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01-komplexeZahlen.tex

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+\selectlanguage{german}
+
+\chapter{Komplexe Zahlen}
+
+\section{Konstruktion, Notation und elementare Eigenschaften}
+
+\sideremark{Vorlesung 1}In der Vorlesung „Analysis I“ haben Sie Funktionen $f :
+ℝ → ℝ$ diskutiert.  In der Vorlesung „Funktionentheorie“ diskutieren wir
+Funktionen $f : ℂ → ℂ$.  Damit alle auf demselben Stand sind, wiederhole ich in
+aller Kürze die wesentlichen Begriffe zu den komplexen Zahlen.
+
+\begin{konstruktion}[Konstruktion der komplexen Zahlen]
+  Wir definieren auf der reellen Ebene $ℝ²$ zwei Abbildungen (oder:
+  „Operationen“):
+  \begin{align*}
+    + : ℝ² ⨯ ℝ² &→ ℝ², & \begin{pmatrix} x_1 \\ y_1 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} x_2 \\ y_2 \end{pmatrix} &↦ \begin{pmatrix} x_1 + x_2 \\ y_1 + y_2 \end{pmatrix} \\
+    · : ℝ² ⨯ ℝ² &→ ℝ², & \begin{pmatrix} x_1 \\ y_1 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} x_2 \\ y_2 \end{pmatrix} &↦ \begin{pmatrix} x_1 x_2 - y_1 y_2 \\ x_1 y_2 + x_2 y_1 \end{pmatrix}
+  \end{align*}
+\end{konstruktion}
+
+\begin{erinnerung}[Komplexe Zahlen]
+  Das Tripel $ℂ := (ℝ², +, ·)$ ist ein Körper, den wir als „Körper der komplexen
+  Zahlen\index{komplexe Zahlen}“ bezeichnen.  Für das neutrale Element der
+  Addition/Multiplikation gilt:
+  \[
+    0_ℂ = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad
+    1_ℂ = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}.
+  \]
+  Die Menge der invertierbaren Elemente wird mit $ℂ^*$ bezeichnet, $ℂ^* = ℂ ∖
+  \{0_ℂ \}$.
+\end{erinnerung}
+
+
+\subsection{Notation}
+
+\begin{erinnerung}[Reelle Zahlen als Teilmenge der komplexen Zahlen]
+  Die Abbildung
+  \[
+    ι : ℝ → ℂ, \quad x ↦ \begin{pmatrix} x \\ 0 \end{pmatrix}
+  \]
+  ist ein Körpermorphismus.  Das bedeutet: Für alle $z_1, z_2 ∈ ℂ$ gilt:
+  \[
+    ι(z_1 + z_2) = ι(z_1) + ι(z_2)
+    \quad\text{und}\quad
+    ι(z_1 · z_2) = ι(z_1) · ι(z_2).
+  \]
+  Weiter gilt: $ι(1) = 1$ und $ι(0) = 0$.  Weil die Abbildung $ι$ injektiv ist,
+  identifiziert man die reellen Zahlen häufig mit der Bildmenge von $ι$, nämlich
+  der $x$-Achse in $ℝ²$, und fasst $ℝ$ als Teilmenge von $ℂ$ auf.
+\end{erinnerung}
+
+\begin{notation}
+  Man bezeichnet die $x$-Achse als „reelle Achse“\index{reelle Achse}, die
+  $y$-Achse als „imaginäre Achse“\index{imaginäre Achse}.  Das Element
+  $\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix}$ wird mit $i$ bezeichnet.  Statt $z =
+  \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$ schreibe kurz $z = x + iy$.  Dabei nenne
+  $x$ den „Realteil von $z$“\index{Realteil} und $y$ den „Imaginärteil von
+  $z$“\index{Imaginärteil}.  Die Schreibweisen $x = \operatorname{Re}(z)$ und $y
+  = \operatorname{Im}(z)$ sind üblich.
