Предоставляет интегральные формулы для всех производных голоморфной функции.
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 .
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 ) = i − iz имеет действительную часть Re f ( z ) = Im z . На единичной окружности это можно записать я/з − из/2 . Используя преобразование Мёбиуса и формулу Стилтьеса, строим функцию внутри круга. я/з член не вносит никакого вклада, и мы находим функцию − iz . 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
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 ) = ( z − z 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:
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.
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 φ ∈ C 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 μ ∗ k ( 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 , (π z ) −1 является фундаментальным решением оператора Коши–Римана ∂/∂ z̄ . [7]
Обобщенная интегральная формула Коши может быть выведена для любой ограниченной открытой области X с границей C 1 ∂ X 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:
Геометрическое исчисление определяет оператор производной ∇ = ê i ∂ i 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.