Priprava Teorija Mat4
Table of Contents
- 1. Holomorfne funkcija
- 2. Potenčne vrste
- 3. Integracija kompleksnih funkcij
- 3.1. Definicija 1.17
- 3.2. Trditev 1.14
- 3.3. Trditev 1.15
- 3.4. Definicija 1.18
- 3.5. Lema 1.16
- 3.6. Trditev 1.17
- 3.7. Definicija 1.19
- 3.8. Definicija spoja krivulj
- 3.9. Trditev 1.18
- 3.10. Trditev 1.18b
- 3.11. Trditev 1.20
- 3.12. Posledica 1.20 [ni v skripti]
- 3.13. Izrek 1.22
- 3.14. Definicija 1.20
- 3.15. Trditev/Lema 1.23
- 3.16. Izrek 1.24
- 3.17. Cauchyjev izrek 1.25a
- 3.18. Cauchyjev izrek za območja 1.25b
- 3.19. Izrek 1.26 (Cauchyjeva formula)
- 3.20. Izrek 1.26a (Cauchyjeva formula za območje)
- 3.21. Posledica 1.27
- 3.22. Posledica
- 3.23. Posledica 1.28
- 3.24. Izrek 1.30 (Cauchyjeva ocena)
- 3.25. Izrek 1.31 (Liouvilleov izrek)
- 3.26. Izrek 1.32 (Osnovni izrek algebre)
- 4. Ničle holomorfnih funkcij
- 5. Razvoj v Laurentovo vrsto
- 6. Logaritem in potence
- 7. Izrek o residuih
- 8. Izrek o odprti preslikavi in njegove posledice
- 9. Biholomorfne preslikave kroga didnt_look_at_it
- 10. Ulomljene linearne transformacije didnt_look_at_it
- 11. Kompleksna \( \Gamma \) funkcija didnt_look_at_it
- 12. Harmonične funkcije
- 12.1. Definicija 2.1
- 12.2. Definicija 2.2
- 12.3. Trditev 2.1
- 12.4. Posledica 2.2
- 12.5. Izrek 2.3 (Izrek o povprečni vrednosti)
- 12.6. Izrek 2.4 (Princip maksima in minima)
- 12.7. Definicija 2.3 (Dirichletov problem za krog) anki
- 12.8. Definicija 2.4
- 12.9. Trditev
- 12.10. Trditev 2.5
- 12.11. Izrek 2.6 (Poissonova formula)
- 12.12. Posledica 2.7
- 12.13. Trditev 2.8 (rešitev Dirichletovega problema)
- 12.14. Definicija
- 12.15. Izrek 2.9 (Greenove identitete)
- 12.16. Posledica 2.10
- 12.17. Izrek 2.11 (izrek o povprečni vrednosti)
- 12.18. Izrek 2.12 (Princip maksima in minima)
- 12.19. Definicija 2.5 (Dirichletov problem v \( \mathbb{R} ^3 \))
- 12.20. Definicija 2.6
- 13. Fourierova transformacija
- 14. Konvolucija
- 15. Inverzna Fourierova transformacija
- 16. Diferencialne enačbe v kompleksni ravnini
- 17. Besselova diferencialna enačba
- 18. Legendrova diferencialna enačba
- 19. Pridruženi Legendrovi polinomi
- 20. Hermitovi polinomi
- 21. Sturm-Liouvilleov problem
- 22. Sturm-Liouvilleov problem z utežjo
1. Holomorfne funkcija
1.1. Trditev
Predpostavke:
- P1: \( f: X \to \mathbb{C} \) zvezna
- P2: \( A \subseteq X \) povezana množica
\( f (A) \) je povezana.
Predpostavka P3: \( f(A) \) ni povezana.
A1: \( U, V \in \mathbb{C} \) odprti
A2: \( U \cap V = \emptyset \)
Dokaži:
\[ f(A) = \left( U \cap f (A) \right) \cup \left( V \cap f(A) \right) \]
kjer sta preseka neprazna.
Dokaz: Po predpostavki P3 ter definiciji povezanosti.
A3: \( U' = f^{-1} (U) \)
A4: \( V ' = f^{-1} (V) \)
Dokaži: \( U', V' \) odprti
Dokaz: Funkcija \( f \) je zvezna, za \( f: U \to \mathbb{C} \) je zvezna \( \iff \) \( f^{-1} (V) \) je odprta za vsako odprto množico \( V \subseteq C \)
\( U' \cap V' = \emptyset \)
Dokaz: Brez dokaza.
\( A \cap U' \ne \emptyset \) in \( A \cap V' = \emptyset \)
Dokaz: Brez dokaza.
\( A = \left( A \cap U' \right) \cup \left( A \cap V ' \right) \)
Dokaz: Po definiciji povezanosti ter točkah <1>3 in <1>4.
QED
Dokaz: Točka <1>5 je v protislovju s predpostavko P2, da je množica \( A \) povezana.
1.2. Definicija
- P1: \( z = x + \mathrm{i} y \)
- P2: \( h = h_1 + \mathrm{i} h_2 \)
Funkcija \( f: U \to \mathbb{C}, \ f(z) = u(x, y) + \mathrm{i} v (x, y) \).
Diferenciabilnost za funkciji \( u, v \) definiramo kot
\begin{align*} u (x + h_1, y + h_2) &= u(x, y) + u_x (x, y) \cdot h_1 + u_y (x, y) \cdot h_2 + o_1 (h)\\ v (x + h_1, y + h_2) &= v(x, y) + v_x (x, y) \cdot h_1 + v_y (x, y) \cdot h_2 + o_2 (h) \end{align*}kjer velja
\[ \lim_{h \to 0} \frac{o_1 (h)}{ \left| h \right|} = 0 \]
ter
\[ \lim_{h \to 0} \frac{o_2 (h)}{\left| h \right|} = 0 \]
1.3. Trditev
Predpostavke:
- P1: \( U \subseteq \mathbb{C} \)
- P2: Pot \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \)
- P3: Pot \( \delta: [c, d] \to \mathbb{C} \)
- P4: \( \gamma, \delta \in U \)
- P5: \( z_0 \in U \)
- P6: \( \gamma(t_0) = \delta(s_0) = z_0 \)
- P7: \( \gamma, \delta \) regularni, \( \dot{\gamma}(t_0) \ne \dot{\delta}(s_0) \ne 0) \)
- P8: \( f: U \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P9: \( f'(z_0) \ne 0 \)
Kot med \( f \circ \gamma \) in \( f \circ \delta \) v \( f(z_0) \) je enak kotu med \( \gamma \) in \( \delta \) v \( z_0 \)
Tangentni vektor na tir poti \( \gamma \) v \( z_0 \) v polarnem zapisu
\[ \dot{\gamma} (t_0) = \left| \dot{\gamma}(t_0) \right|e^{\mathrm{i} \alpha} \]
Tangentni vektor na tir pot \( \delta \) v \( z_0 \) v polarnem zapisu
\[ \dot{\delta} (s_0) = \left| \dot{\delta}(s_0) \right| e^{\mathrm{i} \beta} \]
Kot med \( \delta \) in \( \gamma \) v \( z_0 \) je \( \alpha - \beta \)
D: Kot \( \gamma \) in \( \delta \) je definiran kot kot med tangentnima vektorja, iz točk <1>1 in <1>2 sledi \( \alpha - \beta \).
- \( f'(z_0) = \left| f'(z_0) \right| e^{\mathrm{i} \phi}\)
\( \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} f\circ \gamma (t_0) = f' (z_0) \dot{\gamma} (t_0) \)
D: Definicija tangentnega vektorja na pot \( f \circ \gamma \).
\( f'(z_0) \dot{\gamma} (t_0) = \left|f (z_0) \right| \left| \dot{\gamma} (t_0) \right| e^{\mathrm{i} \left( \alpha + \phi \right)}\)
D: Točke <1>1 in <1>5
\( \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \left( f \circ \delta \right) (s_0) = f' (z_0) \dot{\delta}(s_0) \)
D: Definicija tangentnega vektorja na pot \( f \circ \delta \).
- \( f' (z_0) \dot{\delta}(s_0) = \left| f'(z_0) \right| \left| \dot{\delta}(s_0) \right| e^{\mathrm{i} (\phi + \beta)} \)
Kot med \( f\circ \gamma \) in \( f \circ \delta \)
\[ \alpha - \beta \]
D: Kot med potema je kot med tangentnima vektorjema.
QED
D: V točki <1> 9 smo dokazali, da je kot med \( f\circ \gamma \) in \( f \circ \delta \) v \( z_0 \) enak kotu <1>3
2. Potenčne vrste
2.1. Izrek 1.9
- P1: potenčna vrsta \( f(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left( z - \alpha \right)^n \)
- P2: \( R \) konvergenčni polmer \( f(z) \)
Potenčna vrsta konvergira absolutno na \( \mathcal{D}(\alpha, R) \) in enakomerno na kompaktnih podmnožicah v \( \mathcal{D} (\alpha, R) \).
Potenčna vrsta divergira zunaj \( \bar{\mathcal{D}} (\alpha, R) \)
2.2. Izrek 1.10a
- P1: Potenčna vrsta \( f(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n z^n \)
- P2: Konvergenčni polmer \( f(z) \) je \( R > 0 \)
Potenčna vrsta
\[ g(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} n a_n z^{n - 1} \]
ima enak konvergenčni radij.
A1: \( R' \) konvergenčni radij \( g(z) \)
\[ \frac{1}{R'} = \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{\left| n a_n \right|} \]
D: Definicija konvergenčnega polmera
\[ \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{\left| n a_n \right|} = \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{n} \sqrt{\left| a_n \right|} \]
D: Produkt limit je limita produkta
\[ \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{n} \sqrt{\left| a_n \right|} = \limsup_{n \to \infty} \sqrt{\left| a_n \right|} = \frac{1}{R} \]
D: Limita \( \sqrt[n]{n} \) gre proti 1, ko gre \( n \to \infty \) ter definicija konvergenčnega radija vrste \( f(z) \)
QED
D: Dokazali smo, da sta konvergenčna radija \( g(z) \) in \( f(z) \) enaka.
2.3. Izrek 1.10b
- P1: \( f(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n z^n \) potenčna vrsta
- P2: \( g(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} n a_n z^n \) potenčna vrsta
- P3: \( R \) konvergenčni polmer \( f(z) \) in \( g(z) \)
Funkcija \( f \) je holomorfna na krogu \( \mathcal{D}(0, R) \) in velja
\[ f'(z) = g(z) \]
A1: \( \rho < R \)
A2: \( w, z \in \bar{D} (0, \rho) \)
\[ \left| \frac{f(w) - f(z)}{w - z} - g(z) \right| \to 0, \ w \to z \]
\[ \left| \frac{f(w) - f(z)}{w - z} - g(z) \right| = \left| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \frac{w^n - z^n}{w - z} - \sum\limits_{n = 0}^{\infty} n a_n z^{n - 1} \right| \]
D: Definicija potenčne vrste
\[ \left| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left[ \frac{\left( w - z \right) \left( w ^{ n - 1} + w^{n - 2} z + \ldots + z^{n - 2} w + z^{ n- 1} - n z^{n- 1} \right)}{w - z} \right] \right| \]
D: Razlika \( n \) potenčnikov
\[ \left| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left( w^{n - 1} - z^{n - 1} + w^{n - 2} z - z^{n - 1} + \ldots + wz^{n- 2} - z^{n - 1} + z^{n- 1} - z ^{n -1} \right) \right| \]
D: \( z^{n - 1} n = z^{n - 1} + \ldots + z^{n - 1} \)
\[ \left| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left[ (w - z) (w^{n - 2} + w^{n - 3} z + \ldots + w z^{n - 3} + z^{n - 2}) + z (w - z) \left( w^{n - 3} + w^{n - 4} z + \ldots + w z ^{n - 4} + z^{n -3} \right) + \ldots z^{n -2} (w - z) \right] \right| \]
D: Razlika \( n - i \) potenčnikov
\[ \left| (w - z) \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left( w^{n - 2} + 2 w^{n - 3}z + 3 w^{n -4} z^2 + \ldots + (n -1 ) z^{n - 2} \right) \right| \]
D: izpostavili smo \( (w - z) \) in sešteli člene z istimi potencami
\[ \le \left| w - z \right| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left| a_n \right| \left[ \left| w \right| ^{n - 2} + 2 \left| w \right| ^{n - 3} \left| z \right| + \ldots + (n - 1) \left| z \right| ^{n - 2} \right] \]
D: \( \left| a + b\right| \le \left| a \right| + \left| b \right|\)
- \[ \le \left| w - z \right| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left| a_n \right| \left( \rho^{ n - 2} + 2 \rho^{n - 2} + 3 \rho^{n - 2} + \ldots + (n - 1) \rho^{n - 2} \right) \] D: A2 ter ocena navzgor, \( \left| w \right| , \left| z \right| \le \rho \)
\[ \left| w - z \right| \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left| a_n \right| \rho^{n - 2} \left( 1 + 2 + \ldots + n - 1 \right) \]
D: izpostavljen \( \rho^{n - 2} \)
\[ \frac{\left| w - z \right|}{2} \sum\limits_{n = 0}^{\infty} n (n - 1) \left| a_n \right| \rho^{n - 2} \]
D: Vsota \( n \) naravnih členov.
\[ \sum\limits_{n = 0}^{\infty} n (n - 1) \rho^{n -2} \]
konvergira \( \mathcal{D} (0, R) \)
D: P3 in A1 sledi, da vrsta konvergira.
