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Funktionentheorie/06-potenz.tex
Stefan Kebekus b22fceb22d Working…
2025-11-04 15:06:11 +01:00

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\chapter{Potenzreihenentwicklung}
In der Analysis liefern Potenzreihen $\sum a_i xⁱ$ interessante Beispiele für
reelle Funktionen. Gegeben irgendeine $\cC^$-Funktion $f$, so kann ich $f$ mit
der Taylor-Entwicklung vergleichen. In diesem Abschnitt geht es um ähnliche
Aussagen für komplexe Potenzreihen $\sum a_i zⁱ$ (wo $a_i ∈ $, $z$ eine
komplexe Variable) und Taylor-Entwicklungen von holomorphen Funktionen.
\begin{erinnerung}[Potenzreihen in Analysis I und II]
Es sei $(a_i)_i$ eine Folge reeller Zahlen und sei $ρ$ eine feste Zahl.
\begin{enumerate}
\item Ausdrücke der Form $\sum_{i=0}^∞ a_i (x - ρ)$ heißen „Potenzreihen mit
Entwicklungspunkt $ρ$“.
\item Angenommen, es existiert ein $x_0$, sodass $\sum a_i (x_0 - ρ)$
konvergiert. Dann gilt für alle $x$ mit $|x - ρ| < |x_0 - ρ|$, dass die
Reihe $\sum a_i (x - ρ)$ absolut konvergiert.
\item Die Zahl
\[
\sup \left\{ |x - ρ| \::\: x ∈ , \text{ sodass } \sum a_i (x - ρ)\text{ konvergiert} \right\}
^{0} \{\}
\]
heißt Konvergenzradius.
\item Es sei $\sum_{i=0}^∞ a_i (x - ρ)$ eine Potenzreihe mit Konvergenzradius
$R > 0$. Dann gilt: die Folge der Partialsummen konvergiert auf dem offenen
Intervall $(ρ-r, ρ+r)$ kompakt. Das bedeutet: auf jeder kompakten Teilmenge
$K$ von $(ρ-r, ρ+r)$ konvergiert die Folge der Partialsummen gleichmäßig.
\end{enumerate}
\end{erinnerung}
Alle Aussagen gelten mit denselben Beweisen auf für komplexe Zahlen.
\begin{fakt}[Komplexe Potenzreihen]
Es sei $(a_i)_i$ eine Folge komplexer Zahlen und sei $ρ$ eine feste Zahl.
\begin{enumerate}
\item Ausdrücke der Form $\sum_{i=0}^∞ a_i (z - ρ)$ heißen „komplexe
Potenzreihen mit Entwicklungspunkt $ρ$“.
\item Angenommen, es existiert ein $z_0$, sodass $\sum a_i (z_0 - ρ)$
konvergiert. Dann gilt für alle $z$ mit $|z - ρ| < |z_0 - ρ|$, dass die
Reihe $\sum a_i (z - ρ)$ absolut konvergiert.
\item Die Zahl
\[
\sup \left\{ |z - ρ| \::\: z ∈ , \text{ sodass } \sum a_i (x - ρ)\text{ konvergiert} \right\}
^{0} \{\}
\]
heißt Konvergenzradius.
\item\label{il:6-0-2-4} Es sei $\sum_{i=0}^∞ a_i (x - ρ)$ eine komplexe
Potenzreihe mit Konvergenzradius $R > 0$. Dann gilt: die Folge der
Partialsummen konvergiert auf der offenen Kreisscheibe $B_r(ρ)$ kompakt. Das
bedeutet: auf jeder kompakten Teilmenge $K$ von $B_r(ρ)$ konvergiert die
Folge der Partialsummen gleichmäßig.
\end{enumerate}
\end{fakt}
Man beachte: Genau wie in der reellen Situation machen wir in \ref{il:6-0-2-4}
keinerlei Aussagen über Konvergenz der Reihe für Punkte $z$, die auf dem Rand $
B_r(ρ)$ der Kreisscheibe liegen.