+\end{notation}
+
+
+\subsection{Betrag und Argument}
+
+\begin{notation}[Betrag einer komplexen Zahl]
+  \index{Betrag}Die euklidische Norm auf $ℂ$ wird mit $|·|$ bezeichnet.  Für
+  eine komplexe Zahl $z = x + y·i$ nennt man $|z|$ den „Betrag von $z$“.  Es
+  gilt $|z| = \sqrt{x² + y²}$.
+\end{notation}
+
+\begin{bemerkung}[Betrag eines Produkts]
+  Für alle $z_1, z_2 ∈ ℂ$ gilt: $|z_1 · z_2| = |z_1| · |z_2|$.
+\end{bemerkung}
+
+\begin{bemerkung}[Dreiecksungleichung]
+  Für alle $z_1, z_2 ∈ ℂ$ gilt: $|z_1 + z_2| ≤ |z_1| + |z_2|$.
+\end{bemerkung}
+
+\begin{notation}[Argument einer komplexen Zahl]
+  \index{Argument}Für komplexe Zahlen $z ∈ ℂ^*$ bezeichnet man den Winkel
+  zwischen der $x$-Achse und der Achse $z·ℝ$ als das „Argument“ von $z$.  Die
+  Schreibweise $\arg z$ ist üblich.
+\end{notation}
+
+\begin{beobachtung}[Darstellung von komplexen Zahlen durch Betrag und Argument]
+  Sei $z ∈ ℂ^*$.  Dann ist
+  \[
+    z = |z| · \begin{pmatrix} \cos (\arg z) \\ \sin (\arg z) \end{pmatrix}.
+  \]
+\end{beobachtung}
+
+\begin{beobachtung}[Darstellung Argument des negierten]
+  Sei $z ∈ ℂ^*$.  Dann ist
+  \[
+    \arg (-z) = π + \arg z.
+  \]
+\end{beobachtung}
+
+
+\subsection{Geometrische Bedeutung der Körperoperationen}
+
+Es ist per Definition klar, dass die Addition im Körper $ℂ$ einfach die
+Vektoraddition der $ℝ²$ ist.  Um die Bedeutung der Multiplikation zu verstehen,
+sei $z ∈ ℂ^*$ irgendeine Zahl, mit Betrag $λ := |z|$ und Argument $α := \arg z$.
+Man rechne man nach, dass die Multiplikationsabbildung
+\[
+  m_z : ℂ → ℂ, \quad \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} ↦ z · \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}
+\]
+gleich der Abbildung
+\[
+  \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} ↦ λ·\begin{pmatrix} \cos α & - \sin α \\ \sin α & \cos α \end{pmatrix} · \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}
+\]
+ist.  Dies ist eine Drehstreckung.
+
+\begin{merke}[Multiplikation ist Drehstreckung]
+  Multiplikation einer komplexen Zahl $w$ mit $z ∈ ℂ^*$ bedeutet: Drehe $w$ um
+  den Winkel $α = \arg z$ und strecke das Ergebnis um den Faktor $λ = |z|$.
+\end{merke}
+
+\begin{kons}[Multiplikation zweier komplexer Zahlen]
+  Gegeben komplexe Zahlen $z_1, z_2 ∈ ℂ$, dann ist $|z_1 · z_2| = |z_1| ·
+  |z_2|$.  Falls $z_1$ und $z_2 ∈ ℂ^*$ sind, gilt $\arg (z_1 · z_2) = \arg (z_1)
+  + \arg (z_2)$.
+\end{kons}
+
+\begin{merke}[Multiplikation zweier komplexer Zahlen]
+  Man multipliziert zwei komplexe Zahlen, indem man die Beträge multipliziert
+  und die Argumente addiert.
+\end{merke}
+
+\begin{merke}[Division zweier komplexer Zahlen]
+  Man dividiert zwei komplexe Zahlen, indem man die Beträge dividiert und die
+  Argumente subtrahiert.