A3 : \( M = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} \left| a_n \right| n (n - 1) \rho^{ n - 2}\)
\[ \lim_{z \to w} \left| \frac{f(w) - f(z)}{w - z} - g(z) \right| \le \frac{1}{2} M \lim_{z \to w} \left| z - w \right| = 0 \]
- QED D: Razlika \( f'(z) \) in \( g(z) \) je enaka 0, torej sta enaka
- QED
2.4. Izrek 1.11
- P1: \( f(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left( z - \alpha \right)^n \) konvergentna na \( \mathcal{D}(\alpha, R) \)
- P2: \( R \) konvergenčni radij \( f(z) \)
\( f(z) \) je neskončnokrat odvedljiva na krogu \( \mathcal{D}(\alpha, R) \).
Za \( k \in \mathbb{N} \) velja
\[ a_k = \frac{f^{(k)} (\alpha)}{k!} \]
Dokaz z indukcijo.
3. Integracija kompleksnih funkcij
3.1. Definicija 1.17
- P1: \( u, v :[a, b] \to \mathbb{R} \) Riemannovo integrabilni funkciji
- P2: \( f = u + \mathrm{i} v : [a, b] \to \mathbb{C} \)
Definiramo integral funkcije \( f \) kot
\[ \int\limits_a^b f(t) \, \mathrm{d} t = \int\limits_a^b u(t) \, \mathrm{d} t + \mathrm{i} \int\limits_a^{ b} v(t) \, \mathrm{d} t \]
3.2. Trditev 1.14
- P1: \( f, g: [a, b] \to \mathbb{C} \) integrabilni funkciji
- P2: \( \alpha, \beta \in \mathbb{C} \)
\[ \int\limits_a^b \left( \alpha f+ \beta g \right) \, \mathrm{d} t = \alpha \int\limits_a^b f(t) \, \mathrm{d} t + \beta \int\limits_{a }^b g(t) \, \mathrm{d} t \]
3.3. Trditev 1.15
- P1 \( f: [a, b] \to \mathbb{C} \) integrabilna funkcija
\[ \left| \int\limits_a^b f(t) \, \mathrm{d} t \right| \le \int\limits_a^b \left| f(t) \right| \, \mathrm{d} t \]
A1: Riemannova vstoa \( R = \sum\limits_{j = 1}^n f(\xi_j) \left( x_j - x_{j- 1} \right) \)
\[ \left| R \right| \le \sum\limits_{j = 1}^n \left| f \left( \xi_j \right) \right| \left( x_j - x_{j -1} \right) \]
D: Trikotniška neenakost
QED
D: Ko gre \( n \to \infty \), velja.
3.4. Definicija 1.18
- P1: \( D \subset \mathbb{C} \)
- P2: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) zvezno odvedljiva pot
- P3: \( \gamma = \gamma_1 + \mathrm{i} \gamma_2 \), \( \gamma_1, \gamma_2 : [a, b] \to \mathbb{R} \) zvezno odvedljivi
Če je \( f : D \to \mathbb{C} \) zvezna, definiramo
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_a^b f (\gamma(t)) \dot{\gamma}(t) \, \mathrm{d} t \]
Integral je integral funkcije \( f(z) \) po poti \( \gamma \).
Če je \( \gamma \) kosoma zvezno odvedljiva, potem interval \( [a, b] \) razdelimo na podintervale \( [t_{j - 1}, t_j] \), na kateri je \( \gamma \) zvezno odvedljiva. Označimo \( \gamma_j : [t_{j - 1}, t_j] \to D \) skrčitev poti \( \gamma \) na interval \( [t_{j - 1}, t_j] \). Velja
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \sum\limits_{j = 1}^n \int\limits_{t_{j - 1}}^{t_j} f(\gamma_j (t)) \dot{\gamma}_j (t) \, \mathrm{d} t \]
3.5. Lema 1.16
Za to, da drži lema, morajo veljati pogoji definicije 1.18
- P1: \( D \subset \mathbb{C} \)
- P2: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) zvezno odvedljiva pot
- P3: \( \gamma = \gamma_1 + \mathrm{i} \gamma_2 \), \( \gamma_1, \gamma_2 : [a, b] \to \mathbb{R} \) zvezno odvedljivi
- P4: \( f:D \to \mathbb{C} \) zvezna
\[ \left| \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \right| \le \int\limits_{\gamma}^{} \left| f(z) \right| \, \mathrm{d} z \]
kjer je \( \mathrm{d} z \) ločni element.
\[ \left| \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \right| = \left| \int\limits_a^b f(\gamma(t)) \dot{\gamma}(t) \, \mathrm{d} t \right| \]
D: Definicija 1.18
\[ \left| \int\limits_a^b f(\gamma(t)) \dot{\gamma}(t) \, \mathrm{d} t \right| \le \int\limits_a^b \left| f(\gamma(t)) \dot{\gamma}(t) \right| \, \mathrm{d} t \]
D: Trditev 1.15
\[ \int\limits_a^b \left| f(\gamma(t)) \dot{\gamma}(t) \right| \, \mathrm{d} t = \int\limits_a^b \left| f(\gamma(t)) \right| \left| \dot{\gamma}(t) \right| \, \mathrm{d} t \]
D: \( \left| a \cdot b \right| = \left| a \right| \left| b \right|\)
A1: \( \left| \dot{\gamma}(t) \right| \, \mathrm{d} t = \mathrm{d} z\)
\[ \int\limits_a^b \left| f(\gamma(t)) \right| \left| \dot{\gamma}(t) \right| \, \mathrm{d} t = \int\limits_a^b \left| f(z) \right| \, \mathrm{d} z \]
D: A1 ter <1>3
- QED
3.6. Trditev 1.17
- P1: \( \phi: [c, d] \to [a, b] \) naraščajoča in zvezno odvedljiva
- P2: \( \gamma:[a, b] \to \mathbb{C} \) zvezno odvedljiva pot
- P3: \( f:[a, b] \to \mathbb{C} \) zvezna
\[ \int\limits_{\gamma \circ \phi}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \]
\[ \int\limits_{\gamma\circ \phi}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_c^d f(\gamma(\phi(t))) \dot{\gamma}(\phi(t)) \dot{\phi}(t) \, \mathrm{d} t \]
D: Definicija integrala funkcije \( f(z) \) po poti \( \gamma \circ \phi \)
C1: nova spremenljivka \( u = \phi(t) \)
\[ \int\limits_c^d f(\gamma(\phi(t))) \dot{\gamma}(\phi(t)) \dot{\phi}(t) \, \mathrm{d} t = \int\limits_{a}^b f (\gamma(u)) \dot{\gamma}(u) \, \mathrm{d} u = \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \]
D: C1 ter definicija ločnega elementa
QED
D: V <1>2 dokažemo, da je enak <1>1
3.7. Definicija 1.19
- P1: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) pot
\( \gamma(a) \) je začetna točka, \( \gamma(b) \) je končna točka.
Za \( \gamma(a) = \gamma(b) \) imamo sklenjeno pot ali zanko.
Za vsako pot \( \gamma \) obstaja nasprotna pot \( \gamma^- (t) = \gamma(a + b - t) \).
3.8. Definicija spoja krivulj
- P1: \( \gamma_1, \gamma_2 : [0, 1] \to \mathbb{C} \)
- P2 \( \gamma_2 (0) = \gamma_1 (1) \)
Spoj funkcij \( \gamma_1 \) in \( \gamma_2 \) definiramo kot
\[ \left( \gamma_1 \cup \gamma_2 \right) = \begin{cases} \gamma_1 (2t), &t \in \left[ 0, \frac{1}{2} \right] \\ \gamma_2 (2t - 1), &t \in \left( \frac{1}{2}, 1 \right] \end{cases} \]
Za interval \( [a, b] \), definiramo novo spremenljivko \( u = \frac{t - a}{b - a} \)
3.9. Trditev 1.18
- P1: \( f: D \to \mathbb{C} \) zvezna funkcija
- P2: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) kosoma zvezno odvedljiva
\[ \int\limits_{\gamma^-}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = - \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \]
\[ \int\limits_{\gamma^{-}}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_a^b f(\gamma(a + b - t)) \dot{\gamma}(a + b - t) \, \left(-\mathrm{d}t \right) \]
D:Definicija funkcije \( f(z) \) po krivulji \( \gamma^- \)
C1: \( u = a + b- t \) nova spremenljivka
\[ \int\limits_b^a f(\gamma(a + b - t)) \dot{\gamma}(a + b - t) \, \mathrm{d} t = - \int\limits_a^b f(\gamma(u)) \dot{\gamma}(u) \, \mathrm{d} u \]
D: C1 ter <1>1
\[ \int\limits_b^a f(\gamma(u)) \dot{\gamma}(u) \, \mathrm{d} u = - \int\limits_a^b f(\gamma(u)) \dot{\gamma}(u) \, \mathrm{d} u = - \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \]
D: Definicija funkcije \( f(z) \) po krivulji \( \gamma \).
- QED
3.10. Trditev 1.18b
- P1: \( f: D \to \mathbb{C} \) zvezna funkcija
P2: \( \gamma_1, \gamma_2: [a, b] \to \mathbb{C} \) kosoma zvezno odvedljiva
\[ \int\limits_{\gamma_1 \cup \gamma_2}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_{\gamma_1}^{} f(z) \, \mathrm{d} z + \int\limits_{\gamma_2}^{} f(z) \, \mathrm{d} z \]
3.11. Trditev 1.20
- P1: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P2: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) zvezno odvedljiva pot v \( D \subseteq \mathbb{C} \)
- P3: \( f \) integrabilna
\[ \int\limits_{\gamma} f'(z) \, \mathrm{d} z = f \left( \gamma (b) \right) - f \left( \gamma(a) \right) \]
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f'(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_a^b f'(\gamma(t)) \dot{\gamma}(t) \, \mathrm{d} t \]
D: Definicija integrala funkcije \( f'(z) \) po poti \( \gamma \).
\[ \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \left( f \circ \gamma \right) = f' \left( \gamma(t) \right) \dot{\gamma}(t) \]
D: Verižno pravilo velja tudi v kompleksnem prostoru.
\[ \int\limits_a^b \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \left( f \circ \gamma \right) \, \mathrm{d} t = \left. \left( f \circ \gamma \right) \right|_a^b \]
D: <1>1 in <1>2
QED
D: <1>3
3.12. Posledica 1.20 [ni v skripti]
- P1: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P2: \( \gamma \) sklenjena pot v \( D \)
\[ \oint\limits_{\gamma}^{} f'(z) \, \mathrm{d} z = 0 \]
3.13. Izrek 1.22
- P1: \( D \) odprto in povezano
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \) zvezna
P3: za vsako sklenjeno pot \( \gamma \) v območju \( D \) velja
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = 0 \]
Obstaja taka holomorfna funkcija \( F: D \to \mathbb{C} \), da je \( F' = f \)
A1: fiksna točka \( a \in D \)
A2: poljubna točka \( z \in D \)
Obstaja neka pot \( \gamma \) med \( a \) in \( z \).
D: Območje \( D \) je povezano.
A3: definiramo \[ F(z) = \int\limits_{\gamma}^{} f(w) \, \mathrm{d} w \]
C3 je dobro definiran.
C3Definicija A4: \( \gamma_1, \gamma_2 \) različni poti od \( a \) do \( z \)
A5: \( \gamma_2^- \) je obratna pot od \( \gamma_2 \)
\[ \int\limits_{\gamma_1 \cup \gamma_2^-}^{} f(w) \, \mathrm{d} w = \int\limits_{\gamma_1}^{} f(w) \, \mathrm{d} w - \int\limits_{\gamma_2}^{} f(w) \, \mathrm{d} w = 0 \]
D: Integral funkcije \( f(w) \) po spoju poti, integral po obratni poti \( \gamma_2 \) ter predpostavka P3
\[ \int\limits_{\gamma_1}^{} f(w) \, \mathrm{d} w = \int\limits_{\gamma_2}^{} f(w) \, \mathrm{d} w \]
D: <1>1
QED
D: \( F(z) \) je dobro definiran, saj je neodvisen od izbire poti.
- \[ \left| \frac{F( + h ) - F(z)}{h} - f(z) \right| \to 0, \ h \to 0
\]
\( h \) je tak, da je \( z + h\in D \)
D: \( D \) je območje = odprto + povezano
A7: \( \gamma_1 \) je pot od \( a \) do \( z \)
A8: \( \gamma_2 \) je daljica \( z \) do \( z + h \)
A9: \( \gamma_3 \) je pot od \( a \) do \( z + h \)
\[ \left| \frac{F(z + h) - F(z) }{h} - f(z) \right| = \left| \frac{1}{h} \left( \int\limits_a^{z + h} f(w) \, \mathrm{d}w - \int\limits_a^z f(w) \, \mathrm{d} w \right) - f(z) \right| \]
D: <1>2, sklenjena krivulja po poti \( \gamma_1 \cup \gamma_2 \cup \gamma_3 \) ter A7 - A9
\[ = \left| \frac{1}{h} \int\limits_z^{z + h} f(w) \, \mathrm{d} w - f(z) \right| \]
D: <1>2 ter sklenjena pot \( \gamma_1 \cup \gamma_2 \cup \gamma_3 \)
\[ f(z) = \frac{1}{h} \int\limits_z^{ z + h} f(z) \, \mathrm{d} w \]
D: \( f(z) \) je konstantna
- \[ \left| \frac{1}{h} \int\limits_z^{ z + h} \left( f (w) - f(z) \right) \, \mathrm{d }w \right| \le \frac{1}{\left| h \right|} \int\limits_z^{ z+ h} \left| f(w) - f(z) \right| \, \mathrm{d}w \]
A10: \( \epsilon, \delta > 0 \)
\[ \frac{1}{ \left| h \right|} \int\limits_z^{ z + h} \left| f(w) - f(z) \right| \, \mathrm{d} w = \frac{1}{\left| h \right|}\int\limits_z^{z + h} \epsilon \, \mathrm{d} w = \epsilon \]
D: \( f \) je zvezna, kar pomeni, da za \( w \in D \), da je \( \left| w - z \right| < \delta \), kar pomeni, da je \( \left| f(w) - f(z) \right| < \epsilon \) ter integral konstante.
