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Stefan Kebekus
2025-10-17 15:27:16 +02:00
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@@ -1,7 +1,7 @@
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\chapter{Wegintegrale}
\chapter{Integration über stetig differenzierbare Wege}
\section{Integration von vektorwertigen Funktionen}
@@ -222,7 +222,7 @@ Die folgenden Aussagen sollten Ihnen aus den Analysis-Vorlesungen bekannt sein.
\end{beobachtung}
\section{Wegintegrale und Stammfunktionen}
\section{Stammfunktionen}
\begin{definition}[Stammfunktion]
Sei $U ⊂ $ offen und $f: U → $ stetig. Eine holomorphe Funktion $F: U → $
@@ -500,8 +500,8 @@ folgenden Art.
\begin{align*}
F(p + h) & = \int_{γ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz \\
& = \int_{γ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz \\
& \qquad - \bigl(\int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz + \int_{δ_3} f(z)\, dz - \int_{γ_2} f(z)\, dz\bigr) \\
& = \int_{γ_1} f(z)\, dz - \bigl(\int_{δ_3} f(z)\, dz - \int_{γ_2} f(z)\, dz\bigr) \\
& \qquad - \left(\int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz + \int_{δ_3} f(z)\, dz - \int_{γ_2} f(z)\, dz \right) \\
& = \int_{γ_1} f(z)\, dz - \left( \int_{δ_3} f(z)\, dz - \int_{γ_2} f(z)\, dz \right) \\
& = F(p) - \int_{δ_3} f(z)\, dz.
\intertext{Also ist}
F(p+h) - F(p) & = -\int_{δ_3} f(z)\, dz = \int_0¹ f(p + t · h) · h\, dt \\
@@ -527,6 +527,90 @@ folgenden Art.
\end{proof}
\chapter{Integration über stetige Wege}
\section{Wegintegrale}
In Definition~\ref{def:3-2-1} haben wir Wegintegrale nur für stetig
differenzierbare Wege definiert. In vielen Situationen ist es aber nützlich,
Wegintegrale auch für stetige Wege zu definieren. Als Vorbereitung erinnern wir
uns an zwei elementare Fakten der Analysis und Topologie.
\begin{erinnerung}[Bilder von kompakten Mengen unter stetigen Abbildungen]\label{eri:3-4-1}%
Es sei $U ⊂ $ offen, es sei $K \subset \bR^n$ kompakt und es sei $\gamma : K
→ U$ stetig. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item Die Bildmenge $\gamma(K) \subset U$ ist kompakt.
\item Es gibt endlich viele Kreisscheiben $\Delta_1, …, \Delta_n$ in $U$,
die die Bildmenge $\gamma(K)$ überdecken. In Formelsprache:
\[
\gamma(K) \subseteq \cup_{j=1}^n \Delta_j \subseteq U.
\]
\item\label{il:3-4-1-3} Es gibt eine relle Zahl $\delta > 0$, sodass es für
jede Teilmenge $A \subseteq K$ mit Durchmesser \O$(A) \leq \delta$ einen
Index $i$ gibt mit $\gamma(A) \subseteq \Delta_i$.
\end{enumerate}
Die Zahl $\delta$ aus \ref{il:3-4-1-3} ist Ihnen vielleicht als
\emph{Lebesgue-Zahl}\index{Lebesgue-Zahl} der Überdeckung $\{\Delta_1, …,
\Delta_n\}$ bekannt. Details finden Sie unter anderem bei
\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Lebesgue's_number_lemma}{Wikipedia}.
\end{erinnerung}
\begin{konstruktion}[Wegintegrale: Integration über stetige Wege]\label{kons:3-4-2}%
Sei $U ⊂ $ offen und sei $f: U → $ holomorph. Weiter sei $γ: [a,b] → U$ ein
stetig differenzierbarer Weg. Nach Erinnerung~\ref{eri:3-4-1} gibt es eine
Überdeckung von $γ([a,b])$ durch endlich viele Kreisscheiben $\Delta_1, …,
\Delta_n$, die ganz in $U$ liegen. Nach Satz~\ref{satz:3-3-11} finden wir auf
jeder dieser Kreisscheiben eine Stammfunktion $F_i: \Delta_i → $ von $f$.
Nach Punkt~\ref{il:3-4-1-3} der Erinnerung~\ref{eri:3-4-1} gibt es eine
endliche Unterteilung des Intervalls $[a,b]$,
\[
a = t_0 < t_1 < t_2 < … < t_m = b,
\]
sodass für jeden Index $0 \le j < m$ der Wertebereicht $\gamma([t_j,
t_{j+1}])$ ganz in einer der Kreisscheiben $\Delta_1, …, \Delta_n$ liegt.
Genauer: für jeden Index $0 \le j < m$ gibt es einen Index $i_j ∈ \{1, …, n\}$
mit
\[
γ([t_{j-1}, t_j])\Delta_{i_j}.
\]
Wir betrachten dann die Zahl
\[
I_\gamma := \sum_{j=0}^{m-1} \left( F_{i_j}(γ(t_{j+1})) - F_{i_j}(γ(t_j)) \right).
\]
Konstruktion~\ref{kons:3-4-2} endet hier.
\end{konstruktion}
Der Beweis des folgenden Fakts ist elementar, aber etwas langwierig. Er wird in der
Vorlesung nicht geführt.
\begin{fakt}[Wegintegrale: Unabhängigkeit von der Wahl der Überdeckung]\label{fakt:3-4-3}%
Die Zahl $I_γ$ aus der obigen Konstruktion hängt nicht von der Wahl der
Überdeckung durch Kreisscheiben, der Wahl der Stammfunktionen und der Wahl der
Unterteilung des Intervalls $[a,b]$ ab. \qed
\end{fakt}
\begin{beobachtung}
Wenn der Weg $\gamma$ aus Konstruktion~\ref{kons:3-4-2} stetig differenzierbar
ist, dann gilt
\[
I_γ = \int_γ f(z) \, dz.
\]
\end{beobachtung}
\begin{definition}[Wegintegrale: Integration über stetige Wege]\label{def:3-4-5}%
Sei $U ⊂ $ offen und sei $f: U → $ holomorph. Weiter sei $γ: [a,b] → U$ ein
stetiger Weg. Dann definiert man das \emph{Wegintegral}\index{Wegintegral}
als
\[
\int_γ f(z) \, dz := I_\gamma.
\]
\end{definition}
\section{Homotopie von Wegen}
Gegeben eine offene Menge $U ⊂ $ und Punkte $z_0, z_1 ∈ U$, so betrachten wir