+\end{merke}
+
+\begin{merke}[Multiplikatives Inverses]
+  Man invertiert eine komplexe Zahl, indem man den Betrag invertiert und das
+  Argument negiert.
+\end{merke}
+
+
+\subsection{Konjugation}
+
+\begin{notation}[Konjugation]
+  Die Spiegelung an der reellen Achse,
+  \[
+    τ : ℂ → ℂ, \quad \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} ↦ \begin{pmatrix} x \\ -y \end{pmatrix}
+  \]
+  wird als „Konjugation“ bezeichnet\index{Konjugation}.  Anstelle von $τ(z)$ ist
+  die Schreibweise $\overline{z}$ üblich.
+\end{notation}
+
+\begin{erinnerung}[Konjugation als Körpermorphismus]
+  Komplexe Konjugation ist ein Körpermorphismus.  Das bedeutet: Für alle $z_1,
+  z_2 ∈ ℂ$ gilt:
+  \[
+    \overline{z_1 + z_2} = \overline{z_1} + \overline{z_2}
+    \quad\text{und}\quad
+    \overline{z_1 · z_2} = \overline{z_1} · \overline{z_2}.
+  \]
+  Weiter gilt: $\overline{0} = 0$ und $\overline{1} = 1$.
+\end{erinnerung}
+
+\begin{erinnerung}[Allererste Eigenschaften der Konjugation]
+  Sei $z ∈ ℂ$.  Dann gilt Folgendes.
+  \begin{itemize}
+    \item Die Gleichung $\overline{z} = z$ gilt genau dann, wenn $z ∈ ℝ$ ist.
+    \item Es ist $|z| = |\overline{z}|$ und $\arg \overline{z} = - \arg z$.
+    \item Es ist $\operatorname{Re}(z) = \frac{z + \overline{z}}{2}$ und
+      $\operatorname{Im}(z) = \frac{z - \overline{z}}{2i}$.
+    \item Es ist $z·\overline{z} = |z|²$.
+    \item Falls $z ∈ ℂ^*$ ist, so ist $\overline{z^{-1}} =
+    \overline{z}^{-1}$.
+  \end{itemize}
+\end{erinnerung}
+
+
+\subsection{Geometrische Bedeutung des multiplikativen Inversen}
+
+Gegeben eine komplexe Zahl $z ∈ ℂ^*$, so kann man das multiplikative Inverse von
+$z$ mithilfe der Konjugation leicht ausrechnen.  Es ist nämlich
+\[
+  \frac{1}{z} = \frac{\overline{z}}{\overline{z}·z} = \frac{\overline{z}}{|z|²} = \overline{z/|z|²}.
+\]
+Aber was bedeutet das anschaulich?
+
+\begin{erinnerung}[Spiegelung am Einheitskreis]
+  Die Abbildung
+  \[
+    ℝ² ∖ \{0\} → ℝ² ∖ \{0\}, \quad z ↦ \frac{z}{|z|²}
+  \]
+  heißt „Spiegelung am Einheitskreis“\index{Spiegelung am Einheitskreis}.  Die
+  Spiegelung am Einheitskreis lässt das Argument unverändert und invertiert den
+  Betrag.
+\end{erinnerung}
+
+\begin{merke}[Multiplikatives Inverses]
+  Man invertiert eine komplexe Zahl, indem man am Einheitskreis spiegelt und
+  konjugiert (=an der $x$-Achse spiegelt).
+\end{merke}
+
+
+\subsection{Geometrische Bedeutung des Quadrierens}
+
+Nach der vorhergehenden Diskussion ist klar, was die Abbildung $q : ℂ → ℂ$, $z ↦
+z²$ geometrisch macht:
+\begin{itemize}
+  \item Der Betrag wird quadriert.
+  \item Argument wird verdoppelt.
+\end{itemize}
+Aus dieser Beschreibung ergibt sich sehr schnell, dass jede komplexe Zahl eine
+Quadratwurzel besitzt.
+
+\begin{kons}[Existenz von Quadratwurzeln]
+  Jede komplexe Zahl hat eine Quadratwurzel.