QED
Razlika v <1>3 je manjša od poljubnega \( \epsilon > 0 \).
QED
D: \( F' = f \) iz <1>3
3.14. Definicija 1.20
- P1: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) sklenjena pot
- P2: \( \gamma^{\ast} \) tir poti \( \gamma \)
Za vsak \( z \in \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \) definiramo indeks ali ovojno število točke \( z \) glede na pot \( \gamma \)
\[ \mathrm{ind} _{\gamma} z = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i}} \int\limits_{\gamma}^{} \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi - z} \]
3.15. Trditev/Lema 1.23
- P1: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) odsekoma zvezno odvedljiva sklenjena pot s tirom \( \gamma^{\ast} \)
- P2: \( f: \gamma^{\ast} \to \mathbb{C} \) zvezna funkcija
Definiramo \( F: \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \to \mathbb{C} \) s predpisom
\[ F(z) = \frac{1}{2\pi \mathrm{i}} \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi) \mathrm{d} x}{\xi - z} \]
ki je holomorfna.
Na vsakem \( \mathcal{D}(\alpha, r) \subset \left( \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \right) \) lahko \( F \) razvijemo v potenčno vrsto
\[ F(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n (z - \alpha)^n \]
kjer so
\[ a_n = \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \, \mathrm{d} \xi \]
A1: \( \alpha \in \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \)
Obstaja \( \mathcal{D}(\alpha, r) \subset \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \)
D: \( \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \) je odprta množica, saj je komplement kompaktne krivulje.
A2: \( z \in \mathcal{D}(\alpha, r) \)
A3: \( \xi \in \gamma^{\ast} \)
\[ \frac{1}{\xi - z} = \frac{1}{\xi - \alpha + \alpha - z} = \frac{1}{\xi - \alpha} \left( 1 + \frac{z - \alpha}{\xi - \alpha} \right)^{-1} = \sum\limits_{n = 0 }^{\infty} \frac{\left( z -\alpha \right) ^{n}}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \]
Dokaz:
\( \left| z - \alpha \right| < r \)
D: A2
\( \left| \xi - \alpha \right| > r \)
D: A3, ki leži izven \( \mathcal{D}(\alpha, r) \)
\( q = \left| \frac{z - \alpha}{\xi- \alpha} \right| < 1 \)
D: <2>1, <2>2
QED
D: Geometrijska vrsta je definirana kot
\[ \frac{1}{1 + q} = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} q^n \]
\[ F(z) = \frac{1}{2\pi \mathrm{i}} \int\limits_{\gamma}^{} \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \left( z - \alpha \right)^n \, \mathrm{d} \xi \]
D: Definicija \( F \) ter <1>2
\[ \frac{1}{2\pi \mathrm{i}} \int\limits_{\gamma}^{} \sum\limits_{n= 0}^{\infty} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \left( z - \alpha \right)^n \, \mathrm{d} \xi = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i}} \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \left( z - \alpha \right)^n \, \mathrm{d} \xi \]
D: Vrsta enakomerno konvergira
\[ \left| \frac{f(\xi)}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \left( z - \alpha \right)^n \right| = \frac{\left| f(\xi) \right|}{\left| \xi - \alpha \right|} \left| \frac{z - \alpha}{\xi - \alpha} \right| \]
D: \( \left| a b \right| = \left| a \right| \left| b \right| \)
\[ M = \max_{\gamma^{\ast}} \left| f \right| \]
D: Po P2 je zvezna na kompaktni množici in doseže globalni maksimum
\[ \left| \xi - \alpha \right| \ge d (\alpha, \gamma^{\ast}) \]
D: A3 in definicija razdalje
\[ \left| \frac{f(\xi)}{\left( \xi - \alpha \right)^{n + 1}} \left( z - \alpha \right)^n \right| \le \frac{M}{d(\alpha, \gamma^{\ast})} q^n \]
D: <1>2<2>3, <2>3, <2>2
QED
D: Vrsta konvergira, ker je \( q < 1 \)
Funkcijo \( F \) je holomorfna.
D: Funkcijo smo razvili v vrsto \( \implies \) holomorfna.
QED
Funkcija je holomorfna in razvili smo jo v vrsto.
3.16. Izrek 1.24
- P1: \( \gamma: [a, b] \to \mathbb{C} \) sklenjena odsekoma zvezna odvedljiva pot
- P2: \( \gamma^{\ast} \) je tir poti \( \gamma \)
- P3: \( D = \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \)
\( z \mapsto \mathrm{ind}_{\gamma} (z) \) je zvezna funkcija, katere vrednosti so cela števila. Indeks je konstanta na vsaki povezani komponenti \( D \) in ničeln na neomejeni komponenti.
A1:
\[ \mathrm{ind}_{\gamma} (z) = \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma}^{} \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi - z} \]
Funkcija \( \mathrm{ind}_{\gamma} (z) \) je zvezna.
D: Po lemi 1.23 je \( \mathrm{ind}_{\gamma}(z) \) holomorfna funkcija za \( z \in \mathbb{C} \setminus \gamma^{\ast} \), torej je tudi zvezna. Uporabiš \( f(z) = 1 \) v lemi 1.23
- Ime je Indeks=konstanta
Indeks je konstanta na vsaki povezani komponenti \( D \)
A2: definiramo
\[ F(t) = \left( \gamma(t) - z \right) \exp \left(- \int\limits_a^t \frac{\dot{\gamma}(u) }{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u \right) \]
\( F \) je konstantna.
Dokaz:
\[ \dot{F}(t) = \dot{\gamma} (t) \exp \left( - \int\limits_a^t \frac{\dot{\gamma}(u)}{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u \right) + \left( \gamma(t) - z \right) \exp \left( - \int\limits_a^t \frac{\dot{\gamma}(u)}{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u \right) \cdot \left( - \frac{\dot{\gamma}(t)}{\gamma(t) - z} \right) \]
D: Odvod produkta
QED
D: Odvod funkcije \( F(t) \) je 0, kar pomeni, da je funkcija \( F \) konstantna.
\( F(a) = F(b) \)
D: <1>2 velja za \( \forall t \in [a, b] \)
\[ F(a) = \gamma(a) - z = \gamma(b) - z \]
D: A2 za \( t = a \) ter <1>3
\[ F(b) = \left( \gamma(b) - z \right) \exp \left( - \int\limits_a^b \frac{\dot{\gamma}(u)}{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u \right) \]
D: A2 za \( t = b \)
\[ \exp \left( - \int\limits_a^b \frac{\dot{\gamma}(u)}{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u \right) = 1 \]
D: <1>3, <1>4 in <1>5
\[ - \int\limits_a^b \frac{\dot{\gamma}(u)}{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u = 2 \pi \mathrm{i} k, \ k \in \mathbb{Z} \]
D: Rešitev enačbe \( e^z = 1 \) v kompleksnem prostoru.
\[ \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \oint \limits_{\gamma} \frac{1}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \in \mathbb{Z} \]
D: \( \xi = \gamma(u) \) ter <2>6
QED
D: \( \mathrm{ind}_{\gamma} (z) \) je zvezna in slika v \( \mathbb{Z} \), je funkcija konstantna na vsaki povezani komponenti od \( D \).
\( \mathrm{ind}_{\gamma}(z) = 0 \) na neomejeni ploskvi
Dokaz:
A3: \( z \) komponenta neomejene komponente množice D A4: \( M = \max_{t \in [a, b]} \dot{\gamma}(t) \)
\[ \left| \mathrm{ind}_{\gamma} (z) \right| = \left| \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \left( \int\limits_a^b \frac{\dot{\gamma}(u)}{\gamma(u) - z} \, \mathrm{d} u \right) \right| \]
\[ \le \frac{1}{2\pi} \int\limits_a^b \frac{\left| \dot{\gamma}(u) \right|}{\left| \gamma(u) - z \right|} \, \mathrm{d} u \]
D: \( \left| a b \right| = \left| a \right| \left| b \right|\)
\[ \le \frac{M}{2 \pi} \int\limits_a^b \frac{1}{\left| \gamma(u) - z \right|} \, \mathrm{d} u \]
D: \( A4 \)
\[ \le \frac{M}{2\pi d(z, \gamma^{\ast})} (b - a) \]
D: \( \left| \gamma(u) - z \right| \ge d(z, \gamma^{\ast}) \)
QED
D: \( M \), \( 2\pi \) ter \( b - a \) so konstante. \( d(z, \gamma^{\ast}) \) ni omejena. Za veliko razdaljo, je vrednost <2>4 in posledično <2>1 poljubno majhna. Zaradi zveznosti to pomeni, da če velja za zelo oddaljene točke, velja tudi za zelo majhne.
- QED
3.17. Cauchyjev izrek 1.25a
- P1: neprazna odprta množica \( D \subseteq \mathbb{C} \)
- P2: \( \gamma \) sklenjena odsekoma zvezna odvedljiva pot v \( D \)
- P3: \( \mathrm{ind}_{\gamma} (z) = 0 \) \( \forall z \in \mathbb{C} \setminus D \)
Za vsako holomorfno funkcijo \( f \) na množici \( D \) velja
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = 0 \]
A1: \( u = \Re f \)
A2: \( v = \Im f \)
A3: \( f(z) = u + \mathrm{i} v \)
A3.5: \( \gamma = \gamma_1 + \mathrm{i} \gamma_2 \)
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_{\gamma}^{} \left( u \, \mathrm{d} x - v \, \mathrm{d} y \right) + \mathrm{i} \int\limits_{\gamma}^{} \left( v \, \mathrm{d} x + u \, \mathrm{d} y \right) \]
D: definicija integrala funkcije \( f \) po kompleksni poti \( \gamma = \gamma_1 + \mathrm{i} \gamma_2 \).
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \int\limits_{\gamma_1}^{} (u + \mathrm{i} v) \, \mathrm{d} x + \mathrm{i} \int\limits_{\gamma_2}^{} (u + \mathrm{i} v) \, \mathrm{d} y \]
A4: \( \gamma \) omejuje množico \( \Delta \)
\[ \int\limits_{\gamma}^{} \left( u \, \mathrm{d} x - v \, \mathrm{d} v \right) + \mathrm{i} \int\limits_{\gamma}^{} \left( v \, \mathrm{d} x + u \, \mathrm{d} y \right) = \iint\limits_{\Delta}^{} \left( -v_x - u_y \right) \, \mathrm{d} x \mathrm{d} y + \mathrm{i} \int\limits_{\Delta}^{} \left( u_x - v_y \right) \, \mathrm{d} x \mathrm{d} y \]
D: Greenova formula
\[ \oint_{\gamma} P \, \mathrm{d} x + Q \, \mathrm{d} y = \iint\limits_{\Delta}^{} \left( Q_x - P_y \right) \,\mathrm{d x} \mathrm{d}y \]
ki jo lahko uporabimo zaradi P3
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = 0 \]
D: Uporabimo CR enačbe, vstavimo v <1>2.
3.18. Cauchyjev izrek za območja 1.25b
- P1: \( \Omega \subseteq \) Ω
- P1: \( D \) z odsekoma gladkim robom \( \partial D \)
- P2: \( D \cup \partial D \subsetequ \Omega \)
- P3: \( f: \Omega \to \mathbb{C} \) holomorfna
\[ \oint\limits_{\partial D}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = 0 \]
3.19. Izrek 1.26 (Cauchyjeva formula)
- P1: \( D \subseteq \mathbb{C} \) odprta množica
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P3: \( \gamma \) odsekoma zvezno odvedljiva sklenjena pot v \( D \)
- P4: \( \mathrm{ind}_{\gamma} (w) = 0 \forall w \in \mathbb{C} \setminus D \)
Za vsak \( z \in D \setminus \gamma^{\ast} \) velja
\[ f(z) \mathrm{ind}_{\gamma} (z) = \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
A1: \( \gamma_1 \) krožnica s polmerom \( r \) in središčem v \( z \), orientirana v nasprotni smeri od \( \gamma \)
A2: \( z \in D \setminus \gamma^{\ast} \)
A3:
\[ g(\xi) = \frac{f(\xi) - f(z)}{\xi - z} \]
Funkcija \( g(z) \) je holomorfna na \( D \setminus \left\{ z \right\} \)
D: A3
A4: \( \gamma' = \gamma \cup \gamma_1 \)
\[ \int\limits_{\gamma'}^{} g(\xi) \, \mathrm{d} \xi = 0 \]
Dokaz: Cauchyjev izrek
\[ = \int\limits_{\gamma}^{} g(\xi) \, \mathrm{d} \xi - \int\limits_{\gamma_1}^{} g(\xi) \, \mathrm{d} \xi \]
D: A4, ter integral funkcije \( g \) po spoju krivulj ter nasprotna orientacija \( \gamma_1 \) A1
\[ = \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi) - f(z)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi - \int\limits_{\gamma_1}^{} \frac{f(\xi) - f(z)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: A3
\[ = \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi - f(z) \cdot 2 \pi \mathrm{i} \, \mathrm{ind}_{\gamma} (z) - \int\limits_{\gamma_1}^{} \frac{f(\xi) - f(z)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: Ovojno število, definicija
\[ \left| \int\limits_{\gamma_1}^{ } \frac{f(\xi) - f(z)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \right| \overset{r \to 0}{\longrightarrow} 0 \]
Dokaz:
A5: Parametrizacija \( \gamma_1 (t) = \xi = z + r e^{\mathrm{i} t}, \ t \in [2\pi, 0] \)
\[ = \left| \int\limits_{2\pi}^0 \frac{f(z + r e^{\mathrm{i} t}) - f(z)}{re^{\mathrm{i} t} } r \mathrm{i} e^{\mathrm{i} t} \, \mathrm{d} t \right| \]
D: A5
\[ \le \int\limits_{2\pi}^0 \left| f(z + re^{\mathrm{i} t}) - f(z) \right| \, \mathrm{d}t \overset{r \to 0}{\longrightarrow} 0 \]
D: Trditev 1.15
- QED
QED
D: Dobim željeno enačbo.
