Update 03-wegintegrale.tex
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\selectlanguage{german}
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\chapter{Wegintegrale}
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\chapter{Integration über stetig differenzierbare Wege}
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\section{Integration von vektorwertigen Funktionen}
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\section{Integration von vektorwertigen Funktionen}
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@@ -222,7 +222,7 @@ Die folgenden Aussagen sollten Ihnen aus den Analysis-Vorlesungen bekannt sein.
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\end{beobachtung}
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\end{beobachtung}
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\section{Wegintegrale und Stammfunktionen}
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\section{Stammfunktionen}
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\begin{definition}[Stammfunktion]
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\begin{definition}[Stammfunktion]
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Sei $U ⊂ ℂ$ offen und $f: U → ℂ$ stetig. Eine holomorphe Funktion $F: U → ℂ$
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Sei $U ⊂ ℂ$ offen und $f: U → ℂ$ stetig. Eine holomorphe Funktion $F: U → ℂ$
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@@ -500,8 +500,8 @@ folgenden Art.
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\begin{align*}
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\begin{align*}
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F(p + h) & = \int_{γ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz \\
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F(p + h) & = \int_{γ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz \\
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& = \int_{γ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz \\
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& = \int_{γ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_1} f(z)\, dz + \int_{δ_2} f(z)\, dz \\
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& \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) \\
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& \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) \\
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& = \int_{γ_1} f(z)\, dz - \bigl(\int_{δ_3} f(z)\, dz - \int_{γ_2} f(z)\, dz\bigr) \\
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& = \int_{γ_1} f(z)\, dz - \left( \int_{δ_3} f(z)\, dz - \int_{γ_2} f(z)\, dz \right) \\
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& = F(p) - \int_{δ_3} f(z)\, dz.
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& = F(p) - \int_{δ_3} f(z)\, dz.
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\intertext{Also ist}
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\intertext{Also ist}
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F(p+h) - F(p) & = -\int_{δ_3} f(z)\, dz = \int_0¹ f(p + t · h) · h\, dt \\
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F(p+h) - F(p) & = -\int_{δ_3} f(z)\, dz = \int_0¹ f(p + t · h) · h\, dt \\
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@@ -527,6 +527,90 @@ folgenden Art.
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\end{proof}
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\end{proof}
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\chapter{Integration über stetige Wege}
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\section{Wegintegrale}
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In Definition~\ref{def:3-2-1} haben wir Wegintegrale nur für stetig
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differenzierbare Wege definiert. In vielen Situationen ist es aber nützlich,
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Wegintegrale auch für stetige Wege zu definieren. Als Vorbereitung erinnern wir
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uns an zwei elementare Fakten der Analysis und Topologie.
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\begin{erinnerung}[Bilder von kompakten Mengen unter stetigen Abbildungen]\label{eri:3-4-1}%
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Es sei $U ⊂ ℂ$ offen, es sei $K \subset \bR^n$ kompakt und es sei $\gamma : K
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→ U$ stetig. Dann gilt Folgendes.
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\begin{enumerate}
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\item Die Bildmenge $\gamma(K) \subset U$ ist kompakt.
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\item Es gibt endlich viele Kreisscheiben $\Delta_1, …, \Delta_n$ in $U$,
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die die Bildmenge $\gamma(K)$ überdecken. In Formelsprache:
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\[
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\gamma(K) \subseteq \cup_{j=1}^n \Delta_j \subseteq U.
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\]
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\item\label{il:3-4-1-3} Es gibt eine relle Zahl $\delta > 0$, sodass es für
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jede Teilmenge $A \subseteq K$ mit Durchmesser \O$(A) \leq \delta$ einen
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Index $i$ gibt mit $\gamma(A) \subseteq \Delta_i$.
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\end{enumerate}
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Die Zahl $\delta$ aus \ref{il:3-4-1-3} ist Ihnen vielleicht als
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\emph{Lebesgue-Zahl}\index{Lebesgue-Zahl} der Überdeckung $\{\Delta_1, …,
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\Delta_n\}$ bekannt. Details finden Sie unter anderem bei
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\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Lebesgue's_number_lemma}{Wikipedia}.
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\end{erinnerung}
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\begin{konstruktion}[Wegintegrale: Integration über stetige Wege]\label{kons:3-4-2}%
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Sei $U ⊂ ℂ$ offen und sei $f: U → ℂ$ holomorph. Weiter sei $γ: [a,b] → U$ ein
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stetig differenzierbarer Weg. Nach Erinnerung~\ref{eri:3-4-1} gibt es eine
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Überdeckung von $γ([a,b])$ durch endlich viele Kreisscheiben $\Delta_1, …,
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\Delta_n$, die ganz in $U$ liegen. Nach Satz~\ref{satz:3-3-11} finden wir auf
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jeder dieser Kreisscheiben eine Stammfunktion $F_i: \Delta_i → ℂ$ von $f$.
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Nach Punkt~\ref{il:3-4-1-3} der Erinnerung~\ref{eri:3-4-1} gibt es eine
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endliche Unterteilung des Intervalls $[a,b]$,
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\[
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a = t_0 < t_1 < t_2 < … < t_m = b,
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\]
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sodass für jeden Index $0 \le j < m$ der Wertebereicht $\gamma([t_j,
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t_{j+1}])$ ganz in einer der Kreisscheiben $\Delta_1, …, \Delta_n$ liegt.
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Genauer: für jeden Index $0 \le j < m$ gibt es einen Index $i_j ∈ \{1, …, n\}$
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mit
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\[
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γ([t_{j-1}, t_j]) ⊂ \Delta_{i_j}.
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\]
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Wir betrachten dann die Zahl
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\[
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I_\gamma := \sum_{j=0}^{m-1} \left( F_{i_j}(γ(t_{j+1})) - F_{i_j}(γ(t_j)) \right).
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\]
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Konstruktion~\ref{kons:3-4-2} endet hier.
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\end{konstruktion}
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Der Beweis des folgenden Fakts ist elementar, aber etwas langwierig. Er wird in der
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Vorlesung nicht geführt.
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\begin{fakt}[Wegintegrale: Unabhängigkeit von der Wahl der Überdeckung]\label{fakt:3-4-3}%
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Die Zahl $I_γ$ aus der obigen Konstruktion hängt nicht von der Wahl der
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Überdeckung durch Kreisscheiben, der Wahl der Stammfunktionen und der Wahl der
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Unterteilung des Intervalls $[a,b]$ ab. \qed
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\end{fakt}
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\begin{beobachtung}
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Wenn der Weg $\gamma$ aus Konstruktion~\ref{kons:3-4-2} stetig differenzierbar
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ist, dann gilt
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\[
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I_γ = \int_γ f(z) \, dz.
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\]
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\end{beobachtung}
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\begin{definition}[Wegintegrale: Integration über stetige Wege]\label{def:3-4-5}%
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Sei $U ⊂ ℂ$ offen und sei $f: U → ℂ$ holomorph. Weiter sei $γ: [a,b] → U$ ein
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stetiger Weg. Dann definiert man das \emph{Wegintegral}\index{Wegintegral}
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als
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\[
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\int_γ f(z) \, dz := I_\gamma.
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\]
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\end{definition}
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\section{Homotopie von Wegen}
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\section{Homotopie von Wegen}
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Gegeben eine offene Menge $U ⊂ ℂ$ und Punkte $z_0, z_1 ∈ U$, so betrachten wir
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Gegeben eine offene Menge $U ⊂ ℂ$ und Punkte $z_0, z_1 ∈ U$, so betrachten wir
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