+\end{kons}
+\begin{proof}
+  Gegeben eine Zahl $z ∈ ℂ$.  Falls $z = 0$ ist, dann ist $w := 0$ eine
+  Quadratwurzel von $z$.  Ansonsten sei $λ := |z|$ und $α := \arg z$.  Weiter
+  sei $w ∈ ℂ^*$ die Zahl mit Betrag $\sqrt{λ}$ und Argument $α/2$.  Mit dieser
+  Wahl ist $w² = z$, die Zahl $w$ ist also eine Quadratwurzel von $z$.
+\end{proof}
+
+Quadratwurzeln sind natürlich nicht eindeutig, denn wenn $w$ eine Quadratwurzel
+von $z$ ist, dann ist $-w$ ebenfalls eine Quadratwurzel.
+
+\begin{kons}[Surjektivität der Quadrat-Abbildung]
+  Die Abbildung $q : ℂ → ℂ$, $z ↦ z²$ ist surjektiv, aber nicht injektiv.  Es
+  ist $q^{-1}(0) = \{0\}$.  Jede andere Faser von $q$ enthält genau zwei Punkte,
+  die sich exakt um das Vorzeichen unterscheiden.  \qed
+\end{kons}
+
+Aber Achtung!  Obwohl jede komplexe Zahl eine Quadratwurzel besitzt, gibt es
+keine stetige Wurzelfunktion!  Das folgende Lemma zeigt, dass es nicht einmal
+auf der Teilmenge $ℂ^* ⊂ ℂ$ eine stetige Wurzelfunktion geben kann.
+
+\begin{lem}[Nichtexistenz einer stetigen Wurzelfunktion]\label{lem:1-1-23}%
+  Es sei $w: ℂ^* → ℂ^*$ eine Funktion, sodass für alle $z ∈ ℂ^*$ gilt: $w(z)² =
+  z$.  Dann ist die Abbildung $w$ nicht stetig.
+\end{lem}
+\begin{proof}
+  Sei eine Funktion $w$ gegeben.  Wir argumentieren mit Widerspruch und nehmen
+  an, dass die Funktion $w$ stetig sei.  Dann ist aber die Funktion
+  \[
+    f : ℂ^* → ℂ^*, \quad z ↦ w(z²)/z
+  \]
+  aber ebenfalls stetig.  Per Annahme gilt nun aber für jedes $z ∈ ℂ^*$ die
+  Gleichung $w(z²)² = z²$.  Das bedeutet: die komplexen Zahlen $w(z²)$ und $z$
+  unterscheiden sich nur um ein Vorzeichen.  Also nimmt die stetige Funktion $f$
+  nur die Werte $± 1$ an.  Weil $f$ stetig und $ℂ^*$ zusammenhängend ist, muss
+  $f$ also konstant sein.  Auf der anderen Seite gilt für jedes $z ∈ ℂ^*$ die
+  Gleichung
+  \[
+    f(-z) = \frac{w((-z)²)}{-z} = \frac{w(z²)}{-z} = - f(z),
+  \]
+  also ist $f$ doch nicht konstant!
+\end{proof}
+
+
+\section{Die Exponentialfunktion}
+
+\sideremark{Vorlesung 2}In der Vorlesung ``Analysis'' wurden Folgen und
+Grenzwerte in $ℂ = ℝ²$ ausführlich betrachtet.
+
+\begin{erinnerung}[Konvergenz von Folgen und Reihen]
+  Eine Folge von komplexen Zahlen, $(z_n)_{n ∈ ℕ}$, mit $z_n = x_n + i · y_n$
+  konvergiert genau dann (absolut), wenn die Folge $x_n$ der Realteile und die
+  Folge $y_n$ der Imaginärteile jeweils einzeln (absolut) konvergieren.  Analoges
+  gilt für Reihen $\sum_{n=0}^{∞} z_n$.