\sideremark{Vorlesung 10}
\begin{bsp}[Exponentialreihe]
\index{Exponentialreihe}Die Potenzreihe $\sum_{i=0}^\frac{zⁱ}{i!}$ kennen
wir schon, das ist die Exponentialfunktion. Der Konvergenzradius ist $$.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Geometrische Reihe]
\index{Geometrische Reihe}Die Potenzreihe $\sum_{i=0}^∞ zⁱ$ kennen wir auch
schon. Aus Analysis I wissen wir: die Reihe konvergiert für reelle $z$ mit
$|z| < 1$. Für $z = 1$ konvergiert die Reihe nicht. Also ist der
Konvergenzradius $= 1$. Wie in der Vorlesung Analysis~I rechnet man nach: für
jede Zahl $z ∈ B_1(0)$ konvergiert die Reihe konvergiert gegen
$\frac{1}{1-z}$.
\end{bsp}
\section{Potenzreihen liefern holomorphe Funktionen}
\begin{proposition}[Kompakt konvergierende Folgen holomorpher Funktionen]\label{prop:potenzreihe-holomorph}%
Es sei $U ⊂ $ offen und es sei $(f_i)_{i ∈ }$ eine Folge von holomorphen
Funktionen, $f_i ∈ 𝒪(U)$, die auf $U$ kompakt gegen Grenzfunktion $f$
konvergiert. Dann gilt:
\begin{enumerate}
\item\label{il:6-0-4-1} Die Grenzfunktion ist holomorph, $f ∈ 𝒪(U)$.
\item\label{il:6-0-4-2} Die Folge $(f_i')_{i ∈ }$ der komplexen Ableitungen
konvergiert kompakt gegen $f'$.
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}[Beweis von \ref{il:6-0-4-1}]
Die kompakte Konvergenz (= lokal gleichmäßige Konvergenz) garantiert schon
einmal, dass $f$ stetig ist. Um zu zeigen, dass $f$ holomorph ist, verwenden
wir das Kriterium aus Korollar~\ref{kor:5-2-6}. Wenn $R ⊂ U$ ein
Achsenparalleles Rechteck ist, dann ist
\[
\int_{∂R} f(z)\,dz = \lim_{i→∞} \int_{∂R} f_i(z)\,dz = 0.
\]
Die erste Gleichheit gilt, weil $∂R$ kompakt ist und $f_i$ kompakt gegen $f$
konvergiert. Die Integrale $\int_{∂R} f_i(z)\,dz$ verschwinden nach
Korollar~\ref{kor:5-2-6}, weil die Funktionen $f_i$ holomorph sind.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von \ref{il:6-0-4-2}]
Es sei ein Punkt $z_0 ∈ U$ gegeben. Wir müssen zeigen, dass die Folge
$(f_i')_{i ∈ }$ in der Nähe von $z_0$ gleichmäßig gegen $f'$ konvergiert.
Wähle dazu einen Radius $r ∈ ℝ⁺$, sodass die abgeschlossene Kreisscheibe
$\overline{B_r(z_0)}$ ganz in $U$ liegt. Dann wissen wir nach dem
Satz~\ref{satz:4-4-2} von Goursat schon: für jede Zahl $w$ aus dem Inneren der
Kreisscheibe, $w ∈ B_r(z_0)$ gelten die Gleichungen
\begin{align*}
f'(w) & = \frac{1}{2πi} \int_{∂B_r(z_0)} \frac{f(z)}{(z-w)²}\,dz \\
f_i'(w) & = \frac{1}{2πi} \int_{∂B_r(z_0)} \frac{f_i(z)}{(z-w)²}\,dz
\end{align*}
Betrachte als Nächstes die Hilfsabbildungen
\begin{align*}
φ: ∂B_r(z) B_r(z_0) & & (z, w) &\frac{f(z)}{(z-w)²} \\
φ_i: ∂B_r(z) B_r(z_0) & & (z, w) &\frac{f_i(z)}{(z-w)²}.