3.20. Izrek 1.26a (Cauchyjeva formula za območje)
- P1: \( \Omega \subseteq \mathbb{C} \) območje
- P2: \( D \) orientirano območje v \( \Omega \)
- P3: \( D \cup \partial D \subseteq \Omega \)
- P4: \( f: \Omega \to \mathbb{C} \) holomorfna.
Za pozitivno orientiran \( \partial D \) velja
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial D}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
3.21. Posledica 1.27
- P1: \( \Omega \subseteq \mathbb{C} \) območje
- P2: \( D \) orientirano območje v \( \Omega \)
- P3: \( D \cup \partial D \subseteq \Omega \)
- P4: \( f: \Omega \to \mathbb{C} \) holomorfna.
Za vsak \( n \in \mathbb{N} \) velja
\[ f^{(n)} (z) = \frac{n!}{2 \pi \mathrm{i} } \oint\limits_{\partial D}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - z \right)^{n + 1} } \, \mathrm{d} \xi \]
Cauchyjevo formulo odvajamo kot integral s parametrom \( n \)-krat.
3.22. Posledica
Vsaka holomorfna funkcija je neskončnokrat odvedljiva.
3.23. Posledica 1.28
- P1: \( D \) odprta množica
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
Funkcijo \( f(z) \) se da razviti v potenčno vrsto na vsakem odprtem krogu \( \mathcal{D}(\alpha, r) \subseteq D \)
\[ f(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n (z - \alpha)^n \]
kjer je
\[ a_n = \frac{f^{(n)} (a)}{n!} = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - z \right)^{n + 1} } \, \mathrm{d} \xi \]
A1: \( \mathcal{D}(\alpha, r) \subseteq \mathcal{D}(\alpha, R) \subseteq D \)
\[ f(z) = \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(\alpha, r)}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: Cauchyjeva formula.
Funkcijo \( f(z) \) lahko razvijemo v potenčno vrsto.
D: Lema 1.23
- Formula za koeficiente sledi iz posledice 1.27
3.24. Izrek 1.30 (Cauchyjeva ocena)
- P1: \( f: \mathcal{D}(\alpha, r) \) holomorfna
- P2: \( \left| f(z) \le M \right| \ \forall z \in \mathcal{D}(\alpha, r) \)
Za vsak \( n \in \mathbb{N} \) velja
\[ \left| f^{(n)} (a) \right| \le \frac{n! M}{r^n} \]
A1: \( \rho < r \)
A2: \( \gamma \) krožicna s polmerom \( \rho \) in središčem v \( a \)
Case 1:
Parametrizacija \( \gamma \) je
\[ \gamma = \xi = a + \rho e^{\mathrm{i} t} \ t \in [0, 2\pi] \]
\[ \left| f^{(n)} (a) \right| \le \frac{n!}{2\pi \rho^n} \int\limits_0^{2\pi} \frac{\left| f(a + \rho e^{\mathrm{i} t}) \right|}{\left| \rho^n e^{\mathrm{i} n t} \right|} \, \mathrm{d} t \]
D: Cauchyjeva formula za območja.
\[ \le \frac{M n!}{2\pi \rho^n } \int\limits_0^{2\pi} \, \mathrm{d} t \]
D: P2
\[ = \frac{M n!}{\rho^n} \]
D: <1>2
QED
D: <1>2-<1>4 velja za poljuben \( \rho < r \). Ko gre \( \rho \to r \), dobimo neenakost.
3.25. Izrek 1.31 (Liouvilleov izrek)
- P1: \( f: \mathbb{C} \to \mathbb{C} \) cela omejena funkcija.
\( f \) je konstantna.
A1: \( a \in \mathbb{C} \)
A2: \( f'(a) = 0 \)
A3: \( \left| f(z) \right| \le M , \ \forall z \in \mathbb{C}\) zaradi omejenosti
A4: \( \mathcal{D}(\alpha, r) \)
Velja
\[ \left| f'(a) \right| \le \frac{M}{r} \]
D: Cauchyjeva ocena
Velja za vsak \( r> 0 \).
D: \( f \) holomorfna povsod.
\[ \left| f'(a) \right| \to 0 \]
D: \( r \to \infty \) za <1>1
QED
D: Odvod je ničeln, kar pomeni, da je funkcija konstantna.
3.26. Izrek 1.32 (Osnovni izrek algebre)
Vsak nekonstanten polinom s kompleksnimi koeficienti ima vsaj eno kompleksno ničlo.
A1: \( p(z) \) nekonstanten polinom s koeficienti iz \( \mathbb{C} \) in brez kompleksne ničle.
Dokaži: \( p(z) \) je konstanten.
Funkcija
\[ f(z) = \frac{1}{p(z)} \]
je definirana povsod in cela.
D: A1 nima ničel, ter je holomorfna.
- \( f(z) \) je omejena funkcija
A2:
\[ p(z) = a_n z^n + a_{n - 1} z^{n - 1} + \ldots + a_1 z + a_0, \ a_n = 0 \]
A3: \( a_n = 1 \) brez izgube splošnosti.
- \[ \left| f(z) \right| = \left| \frac{1}{p(z)} \right| \]
\[ = \frac{1}{\left| z^n \left(1 + a_{n - 1} z^{n - 1} + \ldots + a_1 z + a_0 \right) \right|} \]
D: <2>2, A2, A3
\[ \le \frac{1}{\left| z^n \right|} \frac{1}{\left| 1 - \frac{\left| a_{n - 1} \right|}{\left| z \right|} - \ldots - \frac{\left| a_1 \right|}{\left| z^{n - 1} \right|} - \frac{\left| a_0 \right|}{\left| z^n \right|} \right|} \]
D: \( \left| a + b \right| \ge \left| a \right| - \left| b \right|\)
\[ \frac{1}{\left| z \right|^n } \overset{\left| z \right| \to \infty}{\longrightarrow} 0 \]
<2>4
- QED
\( f(z) \) je konstantna.
D: Liouvilleov izrek in <1>3
QED
D: <1>4 pove, da je polinom \( p(z) \) tudi konstanten, kar je v protislovju z <1>1.
4. Ničle holomorfnih funkcij
- P1: \( D \) odprta množica
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \)
- P3: \( \mathcal{D} (\alpha, r) \subseteq D \)
Funkcijo \( f \) lahko razvijemo v potenčno vrsto
\[ f(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} a_n \left( z - \alpha \right)^n \]
\( a \) je ničla funkcije \( f \) natanko tedaj, ko velja \( a_0 = 0 \).
Če je \( a_n = 0 \forall n \in \mathbb{N}_0 \), potem je \( f(z) = 0 \forall z \in \mathcal{D}(\alpha, r) \).
- P4: obstaja \( m \in \mathbb{N} \), da velja \( a_0 = a_1 = a_2 = \ldots = a_{m - 1} = 0 \) in \( a_m \ne 0 \)
\[ f(z) = (z - a) ^m \sum\limits_{n = m}^{\infty} a_n (z - \alpha)^{n - m} = (z - a)^m g(z) \]
kjer je \( g \) neka druga holomorfna funkcija, ki ima isti konvergenčni radij kot \( f \).
Ker je \( g \) zvezna, obstaja okolica točke \( a \), na kateri \( g \) nima ničle.
Za \( b \ne a \) velja \( f(b) = 0 \iff g(b) = 0 \), zato je \( a \) na tej okolici edina ničla za \( f \), čemur rečemo izolirana ničla.
P5: \( h : D \to \mathbb{C} \)
\[ h(z) = \begin{cases} \frac{f(z)}{(z - \alpha)^m} &z \in D \setminus \left\{ a \right\} \\ a_m & z = a \end{cases} \]
\( h \) je holomorfna na \( D \setminus \left\{ a \right\} \), saj je tudi \( f(z) \left( z - \alpha \right)^{-m} \) holomorfna. Ker je \( h = g \) na \( \mathcal{D}(\alpha, r) \), je \( h \) holomorfna na celotnem \( D \).
Velja \( f(z) = h(z) \left( z- \alpha \right)^m, \ \forall z \in D \)
4.1. Izrek 1.34
- P1: \( D \) območje v \( \mathbb{C} \)
- P2: \( f: D \to \mathcal{C} \) holomorfna funkcija
- P3: \( Z(f) = \left\{ z \in D, \ f(z) = 0 \right\} \) množica ničel funkcije \( f \).
\( f = 0 \) ali pa \( Z(f) \) nima stekališča v \( D \).
A1: \( A \) množica stekališč \( Z(f) \) v \( D \)
A2: \( A = \emptyset \)
Vsaka ničla je izolirana.
D: \( A \) ni stekališče, kar pomeni, da po definiciji stekališča ne obstajajo točke, ki so v \( A \) in v vsaki okolici ničle, ampak niso ničla.
- \( f \ne 0 \)
A3: \( \forall a \in Z (f) \)
A4: \( m_a \in \mathbb{N} \)
\[ f(z) = (z - a)^{m_a} h(z) \]
D: Funkcija je holomorfna.
- QED
A5: \( A \ne \emptyset \)
\( A \) je zaprta.
Dokaz:
Stekališče ničel funkcije \( f \) je ničla.
D: Zveznost.
QED
D: stekališče stekališč je stekališče, \( A \) je zaprta.
\( A \) je odprta.
Dokaz:
A6: \( a \in A \)
A7: Obstaja \( r > 0 \)
\( \mathcal{D} (a, r) \subseteq D \)
D: Množica \( D \) je odprta.
\( a \) ne more biti izolirana ničla.
D: \( a \) je po A6 stekališče.
Na \( \mathcal{D}(a, r) \) razvijemo \( f \) v potenčno vrsto.
D: \( f \) je holomorfna.
A8: \( \mathcal{D}(a, \rho), \rho < r \).
\( f = 0 \) na \( \mathcal{D} (a, \rho) \)
D: \( \mathcal{D}(a, \rho) \subseteq \mathcal{D}(a, r) \) in \( a \) je ničla.
Razvijemo \( f \) v potenčno vrsto na \( \mathcal{D}(a, \rho) \).
D: \( f \) je holomorfna.
\( f = 0 \) na \( \mathcal{D}(a, r) \)
D: Koeficienti vrst <2>3 ter <2>5 so enaki.
\( A \) neprazna odprta množica v \( D \)
D: \( \mathcal{D}(a, \rho) \subseteq A \)
- QED
\( A = D \)
D: \( A \) je odprta in zaprta.
QED
\( f = 0 \) na celotni množici \( D \), ker je \( D \) povezana in \( A = D \).
4.2. Posledica 1.35 (Princip identičnosti)
- P1: \( D \) območje
- P2: \( f, g: D \to \mathbb{C} \) holomorfni funkciji
- P3: \( A \subseteq D \) množica s stekališčem v \( D \)
- P4: \( \left. f \right|_A = \left. g \right|_A \)
\( f = g \)
A1: \( h = f - g \)
\( A \subseteq Z (h) \)
D: \( \left. h \right|_A = 0 \) zaradi P4
\( h = 0 \) na celotni množici \( D \)
D: \( A \) je stekališče \( h \).
- QED
4.3. Posledica 1.36
- P1: \( D \) območje
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P3: \( f \ne 0 \)
- P4: \( K \subset D \) kompaktna.
\( f \) ima na \( K \) končno mnogo ničel.
\( f \) ima na \( D \) kvečjemu števno neskončno ničel.
5. Razvoj v Laurentovo vrsto
5.1. Definicija 1.23
Množici
\[ D' (\alpha, r) = \left\{ z \in \mathbb{C}, 0 < \left| z - \alpha \right| < r\right\} \]
rečemo punktiran ali preboden krog.
5.2. Trditev 1.37
- P1: zaprt kolobar \( \bar{A} \left( a, r, R \right) \)
- P2: \( f \) holomorfna na okolici \( \bar{A} \)
- P3: Zunanja pozitivna orientirana pot \( \gamma_2 \)
- P4: Notranja negativno orientirana pot \( \gamma_1 \)
- P5: \( \forall z \in A (a, r, R) \)
\[ f(z) = \sum\limits_{n = -\infty}^{\infty} c_n \left( z - a \right)^n = \sum\limits_{n = - \infty}^{-1} c_n \left( z - a \right)^n + \sum\limits_{n = 0}^{\infty} c_n \left( z - a \right)^n \]
kjer so
\[ n \ge 0 \ c_n = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_2}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - z \right)^{n + 1} } \, \mathrm{d} \xi \]
koeficienti za regularni del ter
\[ n < 0 \ c_n = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_1}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - z \right)^{n + 1} } \, \mathrm{d} \xi \]
koeficienti za glavni del.
Glavni del konvergira za \( \left| z - a \right| > r\), regularni del konvergira za \( \left| z - a \right| < R \).
\[ f(z) = \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial A}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: Cauchyjeva formula za območja.
