168 lines
6.4 KiB
TeX
168 lines
6.4 KiB
TeX
% spell checker language
|
||
\selectlanguage{german}
|
||
|
||
\chapter{Differenzierbarkeit}
|
||
|
||
\section{Holomorphe Funktionen}
|
||
|
||
Wir definieren in wenigen Zeilen, komplexe Differenzierbarkeit von Funktionen
|
||
$ℂ → ℂ$. Vorher erinnern wir kurz an die relevanten Begriffe aus den
|
||
Analysis-Vorlesungen.
|
||
|
||
\begin{definition}[Reelle Differenzierbarkeit]\label{def:2-1-1}
|
||
Es sei $U ⊂ ℝ$ offen und $p ∈ U$. Eine Funktion $f: U → ℝ$ ist
|
||
bei $p$ differenzierbar mit Ableitung $δ ∈ ℝ$, wenn
|
||
\[
|
||
\lim_{h → 0} \frac{f(p+h) - f(p)}{h} = δ
|
||
\]
|
||
ist.
|
||
\end{definition}
|
||
|
||
\begin{bemerkung}
|
||
Reell differenzierbare Funktionen sind stetig. Es gelten die Summenregel,
|
||
Produktregel, Quotientenregel, Kettenregel, …
|
||
\end{bemerkung}
|
||
|
||
\begin{definition}[Komplexe Differenzierbarkeit]\label{def:2-1-3}
|
||
Es sei $U ⊂ ℂ$ offen und $p ∈ U$. Eine Funktion $f: U → ℂ$ ist
|
||
bei $p$ komplex differenzierbar\index{komplex differenzierbar} mit Ableitung
|
||
$δ ∈ ℂ$, wenn
|
||
\[
|
||
\lim_{h → 0} \frac{f(p+h) - f(p)}{h} = δ
|
||
\]
|
||
ist.
|
||
\end{definition}
|
||
|
||
\begin{bemerkung}
|
||
Genau wie in der Vorlesung „Analysis“ beweist man: komplex differenzierbare
|
||
Funktionen sind stetig. Es gelten die Summenregel, Produktregel,
|
||
Quotientenregel, Kettenregel, …
|
||
\end{bemerkung}
|
||
|
||
\begin{definition}[Holomorphie an einem Punkt]
|
||
Es sei $U ⊂ ℂ$ offen und $p ∈ U$. Eine Funktion $f: U → ℂ$ heißt
|
||
„holomorph\index{holomorph} bei $p$“, wenn es eine offene Umgebung $p ∈ V ⊂ U$
|
||
gibt, sodass $f$ bei jedem Punkt aus $V$ komplex differenzierbar ist. Die
|
||
Menge der Funktionen, die bei $p$ holomorph sind, wird mit $𝒪_p$ bezeichnet.
|
||
\end{definition}
|
||
|
||
\begin{definition}[Holomorphie auf einer offenen Menge]
|
||
Es sei $U ⊂ ℂ$ offen und $p ∈ U$. Eine Funktion $f: U → ℂ$ heißt „holomorph
|
||
auf $U$“, wenn $f$ bei jedem Punkt aus $U$ komplex differenzierbar ist. In
|
||
diesem Fall wird die Ableitungsfunktion mit $f' : U → ℂ$ bezeichnet. Die
|
||
Menge der Funktionen, die auf $U$ holomorph sind, wird mit $𝒪(U)$
|
||
bezeichnet.
|
||
\end{definition}
|
||
|
||
|
||
\section{Komplex Differenzierbarkeit und Differenzierbarkeit}
|
||
|
||
Definitionen~\ref{def:2-1-1} und \ref{def:2-1-3} sehen völlig gleich aus. Das
|
||
wirft die Frage auf: Ist komplexe Differenzierbarkeit wirklich ein neuer
|
||
Begriff? Gibt es einen Unterschied zum Begriff der Differenzierbarkeit von
|
||
Abbildungen $ℝ² → ℝ²$, den wir schon lange aus der Vorlesung „Analysis“ kennen?
|
||
|
||
\begin{erinnerung}[Differenzierbarkeit von Abbildungen $ℝ² → ℝ²$]
|
||
Es sei $U ⊂ ℝ²$ offen und $p ∈ U$. Eine Abbildung $f: U → ℝ²$ heißt bei $p$
|
||
differenzierbar mit Ableitungsmatrix $A ∈ \text{Mat}(2 ⨯ 2, ℝ)$, wenn
|
||
\[
|
||
\lim_{h → 0} \frac{|f(p+h) - f(p) - A · h|}{|h|} = 0.
|
||
\]
|
||
Dabei bedeutet der Limes: für alle Nullfolgen $(h_n)$ aus $ℝ²$ ist
|
||
\[
|
||
\lim_{n → ∞} \frac{|f(p+h_n) - f(p) - A · h_n|}{|h_n|} = 0.
|
||
\]
|
||
Falls $f$ bei $p$ differenzierbar ist, dann wissen wir auch genau, wie die
|
||
Ableitungsmatrix $A$ aussieht. Dazu schreiben wir die Funktion $f$ zuerst in
|
||
Komponenten,
|
||
\[
|
||
f(x,y) = \begin{pmatrix} f_1(x,y) \\ f_2(x,y) \end{pmatrix}.
|
||
\]
|
||
Dann ist $A$ die Matrix der partiellen Ableitungen,
|
||
\[
|
||
A = \begin{pmatrix} \frac{∂}{∂ x}f_1(p) & \frac{∂}{∂ y} f_1(p) \\ \frac{∂}{∂ x} f_2(p) & \frac{∂}{∂ y} f_2(p) \end{pmatrix}.