\end{align*}
Dann ist klar: auf der kompakten Menge $∂B_r(z_0) \overline{B_{r/2}(z_0)}$
konvergiert die Funktionenfolge $φ_i$ gleichmäßig gegen $φ$. Also konvergiert
die Funktionenfolge $f_i'$ auf $\overline{B_{r/2}(z_0)}$ gleichmäßig gegen
$f'$.
Insgesamt sehen wir: jedes Kompaktum $K ⊂ U$ ist von endlich vielen
abgeschlossenen Kreisscheiben überdeckt, auf denen $f_i'$ gleichmäßig gegen
$f'$ konvergiert, also liegt kompakte Konvergenz vor.
\end{proof}
\begin{kor}[Potenzreihen und Holomorphie]\label{kor:6-1-2}%
Es sei $\sum_{i=0}^∞ a_i (z-ρ)$ eine Potenzreihe mit Entwicklungspunkt $ρ$
und Konvergenzradius $r > 0$. Weiter sei $f: B_r(ρ)$ die zugehörige
Funktion. Dann gilt:
\begin{enumerate}
\item Die Funktion $f$ ist holomorph, $f ∈ 𝒪(B_r(ρ))$.
\item Der Konvergenzradius der Potenzreihe $\sum_{i=1}^∞ i · a_i (z-ρ)^{i-1}$
ist mindestens gleich $r$. Auf der Kreisscheibe $B_r(ρ)$ ist die zugehörige
Funktion exakt die Ableitung $f'$. \qed
\end{enumerate}
\end{kor}
\section{Holomorphe Funktionen liefern Potenzreihen}
\begin{proberechnung}[Konstruktion von Potenzeihen]\label{prorech:6-1-2}%
Es sei $r > 0$ und es sei $f ∈ 𝒪(B_r(0))$. Wenn $ρ < r$ eine positive Zahl
ist, dann nach der Integralformel von Cauchy, Satz~\ref{satz:4-4-1}, für jede
Zahl $w ∈ B_ρ(0)$ die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:6-0-6-1}
f(w) = \frac{1}{2πi} \int_{∂B_ρ(0)} \frac{f(z)}{z - w}\,dz.
\end{equation}
Wenn jetzt zwei Zahlen $z ∈ ∂B_ρ(0)$ und $w ∈ B_ρ(0)$ gegeben sind, dann ist
$|\frac{w}{z}|< 1$ und deshalb gilt die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:6-0-6-2}
\frac{1}{z-w} = \frac{1}{z} · \frac{1}{1 - w/z} = \frac{1}{z} · \sum_{i=0}^
\left(\frac{w}{z}\right)ⁱ.
\end{equation}
Also gilt für jede Zahl $w ∈ B_ρ(0)$ die Gleichung
\begin{align*}
f(w) & = \frac{1}{2πi} \int_{∂B_ρ(0)} \frac{f(z)}{z - w}\,dz && \eqref{eq:6-0-6-1} \\
& = \frac{1}{2πi} \int_{∂B_ρ(0)} \frac{f(z)}{z} \sum_{i=0}^\left(\frac{w}{z}\right)ⁱ\,dz && \eqref{eq:6-0-6-2} \\
& = \frac{1}{2πi} \sum_{i=0}^\int_{∂B_ρ(0)} \frac{f(z)}{z^{i+1}} · wⁱ\,dz && \text{kompakte Konvergenz} \\
& = \sum_{i=0}^\underbrace{\left( \frac{1}{2πi}·\int_{∂B_ρ(0)} \frac{f(z)}{z^{i+1}}\,dz \right)}_{:= a_i} · wⁱ.
\end{align*}
Nach dem Integralsatz von Cauchy hängen die Zahlen $a_i$ aber gar nicht von
der Wahl von $ρ$ ab! Die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:6-0-6-3}
f(w) = \sum_{i=0}^∞ a_i wⁱ
\end{equation}
gilt also für alle $w ∈ B_r(0)$. Insbesondere ist der Konvergenzradius der
Potenzreihe \eqref{eq:6-0-6-3} mindestens gleich $r$.