+\end{erinnerung}
+
+\begin{erinnerung}[Stetigkeit]
+  Der Begriff der Stetigkeit für Funktionen $f: ℂ → ℂ$ ist der Begriff der
+  Stetigkeit für Abbildungen $ℝ² → ℝ²$.
+\end{erinnerung}
+
+Das wichtigste Beispiel für Reihen war die Exponentialfunktion.
+
+\begin{proposition}[Exponentialreihe]
+  Für jede komplexe Zahl $z ∈ ℂ$ konvergiert die Reihe
+  \[
+    \sum_{k=0}^{∞} \frac{z^k}{k!}
+  \]
+  absolut.
+\end{proposition}
+\begin{proof}
+  Gegeben $z ∈ ℂ$ und $k ∈ ℕ$, so gilt
+  \[
+    |\operatorname{Re}(z^k)| ≤ |z^k| = |z|^k
+    \quad\text{und}\quad
+    |\operatorname{Im}(z^k)| ≤ |z^k| = |z|^k.
+  \]
+  Verwende jetzt dieselbe Argumentation wie bei der Diskussion der
+  Exponentialreihe in Analysis I/II.  Alternativ: verwende das
+  Majorantenkriterium mit Reihe $\sum \frac{1}{k!} |z|^k$..
+\end{proof}
+
+\begin{notation}[Exponentialfunktion]
+  Die Abbildung
+  \[
+    \exp : ℂ → ℂ, \quad z ↦ \sum_{k=0}^{∞} \frac{z^k}{k!}
+  \]
+  wird als komplexe Exponentialfunktion\index{Exponentialfunktion} bezeichnet.
+\end{notation}
+
+
+\subsection{Die Exponentialfunktion an reellen und rein imaginären Stellen}
+
+\begin{beobachtung}[Komplexe Exponentialfunktion an reellen Stellen]
+  Für reelle Zahlen $z$ stimmt die komplexe Exponentialfunktion mit der reellen
+  Exponentialfunktion überein, die wir aus der Vorlesung ``Analysis'' kennen.
+\end{beobachtung}
+
+\begin{beobachtung}[Komplexe Exponentialfunktion an rein imaginären Stellen]
+  Für reelle Zahlen $α$ gilt
+  \begin{align*}
+    \exp(i·α) &= \cos α + i·\sin α\\
+    \exp(-i·α) &= \cos(-α) + i·\sin(-α) = \cos(α) - i·\sin(α) = \overline{\exp(i·α)}
+  \end{align*}
+\end{beobachtung}
+\begin{proof}
+  Vergleiche die Exponentialreihe $\sum_{k=0}^{∞} \frac{(i·α)^k}{k!} =
+  \sum_{k=0}^{∞} \frac{i^k · z^k}{k!}$ mit den bekannten Reihen für Sinus und
+  Cosinus.  Beachte, dass
+  \[
+    i^k =
+    \begin{cases}
+      1 & \text{falls } k \equiv 0 \bmod 4\\
+      i & \text{falls } k \equiv 1 \bmod 4\\
+      -1 & \text{falls } k \equiv 2 \bmod 4\\
+      -i & \text{falls } k \equiv 3 \bmod 4.
+    \end{cases}
+  \]
+  Deshalb ist
+  \begin{align*}
+    \exp(i α) &= \begin{pmatrix} \frac{1}{0!} \\ 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\ \frac{α}{1!} \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} \frac{-α²}{2!} \\ 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\ \frac{-α³}{3!} \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} \frac{α⁴}{4!} \\ 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\ \frac{α⁵}{5!} \end{pmatrix} + …\\
+    &= \begin{pmatrix} \cos α \\ \sin α \end{pmatrix} = (\cos α) + i(\sin α)
+  \end{align*}
+  ist.  Die Aussage für $\exp(-i·α)$ beweist man analog.
+\end{proof}
+
+\begin{kons}[Betrag und Argument von $\exp (i·α)$]
+  Für jede reelle Zahl $α$ gilt
+  \[
+    |\exp (i·α)| = 1
+    \quad\text{und}\quad
+    \arg \exp (i·α) = α.