|
||
\]
|
||
\end{erinnerung}
|
||
|
||
|
||
\subsubsection{Proberechnungen}
|
||
|
||
Um den Unterschied von reeller und komplexer Differenzierbarkeit zu verstehen,
|
||
machen wir in diesem Abschnitt eine große Proberechnung. Es sei $U ⊂ ℂ$ offen
|
||
und $p ∈ U$. Weiter sei $f: U → ℂ$ bei $p$ komplex differenzierbar mit
|
||
Ableitung $δ = d_1 + i · d_2$. Es gilt also
|
||
\[
|
||
\lim_{h → 0} \frac{f(p+h) - f(p)}{h} = δ = d_1 + i · d_2.
|
||
\]
|
||
Dabei bedeutet der Limes: für alle Nullfolgen $(h_n)$ aus $ℂ$ ist
|
||
\begin{equation}\label{eq:2-2-1-1}
|
||
\lim_{n → ∞} \frac{f(p+h_n) - f(p)}{h_n} = δ = d_1 + i · d_2.
|
||
\end{equation}
|
||
Um das jetzt besser zu verstehen, schreiben wir $p$ und $f$ zuerst einmal in
|
||
Komponenten,
|
||
\[
|
||
p = p_1 + i·p_2
|
||
\quad\text{und}\quad
|
||
f(x + iy) = f_1(x,y) + i · f_2(x,y).
|
||
\]
|
||
|
||
\paragraph{Spezialfall: $h_n$ ist eine rein reelle Folge}
|
||
|
||
Die Gleichung~\eqref{eq:2-2-1-1} gilt für alle Nullfolgen. Betrachten wir also
|
||
zuerst den Fall, wo $h_n$ eine Folge von reellen Zahlen ist. Dann ist
|
||
\begin{align*}
|
||
d_1 + i·d_2 &= \frac{f(p+h_n) - f(p)}{h_n}\\
|
||
& = \lim_{n → ∞} \frac{f_1(p_1 + h_n, p_2) + i·f_2(p_1 + h_n, p_2) - f_1(p_1, p_2) - i·f_2(p_1, p_2)}{h_n} \\
|
||
& = \frac{∂}{∂ x}f_1(p_1, p_2) + i \frac{∂}{∂ x} f_2(p_1, p_2).
|
||
\end{align*}
|
||
Wir sehen:
|
||
\begin{equation}\label{eq:2-2-1-2}
|
||
\frac{∂}{∂ x} f_1(p) = d_1
|
||
\quad\text{und}\quad
|
||
\frac{∂}{∂ x} f_2(p) = d_2.
|
||
\end{equation}
|
||
|
||
\paragraph{Spezialfall: $h_n$ ist eine rein imaginäre Folge}
|
||
|
||
Die Gleichung~\eqref{eq:2-2-1-1} gilt für alle Nullfolgen. Betrachten wir also
|
||
als nächstes Folgen der Form $i·h_n$, wo $h_n$ eine Folge von reellen Zahlen
|
||
ist. Dann ist
|
||
\begin{align*}
|
||
d_1 + i·d_2 &= \frac{f(p+h_n) - f(p)}{i·h_n}\\
|
||
& = \lim_{n → ∞} \frac{f_1(p_1, p_2 + h_n) + i·f_2(p_1, p_2 + h_n) - f_1(p_1, p_2) - i·f_2(p_1, p_2)}{i·h_n} \\
|
||
& = -i·\lim_{n → ∞} \frac{f_1(p_1, p_2 + h_n) + i·f_2(p_1, p_2 + h_n) - f_1(p_1, p_2) - i·f_2(p_1, p_2)}{h_n} \\
|
||
& = -i·\left(\frac{∂}{∂ y}f_1(p_1, p_2) + i \frac{∂}{∂ y} f_2(p_1, p_2)\right) \\
|
||
& = \frac{∂}{∂ y} f_2(p_1, p_2)-i·\frac{∂}{∂ y}f_1(p_1, p_2).
|
||
\end{align*}
|
||
Wir sehen:
|
||
\begin{equation}\label{eq:2-2-1-3}
|
||
\frac{∂}{∂ y} f_2(p) = d_1
|
||
\quad\text{und}\quad
|
||
\frac{∂}{∂ y} f_1(p) = -d_2.
|
||
\end{equation}
|
||
Wir beenden die Proberechnungen hier. Als Konsequenz halten wir Folgendes fest.
|
||
|
||
\begin{prop}[Cauchy-Riemann Gleichungen]
|
||
Es sei $U ⊂ ℂ$ offen und $p ∈ U$. Weiter sei $f: U → ℂ$ bei $p$ komplex
|
||
differenzierbar. Schreibe $f$ in Komponenten, $f$ in Komponenten, $f = f_1 +
|
||
i · f_2$, mit $f_1, f_2 : U → ℝ$. Dann ist
|
||
\begin{equation}\label{eq:2-2-2-1}
|
||
\frac{∂}{∂ x} f_1(p) = \frac{∂}{∂ y} f_2(p)
|
||
\quad\text{und}\quad
|
||
\frac{∂}{∂ y} f_1(p) = -\frac{∂}{∂ x} f_2(p).
|
||
\end{equation}
|
||
\end{prop}
|
||
\begin{proof}
|
||
Vergleiche~\eqref{eq:2-2-1-2} und \eqref{eq:2-2-1-3}.
|
||
\end{proof}
|
||
|
||
\begin{notation}[Cauchy-Riemann Gleichungen]
|
||
Man nennt das Gleichungssystem~\eqref{eq:2-2-2-1} die „Cauchy-Riemann
|
||
partiellen Differenzialgleichungen“\index{Cauchy-Riemann Gleichungen}.
|
||
\end{notation}
|
||
|
||
|
||
|
||
% !TEX root = LineareAlgebra2
|
||
|