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_2}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - z \right) \left( 1 - \frac{z - a}{\xi - z} \right)} \, \mathrm{d} \xi + \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_1}^{} \frac{f(\xi)}{(z - a) \left( 1 - \frac{\xi - a}{ z - a} \right)} \, \mathrm{d} \xi \]
D: \( \xi - a + a - z \), ter izpostaviš pravilen člen, ter \( \partial A = \gamma_1 \cup \gamma_2 \)
A1: \( \xi \in \gamma_2 \), integracija po \( \gamma_2 \)
\[ \left| \frac{z - a}{\xi - a} \right| < 1 \]
D: P3 in velja \( \left| \xi - a \right| < \left| z - a \right|\)
A2: \( \xi \in \gamma_1 \), integracija po \( \gamma_1 \)
\[ \left| \frac{\xi - a}{z - a} \right| < 1 \]
D: P4 in velja \( \left| \xi - a \right| > \left| z - a \right|\)
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_2}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - a} \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left( \frac{z - a}{\xi - a} \right) ^n \, \mathrm{d} \xi + \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_1}^{} \frac{f(\xi)}{z - a} \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left( \frac{\xi - a}{z - a} \right)^n \, \mathrm{d} \xi \]
D: geometrijska vrsta
\[ \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left( \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_2}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - a \right)^{n + 1} } \, \mathrm{d} \xi \right) \left( z - a \right)^n + \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_1}^{} f(\xi) \left( \xi - a \right)^n \, \mathrm{d} \xi \left( z - a \right)^{- n - 1} \]
D: Kot pri lemi 1.23, vrsta konvergira enakomerno
\[ \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \left( \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\gamma_2}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - a \right)^{n + 1} } \, \mathrm{d} \xi \right) \left( z - a \right)^n + \sum\limits_{n = -\infty}^{-1} \left( \frac{1}{2 \pi \mathrm{i } }\int\limits_{\gamma_1}^{} \frac{f(\xi)}{\left( \xi - a \right)^{n + 1} } \right) \left( z - a \right)^{n} \]
D: Menjava \( m = -1 - n \).
- QED
5.3. Definicija 1.24
- P1: \( \mathcal{D}'(a, r) \) kolobar
P2: Laurentov razvoj funkcije \( f \) na \( \mathcal{D}(a, r) \)
\[ f(z) = \sum\limits_{n = - \infty }^{\infty} c_n \left( z - a \right)^n \]
Točka \( a \) je
- odpravljiva singularnost, če je \( c_{- n} = 0 \ \forall n > 0 \)
- pol reda \( m \in \mathbb{N} \), če je \( c_{-m} \ne 0 \) in \( c_{-n } = 0 \) za vsak \( n > m \)
- bistvena singularnost, če je \( c_{-m} \ne 0 \) za neskončno mnogo \( n \in \mathbb{N} \)
5.4. Trditev 1.38
- P1: \( \mathcal{D}'(a, r) \) kolobar
- P2: \( f \) holomorfna na \( \mathcal{D}'(a, r) \)
- P3: \( f \) omejena v okolici \( a \)
\( a \) je odpravljiva singularnost.
Razvoj \( f(z) \) v Laurentovo vrsto
\[ f(z) = \sum\limits_{n =- \infty}^{\infty} c_n \left( z - a \right)^n \]
D: P2
A1: \( \delta > 0 \)
\( c_{-n} = 0 \ \forall n \in \mathbb{N} \)
\( f(z) \le M \) za vsak \( z \in \mathcal{D}(a. r) \)
D: P3
A2: parametrizacija \( \gamma = a + \delta e^{\mathrm{i } t }, \ t \in [0, 2\pi) \)
\[ \left| c_{-n} \right| \le \left| \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_0^{2\pi} \frac{f \left( a + \delta e^{\mathrm{i} t} \right)}{\left( \delta e^{\mathrm{i} t} \right)^{-n + 1} } \delta \mathrm{i} e^{\mathrm{i} t} \, \mathrm{d} t \right| \]
D: Formula za koeficiente z negativnim indeksom pri Laurentovem razvoju.
- \[ \le \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} \frac{\left| f \left( a + \delta e^{\mathrm{i} t} \right) \right|}{\delta^{-n } \left| e^{\mathrm{i} n t} \right|} \, \mathrm{d} t \]
\[ \le \frac{M}{2\pi} \int\limits_0^{2\pi} \delta^n \, \mathrm{d} t = M \delta^n \]
D: <1>2
QED
D: \( \delta \to 0 \), je \( c_{-n} = 0 \)
- QED
5.5. Izrek 1.39 (Casorati - Weierstrassov izrek) - popravi dokaz
- P1: \( \mathcal{D}'(a, r) \) kolobar
- P2: holomorfna funkcija \( f \) na \( \mathcal{D}'(a, r) \)
- P3: \( a \) bistvena singularnost \( f \)
- P4: \( \forall w \in \mathbb{C} \)
- P5: \( \forall \epsilon, \delta > 0 \)
Obstaja \( z \) v tem disku \( \mathcal{D}' (a, r) \), da je \( \left| z - a \right| < \delta\), \( z \ne a \) in \( \left| f(z) - w \right| < \epsilon \).
A1: \( w \in \mathbb{C} \)
A2: \( \epsilon, \delta > 0 \)
Za vsak \( z \), za katerega velja \( \left| z - a \right| < \delta\), \( z \ne a \), sledi \( \left| f(z) - w \right| \ge \epsilon \).
A3: \[ g(z) = \frac{1}{f(z) - w} \]
Funkcija \( g(z) \) je holomorfna na \( \mathcal{D}'(a,r ) \)
D: \( f(z) \) je holomorfna
\[ \left| g(z) \right| = \frac{1}{\left| f(z) - w \right|} \le \frac{1}{\epsilon} \]
D: <1>1
\( g(z) \) je omejena v okolici \( a \)
D: <1>3
\( g(z) \) razvijemo v potenčno vrsto okoli \( a \) ter jo zapišemo kot produkt
\[ g(z) = \left( z - a \right)^m h(z) \]
kjer je \( h(z) \) holomorfna funkcija.
D: \( a \) je odpravljiva singularnost za \( g(z) \) po P3
\[ f(z) = \frac{1}{g(z)} + w = \frac{1}{\left( z - a \right)^m h(z)} + w \]
D: A3
\( z = a \) je pol stopnje \( m \) za \( f \)
D: <1>6
QED
D: <1>7 je v protisljovu s predpostavko, da je \( a \) bistvena singularnost.
6. Logaritem in potence
6.1. Definicija 1.26
- P1: \( z \in \mathbb{C} \setminus \left\{ 0 \right\} \)
Število \( w \in \mathbb{C} \) je logaritem števila \( z \), če velja \( e^w = z \).
6.2. Definicija
- P1: \( g \) holomorfna funkcija
\( g \) je logaritem funkcije \( f \), če je
\[ e^{g(z)} = f(z) \forall z \in D_f \]
6.3. Izrek 1.40
- P1: območje \( D \subseteq \mathbb{C} \)
- P2: \(f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna in brez ničel
P3: za vsako sklenjeno pot \( \gamma \) v \( D \) in vsak \( z \in \mathbb{C} \setminus D \) velja
\[ \mathrm{ind}_{\gamma} (z) = 0 \]
Obstaja holomorfen logaritem \( g(z) \) funkcije \( e^{g(z)} = f(z) \).
- P4: \( h(z) \) druga holomorfna funkcija
- P5: velja \( e^{h(z)} = f(z) \)
Obstaja \( k \in \mathbb{Z} \), da je
\[ g(z) - h(z) = 2 \pi k \mathrm{i} \, \forall z \in D \]
Opomba, da je na realnih množicah logaritem definiran kot
\[ \int\limits_{}^{} \frac{f'(x)}{f(x)} \, \mathrm{d} x = \log f(z) + C \]
A1: fiksen \( z_0 \in D \)
A2: poljubna točka \( z \in D \)
A3: \( \gamma \) povezuje \( z_0 \) in \( z \)
Definiramo
\[ g(z) = z_0 + \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f'(\xi)}{f(\xi)} \, \mathrm{d} \xi \]
kjer je integrand holomorfen.
D: \( f(z) \ne 0 \) po P2
Definicija <1>1 je neodvisna od izbire \( \gamma \).
D: \[ \int\limits_{\gamma}^{} \frac{f(\xi)}{\xi} \, \mathrm{d} \xi \]
je 0 po vsaki sklenjeni poti zaradi Cauchyjevega izreka ter P3.
\[ e^{- g(z)} f(z) = 1 = G(z) \]
je konstantna.
\[ G' (z) = -e^{- g(z)} g'(z) f(z) + e^{- g(z)} f'(z) \]
D: Odvajanje produkta ter verižno pravilo.
\[ 0 = - e^{- g(z)} \frac{f'(z)}{z} f(z) + e^{- g(z)} f'(z) \]
D: odvod <1>1 ter <2>1
QED
D: Funkcija je konstantna, ker je njen odvod enak \( 0 \).
A4: \( G(z_0) = 1 \)
\[ e^{- g(z_0)} f(z_0) = e^{- z_0} f(z_0) \]
D: <1>1 za \( z_0 \)
A5: \( f(z_0) = w_0 \)
\[ e^{z_0} = w_0 \]
\( z_0 = \log w_0 \)
D: <1>5
A6: \( e^{g(z)} = f(z) \)
A7: \( e^{h(z)} = f(z) \)
\[ g(z) - h(z) = 2 \pi k \mathrm{i} \]
D: \( e^{g(z) - h(z)} = 1 \)
QED
D: v <1>6 smo dokazali obstoj in v <1>7, da velja razlika.
7. Izrek o residuih
7.1. Definicija
- P1: kolobar \( \mathcal{D}'(a, R) \)
- P2: holomorfna \( f \) na \( \mathcal{D}'(a, R) \)
Številu \( c_{-1} \) pravimo residuum funkcije \( f \) glede na \( a \) v Laurentovi vrsti
\[ f(z) = \sum\limits_{n = - \infty}^{\infty} c_n \left( z - n \right)^n \]
Oznaka: \( c_{-1} = \mathrm{Res} \left( f, a \right) \)
7.2. Izrek 1.43 (izrek o residuih)
- P1: območje \( D \)
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P3: končno mnogo izoliranih singularnosti funkcije \( f \): \( a_1, \ldots, a_n \in D \)
- P4: \( \gamma \) sklenjena pot v \( D \)
- P5: \( \mathrm{ind }_{\gamma} (z) = 0, \, \forall z \in \mathbb{C} \setminus D \)
- P6: \( \gamma^{\ast} \) ne vsebuje izoliranih singularnosti \( a_1, a_2, \ldots, a_n \)
\[ \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \oint\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = 2 \pi \mathrm{i} \sum\limits_{k = 1}^n \mathrm{Res} \left( f, a_k \right) \cdot \mathrm{ind }_{\gamma} (a_k) \]
A1: \( q_k (z) \) glavni del Laurentove vrste funkcije \( f \) okoli točke \( a_k \)
Funkcija
\[ f(z) - q_1 (z) - \ldots - q_n (z) \]
je holomorfna na celotnem območju \( D \).
D: Funkcija ima odpravljive singularnosti.
\[ \oint\limits_{\gamma}^{} \left( f(z) - \sum\limits_{k = 1}^n q_k (z) \right) \, \mathrm{d} z = 0 \]
D: Cauchyjev izrek.
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \sum\limits_{k = 1}^n \int\limits_{\gamma}^{} q_k (z) \, \mathrm{d} z \]
D: Menjava možna zaradi končne vsote.
\[ \int\limits_{\gamma}^{} q_k (z) \, \mathrm{d} z = \sum\limits_{n = - \infty}^{-2} \int\limits_{\gamma}^{} c_n \left( z - a_k \right)^n \, \mathrm{d} z + \int\limits_{\gamma}^{} \frac{c_{-1}}{z - a_k} \, \mathrm{d} z \]
D: A1
\[ \sum\limits_{n = - \infty}^{-2} \int\limits_{\gamma}^{} c_n \left( z - a_k \right)^n \, \mathrm{d} z = 0 \]
D: Cauchyjev izrek, saj območje \( D \) vsebuje tudi singularnosti funkcije \( f \) ter je \( f \) holomorfna.
\[ \int\limits_{\gamma}^{} q_k (z) \, \mathrm{d} z = 2 \pi \mathrm{i} \, c_{-1} \mathrm{ind}_{\gamma} (a_k) \]
D: Cauchyjeva formula
QED
D: Upoštevamo definicijo residuuma
\[ \int\limits_{\gamma}^{} f(z) \, \mathrm{d} z = \sum\limits_{k = 1}^n 2 \pi \mathrm{i} \, \mathrm{ind}_{\gamma}\left( a_k \right) \mathrm{Res} \left( f, a_k \right) \]
Opombe: Če bi vzeli \( q_k \) kot celoten razvoj Laurentove vrste, bi pa vsota integralov za \( n > 0 \) prav tako bila enaka zaradi Cauchyjevega izreka.
Če območje \( D \) ne bi vsebovalo tudi singularnosti, to ne bi držalo. Glej zgled 1.9 v Simonovi skripti.
7.3. Trditev 1.44
- P1: območje \( D \)
- P2: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P3: \( a \) pol \( n \)-te stopnje za funkcijo
\[ \mathrm{Res} \left( f, a \right) = \frac{1}{(n - 1)!} \lim_{z \to a} \left( \left( z -a \right)^n f(z) \right)^{(n - 1)} \]
\[ f(z) = \frac{c_{-n}}{\left( z - a \right)^n} + \ldots + \frac{c_{-1}}{z - a} + c_0 + c_1 (z - a) + \ldots \]
D: Laurentov razvoj funkcije \( f \) okoli \( a \) za \( n \)-ti pol
\[ f(z) \left( z - a \right)^n = c_{-n} + c_{-n + 1} (z - a) + \ldots + c_{-1} (z - a)^{n -1} + c_0 (z - a)^n + c_1 (z- a)^{n + 1} \]
je \( a \) odpravljivo singularnost.