+  \]
+\end{kons}
+
+\begin{kons}[Sinus und Kosinus in Termen der komplexen Exponentialfunktion]
+  Für jede reelle Zahl $α$ gilt
+  \begin{align}
+    \label{eq:1-2-7-1} \cos α &= \frac{1}{2} \left( \exp(iα) + \exp(-iα) \right) \\
+    \label{eq:1-2-7-2} \sin α &= \frac{1}{2i} \left( \exp(iα) - \exp(-iα) \right)
+  \end{align}
+\end{kons}
+
+Die rechten Seiten von \eqref{eq:1-2-7-1} und \eqref{eq:1-2-7-2} ergeben nicht
+nur für reelle Zahlen $α$ Sinn, sondern sind für beliebige $α ∈ ℂ$ definiert.
+
+\begin{definition}[Komplexe Sinus und Cosinus]
+  Definiere die komplexe Sinus\index{Sinus} und Cosinus\index{Cosinus}
+  Funktionen wie folgt,
+  \begin{align*}
+    \cos: ℂ → ℂ, &\quad z ↦ \frac{1}{2} \left( \exp(i·z) + \exp(-i·z) \right)\\
+    \sin: ℂ → ℂ, &\quad z ↦ \frac{1}{2i} \left( \exp(i·z) - \exp(-i·z) \right).
+  \end{align*}
+\end{definition}
+
+Wie bei der komplexen Exponentialfunktion beachte man, dass der komplexe Sinus
+und Cosinus für reelle Argumente mit den bekannten Funktionen übereinstimmen.
+
+
+\subsection{Die Funktionalgleichung der Exponentialfunktion}
+
+Genau wie in der Vorlesung Analysis rechnet man die folgenden beiden
+Eigenschaften der komplexen Exponentialfunktion nach.
+
+\begin{fakt}[Exponentialfunktion als Grenzwert]\label{fakt:1-2-10}
+  Für jede komplexe Zahl $z$ gilt
+  \[
+    \exp z = \lim_{n → ∞} \left( 1 + \frac{z}{n} \right)^n.
+  \]
+\end{fakt}
+
+\begin{fakt}[Die Funktionalgleichung der Exponentialfunktion]\label{fakt:1-2-11}
+  Für je zwei komplexe Zahlen $z_1$, $z_2$ gilt
+  \[
+    \exp (z_1 + z_2) = (\exp z_1) + (\exp z_2).
+  \]
+\end{fakt}
+
+
+\subsection{Die geometrische Bedeutung der Exponentialfunktion}
+
+Gegeben irgendeine komplexe Zahl $z = x + i·y$, dan ist
+\[
+  \exp(z) = \exp(x + i·y) = \exp(x) · \exp(iy) = \exp(x) · (\cos y + i \sin y)
+\]
+Damit ist die geometrische Bedeutung der Exponentialfunktion klar: $\exp(x +
+iy)$ ist die eindeutig bestimmte Zahl mit Betrag $|\exp z| = \exp x > 0$ und
+Argument $\arg (\exp z) = y$.
+
+\begin{kons}
+  Die Exponentialabbildung nimmt nur Werte in $ℂ^*$ an, kann also als Abbildung
+  $\exp : ℂ → ℂ^*$ aufgefasst werden.  \qed
+\end{kons}
+
+\begin{kons}[Surjektivität der Exponentialabbildung]\label{kons:1-2-13}%
+  Die Exponentialabbildung $\exp : ℂ → ℂ^*$ ist surjektiv.
+\end{kons}
+\begin{proof}
+  Sei $z ∈ ℂ^*$ gegeben.  Dann ist $\exp((\log |z|) + i·\arg z)$ eine komplexe
+  Zahl, deren Betrag und Argument mit $z$ übereinstimmt.  Also sind die beiden
+  Zahlen gleich.