\end{proberechnung}
Die Proberechnung funktioniert natürlich nicht nur bei Kreisscheiben um den
Nullpunkt. In der Summe haben wir folgenden Satz bewiesen.
\begin{satz}[Potenzreihendarstellung holomorpher Funktionen]\label{satz:6-0-7}%
Es sei $B_r(ρ)$ eine Kreisscheibe und $f ∈ 𝒪(B_r(ρ))$ eine holomorphe
Funktion. Dann kann $f$ auf ganz $B_r(ρ)$ als Potenzreihe dargestellt werden.
Genauer: Es existiert Potenzreihe $\sum_{i=0}^∞ a_i (z-ρ)$ mit
Entwicklungspunkt $ρ$ und Konvergenzradius $≥ r$, sodass für jede Zahl $z ∈
B_r(ρ)$ die Gleichung $f(z) = \sum_{i=0}^∞ a_i (z-ρ)$ gilt. \qed
\end{satz}
Umkehrung die Umkehrung von Satz~\ref{satz:6-0-7} gilt natürlich auch:
Funktionen, die als Potenzreihen dargestellt werden können, sind nach
Korollar~\ref{kor:6-1-2} holomorph.
\subsection{Praktische Fragen}
\begin{frage}[Muss ich Integrale ausrechnen?!]
Gegeben eine Kreisscheibe $B_r(ρ)$ und eine holomorphe Funktion $f ∈
𝒪(B_r(ρ))$. Wie komme ich an die Darstellung von $f$ als Potenzreihe? Muss
ich die Integrale aus Proberechnung~\ref{prorech:6-1-2} wirklich ausrechnen?
\end{frage}
Die beruhigende Antwort ist ein klares „Nein!“ Wenn ich bereits weiß, dass es
eine Darstellung von $f$ als Potenzreihe gibt,
\begin{equation}\label{eq:6-2-3-1}
f(z) = \sum a_i (z-ρ)ⁱ,
\end{equation}
dann ist $a_0 = f(ρ)$. Außerdem haben wir in
Korollar~\ref{prop:potenzreihe-holomorph} bewiesen, dass
\[
f'(z) = \sum_{i=1}^∞ a_i · i (z-ρ)^{i-1}
\]
ist. Insgesamt gilt damit für jeden Index $i$,
\[
a_i = \frac{f^{(i)}(ρ)}{i!}.
\]
Diese Formel hat zwei interessante Konsequenzen.
\begin{enumerate}
\item Die Darstellung \eqref{eq:6-2-3-1} ist also einfach die aus der
Vorlesung „Analysis~I“ bekannte Taylor\footnote{Brook Taylor (* 18.~August
1685 in Edmonton, Middlesex; † 29.~Dezember 1731 in Somerset House, London)
war ein britischer Mathematiker und Mitglied der Royal Society. Nach ihm
wurde unter anderem die Taylorreihe benannt.}-Reihe.
\item Die Darstellung von $f$ als Potenzreihe mit Entwicklungspunkt $ρ$ ist
eindeutig!
\end{enumerate}
\begin{bemerkung}
Manchmal tritt folgende Situation auf: gegeben eine Kreisscheibe $B_r(ρ)$ und
eine holomorphe Funktion $f ∈ 𝒪(B_r(ρ))$. Dann schreibe ich $f$ als
Potenzreihe mit Entwicklungspunkt $ρ$ und stelle fest, dass der
Konvergenzradius $\tilde R > r$ ist. In dieser Situation ist \emph{sofort}
klar, dass ich $f$ zu einer holomorphen Funktion auf der größeren Kreisscheibe
$B_{\tilde R}(ρ)$ fortsetzen kann.
Falls $r = \tilde R$ ist, dann ist klar, dass ich $f$ niemals auf einer
größeren Kreisscheibe fortsetzen kann. Es könnte aber sein, dass ich $f$ zu
einer holomorphen Funktion auf einer offenen Menge $U$ fortsetzen kann, die
zwar größer als $B_r(ρ)$ ist, aber keine Kreisschreiben um $ρ$ mit Radius $>
r$ enthält.
\end{bemerkung}
% !TEX root = Funktionentheorie