D: ker so vsi koeficienti z negativnimi indeksi enaki 0 pri \( a \)
\[ \left( (z - a)^n f(z) \right) ^{(n - 1)} = \left( n - 1 \right)! c_{-1} + n! c_0 (z - a) + (n + 1)! c_1 (z - a)^2 + \ldots \]
D: \( (n - 1) \) odvajanje.
\[ c_{-1} = \frac{\lim_{z \to a} \left(\left( z - a \right)^n f(z)\right) ^{(n - 1)} }{(n -1)!} \]
D: \( z \to a \)
QED
D: upoštevamo definicijo residuuma.
8. Izrek o odprti preslikavi in njegove posledice
8.1. Trditev 1.45
- P1: \( D \) območje
- P2: \( f:D \to \mathbb{C} \) neničelna holomorfna funkcija na \( D \) razen v nekaj singularnih točkah, ki so poli
- P3: \( \bar{\mathcal{D}} (a, r) \) zaprt krog v \( D \)
- P4: \( f' \) nima niti ničle niti pola na \( \partial \bar{\mathcal{D}} \)
- P5: \( \mathcal{N} \) število ničel za \( f \) znotraj \( \mathcal{D}(a, r) \)
- P6: \( \mathcal{P} \) število polov za \( f \) znotraj \( \mathcal{D}(a, r) \)
- P7: ničle in pole štejemo z večkratnostjo.
\[ \frac{1}{2\pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{f'(z)}{f(z)} \, \mathrm{d} z = \mathcal{N} - \mathcal{P} \]
A1: \( a_1, a_2, \ldots, a_r \) različne ničle funkcije \( f \) znotraj \( \mathcal{D}(a, r) \) z večkratnostmi \( m_1, m_2, \ldots, m_r \)
A2: \(b_1, b_2, \ldots, b_s\) različni poli \( f \) znotraj \( \mathcal{D}(a, r) \) z večkratnostmi \( n_1, n_2, \ldots, n_s \)
C1:
\[ f(z) = \frac{\left( z - a_1 \right)^{m_1} \left( z - a_2 \right)^{m_2} \ldots \left( z - a_r \right)^{m_r} }{\left( z - b_1 \right)^{n _1} \left( z - b_2 \right) ^{n _2} \ldots \left( z - b_s \right)^{n_s} } g(z) \]
Funkcija \( g(z) \) nima niti ničel niti polov v \( \mathcal{D}(a, r) \)
A3: \[ f(z) = (z - a)^k g(z) \]
\[ \frac{f'(z)}{f(z)} = \frac{k}{z - a} + \frac{g'(z)}{g(z)} \]
Dokaz: A3 odvajaš po \( z \), ter deliš z \( (z - a)^k g(z) \)
\[ \frac{f'(z)}{f(z)} = \frac{m_1}{z - a_1} + \frac{m_2}{z - a_2 } + \ldots + \frac{m_r}{z - a_r } - \frac{n_1}{ z - b_1} - \frac{n_2}{ z - b_2} - \ldots - \frac{n_s}{ z - b_s} + \frac{g'(z)}{g(z)} \]
D: <1>2
\[ \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{f'(z)}{f(z)} \, \mathrm{d} z = m_1 \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{\mathrm{d} z}{z - a_1} + \ldots - n_1 \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{\mathrm{d} z}{z - b_1} - \ldots + \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{g'(z)}{g(z)} \, \mathrm{d} z \]
D: Integracija.
\[ \int\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{f'(z)}{f(z)} \, \mathrm{d} z = m_1 + \ldots + m_r - n_1 - \ldots - n_s = \mathcal{N} - \mathcal{P} \]
D: Cauchyjeva formula ter Cauchyjev izrek pri \( g(z) \), saj nima polov na \( \mathcal{D}(a, r) \).
8.2. Izrek 1.47 (izrek o odprti preslikavi) - popravi dokaz
- P1: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna funkcija
- P2: \( f \) ni konstantna.
\( f \) je odprta preslikava.
Za vsako odprto množico \( U \) v \( D \) je množica slik \( f(U) \) tudi odprta preslikava.
A1: \( U \) odprta množica v \( D \)
A2: slika funkcije \( f \) je \( f(u) = \left\{ f(u); \ u \in U \right\} \)
A3: \( b \in f(U) \)
Obstaja tak \( a \in U \), da je \( f(a) = b \)
D: A3
A4: \( g = f(z) - b \)
A5: \( \alpha \) je \( n \)-kratna ničla
A6: \( \delta, \epsilon > 0 \)
A7: \( \forall w \in \mathcal{D}( b, \epsilon ) \), \( w \ne b \)
Enačba \( f(z) = w \) ima natanko \( n \) rešitev v \( \mathcal{D}(a, \delta) \)
D: No proof.
\[ \mathcal{D}(b, \epsilon) \subseteq f \left( \mathcal{D}(a, \delta) \right) \subseteq f(U) \]
D: <1>2 ter \( \mathcal{D}(a, \delta) \subseteq \), ker je \( U \) odprta.
QED
\( f(U) \) je odprta po definiciji, ker je za nek \( \epsilon > 0 \) in vsak \( b \in f(U) \) \( \mathcal{D}(b, \epsilon) \subseteq f(U) \)
8.3. Posledica 1.48
- P1: \( f:D \to \mathbb{C} \) holomorfna
- P2: \( \alpha \in D \), \( f(\alpha) \ne 0 \)
- P3: okolica \( \alpha \) označena z \( U \)
\[ \left. f \right|_U: U \to f (U) \]
bijektivna in \( f^{-1} \) holomorfna funkcija.
8.4. Trditev 1.49 (Princip maksima in minima)
- P1: \( D \subset \mathbb{C} \) odprta množica
- P2: nekonstantna holomorfna funkcija \( f: D \to \mathbb{C} \)
\( \left| f(z) \right| \) ne zavzame maksima na \( D \). Minimum \( \left| f(z) \right| \) je lahko le v ničlah funkcije \( f \) na območju \( D \).
A1: \( z_0 \in D \)
A2: \( \left| f(z_0) \right| = D \) ima maksimum na \( D \).
Dokaži: protislovje.
Množica \( f(D) \) je odprta.
D: \( D \) odprta in izrek o odprti preslikavi.
A3: \( r > 0 \)
\( \mathcal{D}(f (z_0), r) \subseteq f(D) \)
D: <1>1
A4: \( w = f(z_1) \)
A5: \( w \in \mathcal{D}(f(z_0), r) \)
A6: \( w \) kot na sliki
Velja \( \left| w \right| > \left| f (z_0) \right| \)
QED
Po <2>3 imamo protislovje.
A7: \( f \) nima ničel
A8: \( \left| f(z) \right| \) zavzame minimum v točki \( z_0 \in D \)
A9: \[ g(z) = \frac{1}{f(z)} \]
A10: \( \left| g(z_0) \right| \) ima maksimalno vrednost.
Dokaži: narobe
D: po <1>1 to ne more držati.
- QED
8.5. Posledica 1.50
- P1: \( f: D \to \mathbb{C} \) holomorfna nekonstantna.
- P2: \( K \subseteq D \) kompaktna
\( \left| f (z) \right|, z \in K \) doseže maksimum v robnih točkah.
Minimum \( \left| f(z) \right| , z \in K\) pa v robnih točkah ali ničlah znotraj \( K \).
9. Biholomorfne preslikave kroga didnt_look_at_it
9.1. Trditev 1.51 (Schwarzeva lema)
- P1: \( f: \mathcal{D}(0, 1) \to \mathcal{D}(0, 1) \) holomorfna
- P2: \( f(0)= 0 \)
Za vsak \( z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ \left| f(z) \right| \le \left| z \right| \]
- \[ \left| f'(0) \right| \le 1 \]
Če obstaja \( z_0 \in \mathcal{D}(0, 1) \), da je \( \left| f(z_0) \right| = \left| z_0 \right| \)
ali če je \( \left| f'(0) \right| = 1\), potem je
\( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1): \)
\[ \ f(z) = \alpha z, \, \]
\( \alpha \in \mathbb{C}, \alpha = \mathrm{konst} , \left| \alpha \right| = 1 \)
A1: \( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ \left| f(z) \right| \le \left| z \right| \]
A2: \( f(z) = a_0 + a_1 z + a_2 z ^2 + \ldots \)
\( a_0 = 0 \)
D: P2
\[ g(z) = \frac{f(z)}{z} = a_1 + a_2 z + \ldots \]
ima odpravljive singularnosti pri \( z = 0 \).
D: Koeficienti z negativnimi indeksi so enaki \( 0 \).
A3: \( g(0) = f'(0) = a_1 \)
\( g \) je holomorfna.
D: Z A3 imamo razvoj v potenčno vrsto.
A4: \( \left| r \right| < 1\)
\[ g(z) \le \max_{\left| \xi \right| = r} \left| g(\xi) \right| \]
D: princip maksimuma
A5: \( \xi_0 \in \mathcal{D}(0, r) \)
A6: \( \left| g \left( \xi_0 \right) \right| \) je maksimum funkcije
\[ \left| g(z) \right| \le \left| g(\xi_0) \right| \]
D: <2>4
\[ \frac{\left| f(z) \right|}{\left| z \right|} \le \frac{\left| f(\xi_0) \right|}{\left| \xi_0 \right|} = \frac{\left| f(\xi_0) \right|}{r} \]
D: <2>2 ter <2>5
\( \left| f(\xi_0) \right| = 1 \) (ali pa konstanta)
D: A3
QED
Za \( r \to 1 \) sledi \( \frac{\left| f(z) \right|}{\left| z \right|} \le 1 \)
\[ \left| f'(0) \right| = \left| a_1 \right| = \left| g(0) \right| \le 1 \]
D: A3 ter <1>1<2>8
A7: \( z_0 \in \mathcal{D}(0, 1) \)
A8: \( \left| f(z_0) \right| = \left| z_0 \right| \)
A9: \( \left| f'(0) \right| = 1 \)
\( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ f(z) = \alpha z \]
\( \alpha \in \mathbb{C}, \alpha = \mathrm{konst}, \ \left| \alpha \right| = 1 \)
\( \left| g(0) \right| = 1 \)
D: A9
- \( g \) zavzame maksimum v \( z = 0 \) ali
V \( z_0 \) funkcija \( \left| g(z) \right| \) zavzame maksimum.
D: \( \left| g(z_0) \right| = 1 \) in definicija \( g(z) \) <1>1 <2>2
\( g(z) \) konstantna na \( \mathcal{D}(0, 1) \).
D: Princip maksima
\( g(z) = \alpha \)
D: <2>2
\[ f(z) = \alpha z, \ \alpha = g(z_0) \implies \left| \alpha \right|= \left| g(z_0) \right| = 1 \]
D: <2>3 ter <2>1
9.2. Definicija 1.29
Če ima holomorfna bijektivna preslikava holomorfen inverz, ji pravimo biholomorfna preslikava.
9.3. Trditev
- P1: fiksen \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
P2: preslikava
\[ f_{\alpha} (z) = \frac{z - a}{1 - \bar{\alpha} z} \]
Funkcija \( f \) je holomorfna na neki okolici \( \bar{D}(0, 1) \).
A1: \( d(\alpha, 0) < 1 \)
Pol funkcije je \( z = \frac{1}{{\bar{\alpha}} \)
D: P2
\[ \left| z \right| = \frac{1}{\left| \bar{\alpha} \right|} = \frac{1}{\left| \alpha \right|} \]
D: Absolutna vrednost kompleksnega števila.
\( \left| z \right| > 1 \)
D: <1>2
- QED
9.4. Trditev 1.52a
- P1: fiksen \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
P2: preslikava
\[ f_{\alpha} (z) = \frac{z - a}{1 - \bar{\alpha} z} \]
\[ f_{\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) \subseteq \partial \mathcal{D}(0, 1) \]
Dokazujemo:
A1: \( \left| z \right| = 1\)
\[ \left| f_{\alpha} (z) \right| = 1 \]
\[ \left| f_{\alpha} \left( z \right) \right| = \left| \frac{z - \alpha}{1 - \bar{\alpha} z} \right| \]
D: P2
\[ = \left| \frac{z - \alpha}{1 - \alpha \bar{z}} \right| \]
D: \( \frac{1}{1 - \bar{\alpha} z } = \frac{1}{\overline{1 - \bar{\alpha} z} } \)
\[ = \left| \frac{z - \alpha}{1 - \frac{\alpha}{z} } \right| \]
D: \( \bar{z} = \frac{1}{z} \), saj \( z \bar{z} = 1 \)
- \[ \left| \frac{z (z - \alpha)}{z - \alpha} \right| =1 \]
- QED
9.5. Trditev 1.52b
- P1: fiksen \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
P2: preslikava
\[ f_{\alpha} (z) = \frac{z - a}{1 - \bar{\alpha} z} \]
\[ f_{\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) \subseteq \mathcal{D}(0, 1) \]
A1: \( z_0 \in \mathcal{D}(0, 1) \) A2: \( \left| f_{\alpha} \left( z_0 \right) \right| \ge 1 \)
\( \left| f_{\alpha} (z) \right| \) zavzame maksimum v \( \mathcal{D}(0, 1) \).
D: A2
\( f_{\alpha} \) je konstantna za vsak \( z \in \mathcal{D} (0, 1) \)
D: Princip maksimuma
<1>2 ne drži.
