать, что условие Коши–Римана — это просто двумерное выражение моногенного условия. Когда это условие выполняется, второй член в правом интеграле исчезает, оставляя только , где i n — единичный n -вектор этой алгебры , псевдоскаляр . Результатом является

Таким образом, как и в случае двумерного (комплексного анализа), значение аналитической (моногенной) функции в точке можно найти с помощью интеграла по поверхности, окружающей точку, причем это справедливо не только для скалярных функций, но и для векторных и общих многовекторных функций.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Титчмарш 1939, стр. 84
  2. ^ «Теорема Гаусса о среднем значении». Сайт Wolfram Alpha .
  3. ^ Помпея 1905
  4. ^ "§2. Комплексные 2-формы: формула Коши-Помпея" (PDF) .
  5. ^ Хёрмандер 1966, Теорема 1.2.1
  6. ^ «Теорема 4.1.1 (Коши – Помпейю)» (PDF) .
  7. ^ Хёрмандер 1983, стр. 63, 81
  8. ^ Хёрмандер 1983, стр. 62–63.
  9. ^ Хёрмандер 1966, Теорема 2.2.1

Ссылки

Внешние ссылки