+\end{proof}
+
+\begin{kons}\label{kons:1-2-14}%
+  Die Exponentialabbildung $\exp : ℂ → ℂ^*$ ist nicht injektiv.  Genauer:
+  Gegeben $z_1, z_2 ∈ ℂ$, dann sind folgende Aussagen äquivalent.
+  \begin{enumerate}
+  \item Es ist $\exp(z_1) = \exp(z_2)$.
+
+  \item Es existiert eine ganze Zahl $n ∈ ℤ$, sodass $z_1 - z_2 = (2π i) · n$
+    ist.
+  \end{enumerate}
+\end{kons}
+\begin{proof}
+  Schreibe $z_1 = x_1 + i·y_1$ und $z_2 = x_2 + i·y_2$.  Dann ist
+  \begin{align*}
+    \exp(z_1) = \exp(z_2) & ⇔ \exp(x_1) · (\cos y_1 + i \sin y_1) = \exp(x_2) · (\cos y_2 + i \sin y_2) \\
+    & ⇔ x_1 = x_2 \text{ und } (\cos y_1 + i \sin y_1) = (\cos y_2 + i \sin y_2) \\
+    & ⇔ x_1 = x_2 \text{ und } \cos y_1 = \cos y_2 \text{ und } \sin y_1 = \sin y_2 \\
+    & ⇔ ∃ n ∈ ℤ: z_1 - z_2 = (2π i) · n.  \qedhere
+  \end{align*}
+\end{proof}
+
+
+\subsection{Komplexe Logarithmen}
+
+Konsequenez~\ref{kons:1-2-13} impliziert, dass jede komplexe Zahl $z ∈ ℂ^*$
+einen Logarithmus hat, also eine Zahl $w$ mit $\exp(w) = z$.  Aber: Genau wie
+bei der Quadratwurzel gibt es keine stetige Logarithmusfunktion
+
+\begin{lem}[Nichtexistenz einer stetigen Logarithmusfunktion]
+  Es sei $\log : ℂ^* → ℂ$ eine Funktion, sodass für alle $z ∈ ℂ^*$ gilt: $\exp
+  \log z = z$.  Dann ist die Abbildung $\log$ nicht stetig.
+\end{lem}
+\begin{proof}
+  Hausaufgabe!  Haben Sie den Beweis von Konsequenz~\ref{kons:1-2-13} wirklich
+  verstanden?
+\end{proof}
+
+\begin{notation}[Hauptzweig des Logarithmus]
+  Die unstetige Funktion
+  \[
+    \log: ℂ^* → ℂ, \quad z ↦ \begin{pmatrix} \ln |z| \\ \arg z \end{pmatrix}
+  \]
+  wird in der Literatur also ``Hauptzweig des Logarithmus''\index{Hauptzweig des
+  Logarithmus} bezeichnet.
+\end{notation}
+
+
+\subsection{Die Exponentialfunktion als Gruppenmorphismus}
+
+Wenn ich beachte, dass $\exp(0) = 1$ ist, dann kann ich die
+Fakten~\ref{fakt:1-2-10} und \ref{fakt:1-2-10} auch anders ausdrücken: Die
+Exponentialabbildung $\exp: ℂ → ℂ^*$ ist ein Gruppenmorphismus zwischen der
+additiven Gruppe $(ℂ, +)$ und der multiplikativen Gruppe $(ℂ^*, ·)$.
+
+Konsequenz~\ref{kons:1-2-13} sagt, dass dieser Gruppenmorphismus surjektiv ist.
+Also ist $(ℂ^*, ·)$ isomorph zur Quotientengruppe,
+\[
+  ℂ^* ≅ \factor{ℂ}{\ker \exp}.
+\]
+Konsequenz~\ref{kons:1-2-14} sagt, was der Kern des Gruppenmorphismus ist,
+\[
+  \ker \exp = (2π i) · ℤ ⊂ ℂ.
+\]
+
+
+% !TEX root = LineareAlgebra2
+