D: Hkrati velja \( f_{\alpha}(\alpha) = 0 \) P2, ter A2
QED
D: Sledi \( \left| f_{\alpha} \right| < 1 \)
9.6. Trditev 1.52c
- P1: fiksen \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
P2: preslikava
\[ f_{\alpha} (z) = \frac{z - a}{1 - \bar{\alpha} z} \]
\( f_{\alpha} \) je bijektivna z inverzom \( f_{-\alpha} \)
\[ f_{-\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) \subseteq \partial \mathcal{D}(0, 1) \]
D: \( \left| - \alpha \right| < 1 \) ter trditev 1.52a
\[ f_{-\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) \subset \mathcal{D}(0, 1) \]
D: \( \left| - \alpha \right| < 1\) ter trditev 1.52b
\[ \left( f_{\alpha} \circ f_{-\alpha} \right) (z) = z \]
Dokaz:
\[ = f_{\alpha} \left( \frac{z + \alpha}{1 + \bar{\alpha} z} \right) \]
D: P2 za \( -\alpha \)
\[ = \frac{\frac{z + \alpha}{1 + \bar{\alpha} z }- \alpha}{1 - \bar{\alpha} \frac{z + \alpha}{1 + \bar{\alpha} z } } \]
D: <2>1
- \[ = \frac{z + \alpha - \alpha - \left| \alpha \right| ^2 z}{1 + \bar{\alpha} z - \bar{\alpha} z - \left| \alpha \right| ^2} \] D: <2>2
- \[ = \frac{1 - \left| \alpha \right| ^2}{1 - \left| \alpha \right| ^2} z = z \]
- QED
\[ \left( f_{-\alpha} \circ f_{\alpha}\right) (z) = z \]
Dokaz:
\[ = f_{-\alpha} \left( \frac{z - \alpha}{1 - \bar{\alpha} z } \right) \]
D: P2
\[ = \frac{\frac{z + \alpha}{1 + \bar{\alpha} z} - \alpha}{1 - \bar{\alpha} \frac{z + \alpha}{1 + \bar{\alpha} z}} \]
D: <2>1
\[ = \frac{z + \alpha - \alpha - \left| \alpha \right| ^2 z}{1 + \bar{\alpha} z - \bar{\alpha} z - \left| \alpha \right| ^2} \]
D: <2>2
\[ = z \frac{1 + \left| \alpha \right| ^2}{1 + \left| \alpha \right| ^2} = z \]
D: <2>3
QED
\[ f_{\alpha} \circ f_{-\alpha} = f_{-\alpha} \circ f_{\alpha} = \mathrm{id}_{\bar{\mathcal{D} }(0, 1)} \]
9.7. Trditev 1.52d
- P1: fiksen \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
P2: preslikava
\[ f_{\alpha} (z) = \frac{z - a}{1 - \bar{\alpha} z} \]
\[ f_{\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) = \partial \mathcal{D}(0, 1) \]
\[ \partial \mathcal{D}(0, 1) = f_{\alpha} \left( f_{-\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) \right) \]
D: \( f_{\alpha} \) je bijektivna.
\[ f_{\alpha} \left( f_{-\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) \right) \subseteq f_{\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) \]
D: Trditev 1.52a za \( \left| - \alpha \right| < 1 \)
\[ f_{\alpha} \left( \partial \mathcal{D}(0, 1) \right) \subseteq \partial \mathcal{D}(0, 1) \]
D: Trditev 1.52a
QED
D: <1>1 je enaka <1>3
9.8. Trditev 1.52e
- P1: fiksen \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
P2: preslikava
\[ f_{\alpha} (z) = \frac{z - a}{1 - \bar{\alpha} z} \]
\[ f_{\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) = \mathcal{D}(0, 1) \]
\[ \mathcal{D}(0, 1) = f_{\alpha} \left( f_{-\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) \right) \]
D: \( f \) je bijektivna.
\[ f_{\alpha} \left( f_{-\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) \right) \subseteq f_{\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) \]
D: Trditev 1.52b za \( \left| -\alpha \right| < 1 \)
\[ f_{\alpha} \left( \mathcal{D}(0, 1) \right) \subseteq \mathcal{D}(0, 1) \]
D: Trditev 1.52b
QED
D: <1>1 in <1>3 sta enaki.
9.9. Izrek 1.53
Vsaka biholomorfna preslikava \( f: \mathcal{D}(0, 1) \to \mathcal{D}(0, 1) \) je oblike
\[ f(z) = \beta f_{\alpha} \]
za \( \left| \beta \right| = 1 \) in \( \alpha \in \mathcal{D}(0, 1) \)
A1: \( f(0) = 0 \)
A2: \( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ \left| f(z) \right| \le \left| z \right| \]
D: Schwarzeva lema
A3: \( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ \left| f(z) \right| = \left| z \right| \]
\( f^{-1} : \mathcal{D}(0, 1) \to \mathcal{D}(0, 1) \) je bijektivna in holomorfna.
D: \( f: \mathcal{D}(0, 1) \to \mathcal{D}(0, 1) \) je bijektivna in holomorfna.
A4: \( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ \left| f^{- 1} (z) \right| \le \left| z \right| \]
D: Schwarzeva lema
\[ z = f \left( f^{-1} (z) \right) \]
D: Identiteta funkcija
\[ \left| f \left( f^{-1} (z) \right) \right| \le \left| f(z) \right| \le \left| z \right| \]
D: <2>2 ter <1>1
- QED
A5: \( \forall z \in \mathcal{D}(0, 1) \)
A6: \( \left| \alpha \right| = 1 \)
\[ f(z) = \alpha z = \alpha f_0 \left( z \right) \]
D: Definicija \( f_{\alpha} \)
A7: \( \beta \in \mathcal{D}(0, 1) \)
A8: \( f(0) = \beta \)
A9: \[ g:= f_{\bamma} \circ f \]
Funkcija \( g: \mathcal{D}(0,1) \to \mathcal{D}(0, 1) \) je bijektivna.
D: Funkciji kompozituma sta biholomorfni
\( g(0) = 0 \)
D: \[ g(0) = f_{\beta} \left( f (0) \right) = f_{\beta} (\beta) = 0 \]
in prvi primer
\[ g(z) = \alpha z \]
D: Prvi primer
\[ f(z) = \alpha f_{-\gamma } \]
Dokaz:
\[ f_{\beta} \left( f(z) \right) \alpha z \]
D: Definicija \( g \) ter <1>6
\[ f(z) = f_{-\beta} \left( \alpha z \right) \]
D: Inverz funkcije \( f_{\beta} \)
\[ f(z) = \frac{\alpha z + \beta}{1 - \bar{\beta} \alpha z} \]
D: <2>2
\[ f(z) = \alpha \frac{z + \bar{\alpha} \beta}{ 1 + \bar{\beta} \alpha z } = \alpha f_{-\bar{\alpha} \beta } (z) \]
D: definicija \( f_{\alpha} \) ter <2>3
- QED
- QED
10. Ulomljene linearne transformacije didnt_look_at_it
10.1. Definicija 1.30
Ulomljena linearna transformacija je preslikava \( f: \mathbb{C} \to \mathbb{C} \) dana s predpisom
\[ f(z) = \frac{az + b}{cz + d} \]
za dana kompleksna števila \( a, b, c, d \in \mathcal{C} \)
10.2. Lema 1.54
- P1: \[ A = \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} \]
- P2: \[ B = \begin{bmatrix} u & v \\ w & t \end{bmatrix} \]
- P3: \( f_A(z) \) je ulomljena linearna transformacija zapisana z matriko \( A \)
- P4: \( f_B(z) \) je ulomljena linearna transformacija zapisana z matriko \( B \)
\[ f_{AB }= f_A \circ f_B \]
\[ \left( f_A \circ f_B\right) (z) = f_A \left( f_B (z) \right) \]
D: Definicija kompozituma.
\[ \left( f_A \circ f_B \right) (z) = \frac{a \cdot \frac{uz + v}{wz + t} + b}{c \frac{uz + v}{wz + t} + d} \]
D: Definicija ulomljene linearne transformacije
\[ \left( f_A \circ f_B \right) (z) = \frac{\left( au + bw \right)z + av + bt}{\left( cu + dw \right) z + cv + dt} \]
D: <2>2
- \[ C = AB = \begin{bmatrix} au + bw & av + bt \\ cu + dw& cv + dt \end{bmatrix} \]
- QED
10.3. Posledica 1.55
- P1: \( A \) obrnljiva
\[ f_A ^{-1} = f_{A^{-1} } \]
\[ f_A \circ f_{A^{-1} } = f_{AA^{-1} } \]
D: Lema 1.54
- \[ f_{AA^{-1} } = f_I = z = \mathrm{id } \]
- \[ f_{A^{-1}} \circ f_A = f_{A^{-1}A} \]
- \[ f_{A^{-1}A} = f_I = z = \mathrm{id } \]
10.4. Trditev 1.56
\( f_A \) je konstanta natanko tedaj, ko je \( \mathrm{det} A = ad - bc = 0 \)
\( \impliedby \) A1: \( \det A \ne 0 \)
\( f_A \) ni konstantna.
D: \( A \) obrnljiva.
\( \implies \) A2: \( ad = bc \)
\[ f(z) = \mathrm{konst} \]
A3: \( c \ne d \ne 0 \)
\[ \frac{a}{b} = \frac{c}{d} \]
D: A3
- \[ f(z) = \frac{\frac{a}{c} z + \frac{b}{c} z}{z + \frac{d}{c} } = \frac{b}{d} \left( \frac{z + \frac{d}{c} }{ z + \frac{d}{c} } \right) \]
QED
D: <2>2
A4: \( c \ne 0, \ d = 0 \)
\[ f(z) = \frac{az + 0 }{cz + 0} = \frac{a}{c} \]
D: \( d = 0 \) implicira \( b = 0 \)
A5: \( c = 0, \ d \ne 0 \)
\[ f(z) = \frac{0z + b}{0z + d} = \frac{b}{d} \]
D: \( c = 0 \) implicira \( a = 0 \)
A6: \( c = 0 = d \)
Funkcija \( f(z) \) ne obstaja.
- QED
- QED
10.5. Vrste preslikav
- \( a = d = 1 \), \( c = 0 \) translacija: \( f(z) = z + b \)
- \( b = c = 0 \), \( d = 1 \) razteg ali homotetija: \( f(z) = az \), \( a > 0 \)
- \( b = c = 0 \), \( d = 1 \), \( a = e^{\mathrm{i} t} \), rotacija za kot \( t \)
- \( a = d = 0 \), \( b = c = 1 \), inverzija: \( f(z) = \frac{1}{z} \)
10.6. Trditev 1.57
Vsaka ulomljena linearna transformacija je kompozitum tipov 1. do 4.
A1: \[ f(z) = \frac{az + b}{cz + d} \]
A2: \( c = 0 \)
A3: \( d \ne 0 \)
\( f(z) \) je kompozitum translacije in raztega.
D: \[ z \mapsto \frac{a}{d} z \mapsto \frac{a}{d} z + \frac{b}{d} \]
A4: \( c \ne 0 \)
A5: \( d = 0 \)
\( f(z) = \frac{az + b}{cz} \) je kompozitum inverza, raztega in translacije.
D: \[ z \mapsto \frac{1}{z} \mapsto \frac{b}{c} \frac{1}{z} \mapsto \frac{a}{c} + \frac{b}{c} \frac{1}{z} \]
A6: \( c \ne d \ne 0 \)
\( f(z) = \frac{az + b}{cz + d} \) je kompozitum raztega, translacije in inverza.
D: \[ z \mapsto cz \mapsto cz + d \mapsto \frac{1}{cz + d} \mapsto \left( b - \frac{ad }{c} \right) \frac{1}{cz + d} \mapsto \frac{a \left( b - \frac{ad }{c} \right)}{cz + d} = \frac{az + b}{cz + d} \]
10.7. Lema 1.58
- P1: \( \alpha, \gamma \in \mathbb{R} \)
- P2: \( \beta \in \mathbb{C} \)
- P3: \( \left| \beta \right| > \alpha \gamma \)
Vsaka premica in krožnica se da zapisati kot
\[ \alpha \left| z \right| ^2 + \beta z + \bar{\beta} \bar{z} + \gamma = 0 \]
- P4: \( \alpha \ne 0 \)
je krivulja krožnica.
A1: \( z = x + \mathrm{i} y \)
A2: \( \beta = a + \mathrm{i} b \)
\[ \alpha \left( x ^2 + y ^2 \right) + \left( x + \mathrm{i} y \right) \left( a + \mathrm{i} b \right) + \left( x - \mathrm{i} y \right) \left( a - \mathit{i}b \right) + \gamma = 0 \]
D: A1, A2 ter enačba.
\[ \alpha \left( x ^2 + y ^2 \right) + 2(ax - by) + \gamma = 0 \]
D: <1>1
A3: \( \alpha = 0 \)
Enačba predstavlja premico.
D: \[ -2by = -2ax - \gamma \]
A4: \( \alpha \ne 0 \) A5: \( \left| \beta \right| ^2 > \alpha \gamma \)
Enačba je krožnica in A5 zagotovi, da množic točk, ki jo opisuje enačba ni prazna.
- QED
10.8. Izrek 1.59
Vsaka ulomljena linearna transformacija slika krožnice in premice v krožnice in premice.
- Premik slika krožnice v krožnice ter premice v premice.
- Raztegi slikajo krožnice v krožnice ter premice v premice.
- Rotacije slikajo krožnice v krožnice ter premice v premice.
- Inverzija ohranja družino premic in krožnic.
A1: \( f(z) = \frac{1}{z} \)
A2: \( \alpha \left| z \right| ^2 + \beta z + \bar{\beta} \bar{z} + \gamma = 0 \)
\[ \frac{\alpha}{\left| z \right| ^2} + \frac{\beta}{z} + \frac{\bar{\beta} }{\bar{z} } + \gamma = 0 \]
- \[ \alpha + \beta \bar{z} + \bar{\beta} z + \gamma \left| z \right| ^2 = 0 \]
QED
D: za \( \alpha ' = \gamma \), \( \beta ' = \bar{\beta} \) ter \( \gamma' = \alpha \) dobimo prvotno enačbo.
10.9. Izrek 1.60
- P1: \( z_1, z_2, z_3 \in \hat{\mathbb{C} } \) različne točke
- P2: \( w_1, w_2, w_3 \in \hat{\mathbb{C} } \) različne točke
Obstaja natanko ena ulomljena linearna preslikava \( f: \hat{\mathbb{C} } \to \hat{\mathbb{C} } \), za katero velja \( f(z_1) = w_1 \), \( f(z_2) = w_2 \) ter \( f(z_3) = w_3 \).
A1: \( w_1 = 0 \)
A2: \( w_2 = 1 \)
A3: \( w_3 = \infty \)
\[ f(z) = \frac{z - z_1}{z - z_3} \frac{z_2 - z_3}{z_2 - z_1} \]
ustreza sliki \( f(z_1) = 0 \), \( f(z_2) = 1 \) in \( f(z_3) = \infty \).
- Obstajata enolični transformaciji \( f, g : \hat{\mathbb{C} } \to \hat{\mathbb{C} } \), da je \( f(z_1) = g(w_1) = 0 \), \( f(z_2) = g(w_2) = 1 \) ter \( f(z_3) = g(w_3) = \infty \)
Preslikava \( h = g^{-1} \circ f : \hat{\mathbb{C} } \to \hat{\mathbb{C} }\) je ulomljna linearna preslikava.
D: inverz in kompozitum vsake ulomljene linearne preslikave je ulomljena linearna preslikava.
Velja
\[ h(z_1) = g^{-1} \left( f(z_1) \right) = g^{-1} (0) = w_1 \]
D: <1>2, <1>3 ter predpostavke.
Velja
\[ h(z_2) = g^{-1} \left( f(z_2) \right) = g ^{-1} (1) = w_2 \]
Velja
\[ h (z_3) = g^{-1} \left( f(z_3) \right) = g^{-1} (\infty) = w_3 \]
- \( h \) je enolično določen
A4: \( h_1 : \hat{\mathbb{C} } \to \hat{\mathbb{C} } \)
A5: \( h_1 \) ima enake lastnosti kot \( h \)
\[ g \circ h = g \circ h_1 \]
Velja
\[ \left( g \circ h \right) \left( z_1 \right) = \left( g \circ h_1 \right) (z_1) = 0 \]
Velja
\[ \left( g \circ h \right) (z_2) = \left( g \circ h_1 \right) (z_2) = 1 \]
Velja
\[ \left( g \circ h \right) (z_3) = \left( g \circ h_1 \right) (z_3) = \infty \]
- QED
- QED
11. Kompleksna \( \Gamma \) funkcija didnt_look_at_it
11.1. Definicija 1.32
Na polravnini \( \Re z > 0 \) definiramo Eulerjevo \( \Gamma \) funkcijo s predpisom
\[ \Gamma(z) = \int\limits_0^{\infty} t^{z - 1} e^{- t} \, \mathrm{d} t \]
11.2. Lema 1.65
- P1: \( D \) odprta množica
- P2: \( \left( f_n \right)_{n \in \mathbb{N} } \) zaporedje holomorfnih funkcij na \( D \)
- P3: \( \left( f_n \right)_{n \in \mathbb{N} } \) konvergirajo enakomerno po kompaktnih podmnožicah v \( D \) proti \( f \).
\( f \) je holomorfna.
A1: \( z \in D \)
A2: \( \partial \mathcal{D}(z, r) \subset D \)
\[ f_n(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D} \left( z, r \right)}^{} \frac{f_n(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: Po P2 so \( f_n \) holomorfne.
A3: \( n \to \infty \)
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(z, r)}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: P3
QED
D: Po Cauchyjevi formuli je funkcija \( f \) holomorfna na \( \mathcal{D}(z, r) \).
11.3. Izrek 1.66
Funkcija \( \Gamma(z) \) je holomorfna na \( \left\{ z \in \mathbb{C}; \ \Re z > 0 \right\} \)
A1: \[ F_n (z) = \int\limits_{\frac{1}{n} }^n t^{ z - 1} e ^{-t} \, \mathrm{d} t \]
Funkcija \( F_n (z) \) so holomorfna.
D: Integrand \( t^{z - 1} e^{-t} \) je zvezen.
Funkcije \( F_n (z) \) so zvezno odvedljive.
D: Odvod \( \frac{\partial }{\partial z} \left( t^{z - 1} e^{- t} \right) \) je zvezen na \( t \in \left[ \frac{1}{n}, n \right] \)
A2: \( F_n (z) \overset{n \to \infty}{\longrightarrow} \Gamma(z) \)
Konvergena je enakomerna na kompaktnih množicah \( K \) na \( \left\{ z \in \mathbb{C}, \ \Re z > 0 \right\} \)
A3: \( \delta = \min d \left( z \in K, \ \Re z = 0 \right) \)
A4: \( M = \max d \left( z \in K, \ \Re z = 0 \right) \)
\[ \int\limits_0^{\frac{1}{n } } t^{z - 1} e^{-t} \, \mathrm{d} t \overset{n \to \infty}{\longrightarrow} 0 \]
\[ t^{z - 1} = e^{(z - 1) \ln t} \]
D: Definicija logaritma.
A5: \( z = x + \mathrm{i} y \)
\[ t^{z - 1} = e^{(x - 1)\ln t} \cdot e^{\mathrm{i } y \ln t} \]
D: A5 ter <3>1
- \[ \left| t^{z - 1} \right| = t^{\Re z - 1} \]
- \[ \left| \int\limits_0^{\frac{1}{n} } t^{z - 1} e^{- t} \right| \le \int\limits_0^{\frac{1}{n} } \left| t^{z - 1} e ^{-t} \right| \]
- \[ = \int\limits_0^{\frac{1}{n} } t^{\Re z - 1} e^{- t} \, \mathrm{d} t \]
\[ \le \int\limits_0^{\frac{1}{n} } t^{M - 1} e ^{-t} \, \mathrm{d} t \]
D: A4
\[ \le \int\limits_0^{\frac{1}{n} } t^{M - 1} \, \mathrm{d} t \]
D: za \( t \in \left[ 0, \frac{1}{n} \right] \) je \( e^{-t} < 1 \)
- \[ = \left. \frac{t^M}{M} \right|_0 ^{\frac{1}{n} } = \frac{\left( \frac{1}{n} \right)^M}{M} \overset{n \to \infty}{\longrightarrow} 0 \]
- QED
- \[ \int\limits_n^{\infty} t^{z - 1} e^{-t} \, \mathrm{d} t \overset{n \to \infty}{\longrightarrow} 0
\]
- \[ \left| \int\limits_n^{\infty} t^{z - 1} e^{- t} \, \mathrm{d} t \right| \le \int\limits_n^{ \infty} t^{M - 1} e^{-t} \, \mathrm{d} t \]
A6: \( g(t) = t^{M - 1} e^{- \frac{t}{2} } < m \)
\[ \le m \int\limits_n^{\infty} e^{-\frac{t}{2} } \, \mathrm{d} t \]
- \[ = \left. - 2m e^{-\frac{t}{2} } \right|_n ^{\infty} = 2m e ^{- \frac{n}{2} } \overset{n \to \infty}{\longrightarrow} 0 \]
- QED
- QED
- QED
11.4. Podrobnosti
Velja
\[ \Gamma (z + 1) = z \Gamma (z) \]
Na območju \( - 1 < \Re z < 0 \) je \( \Gamma(z + 1) \) definiran. Tako lahko definiramo \( \Gamma(z) \) tudi za \( \Re z < 0 \)
\[ \Gamma(z) = \frac{\Gamma(z + 1)}{ z} \]
11.5. Riemannova zeta funkcija
\[ \zeta (s) = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} \frac{1}{n^s}, \ s \in \mathbb{R} \]
12. Harmonične funkcije
12.1. Definicija 2.1
- P1: \( D \subseteq \mathbb{R}^n \) odprta množica.
Dvakrat zvezno odvedljiva funkcija \( u: D \to \mathbb{R} \) je harmonična, če je
\[ \nabla ^2 = u_{x_1 x_1} + \ldots + u_{x_n x_n} = 0 \]
12.2. Definicija 2.2
- P1: \( D \subseteq \mathbb{R} ^n \)
- P2: \( n \in \mathbb{N} \), \( n > 1 \)
Funkcija \( u: D \to \mathbb{R} \) je radialno simetrična, če velja
\[ u(r) = f(r) \]
kjer je
\[ r = \left| \vec{x} \right| = \sqrt{x_1 + \ldots x_n ^2} \]
12.3. Trditev 2.1
- P1: \( D \subset \mathbb{R} ^2 \) enostavno povezano območje
- P2: \( u: D \to \mathbb{R} \) harmonična
Potem obstaja holomorfna funkcija \( f: D_{\mathbb{C} } \to \mathbb{C} \), da je \( \Re f = u \).
- Funkcija \( f(x + \mathrm{i} y) = u(x, y) + \mathrm{i} v(x, y) \) je holomorfna.
A1: \( (x, y) \in D \)
A2: \( (a, b) \in D \)
A3: \( \gamma_1 \) je ena pot, ki povezuje \( (x, y) \) in \( (a, b) \)
A4: \( \gamma_2 \) je druga pot, ki povezuje \( (x, y) \) in \( (a, b) \)
Za \( \gamma = \gamma_1 \cup \gamma_2^- \) je
\[ v(x, y) = \int\limits_{\gamma}^{} \left( -u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) \]
dobro definiran.
Dokaz:
\[ \int\limits_{\gamma}^{} \left( - u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) = \int\limits_{\gamma_1 }^{} \left( - u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) - \int\limits_{\gamma_2}^{} \left( - u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) \]
D: Integral po spoju poti.
\[ \int\limits_{\gamma}^{} \left( -u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) = \iint\limits_D^{} \left( u_{xx } - \left( - u_{yy } \right) \right) \,\mathrm{d x dy} = \iint\limits_D^{} \nabla ^2 u \,\mathrm{d x dy} \]
D: Greenova formula.
\[ \int\limits_{\gamma_1}^{} \left( - u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) = \int\limits_{\gamma_2}^{} \left( - u_y \, \mathrm{d} x + u_x \, \mathrm{d} y \right) \]
D: Predpostavka P2, <2>1 ter <2>2
- QED
Vektorsko polje
\[ \begin{bmatrix} -u_y \\ u_x \end{bmatrix} \]
je potencialno.
D: \[ \mathrm{rot} \begin{bmatrix} -u_{y} \\ u_{x} \end{bmatrix} = 0 \]
Obstaja \( v \in \mathcal{C}^1 \), da velja
\[ \begin{bmatrix} -u_y \\ u_x \end{bmatrix} = \mathrm{grad} v = \nabla v = \begin{bmatrix} v_x \\ v_y \end{bmatrix} \]
D: <1>3
QED
D: \( u \) je diferenciabilen, držijo CR enakosti.
12.4. Posledica 2.2
Vsaka harmonična funkcija \( u: U \to \mathbb{R} \), kjer je \( U \subseteq \mathbb{R} ^2 \) odprta množica, je neskončnokrat odvedljiva.
A1: \( a \in U \)
A2: \( \mathcal{D}(a, r) \subseteq U \)
Funkcija: \( u \) je realni del holomorfne funkcije \( f \) na okolici \( a \in U \).
D: Trditev 2.1 ter enostavna povezanost kroga.
\( u \) je neskončnokrat odvedljiva.
D: Holomorfna funkcija \( f \) je neskončnokrat odvedljiva.
12.5. Izrek 2.3 (Izrek o povprečni vrednosti)
- P1: \( D \subseteq \mathbb{R} ^2 \) odprta množica
- P2: \( u: D \to \mathbb{R} \) harmonična
- P3: \( a \in D \)
- P4: \( \bar{\mathcal{D}} (a, r) \subseteq D \)
\[ u(a) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} u \left( a + re^{\mathrm{i} \phi} \right) \, \mathrm{d} \phi \]
Krog \( \bar{\mathcal{D}}(a, r) \) je enostavno povezan
D: krog je enostavno povezan
A1: \( f \) holomorfen na \( \bar{\mathcal{D}}(a, r) \)
\[ u = \Re f \]
D: Trditev 2.1
\[ f(a) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \oint\limits_{\partial \mathcal{D}(a, r)}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - a} \, \mathrm{d} \xi \]
D: Cauchyjeva formula.
A2: parametrizacija \( \xi = a + r e^{\mathrm{i} \phi} \)
\[ f(a) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} f\left(a + re ^{\mathrm{i} \phi}\right) \, \mathrm{d} \phi \]
D: <1>3 ter A2
\[ u(a) = \Re f(a) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2 \pi} u \left( a + re ^{\mathrm{i} \phi} \right) \, \mathrm{d} \phi \]
D: <1>2 ter <1>4
12.6. Izrek 2.4 (Princip maksima in minima)
- P1: \( D \subseteq \mathbb{R} ^2 \) odprta povezana množica
- P2: \( u: D \to \mathbb{R} \) nekonstantna harmonična funkcija
- P3: \( K \subset D \) kompaktna
\( u \) na \( D \) ne doseže maksima ali minima. \( u \) zavzame minimum ali maksimum na robu \( K \).
A1: \( a \in D \)
A2: \( u \) v točki \( a \) zavzame maksimum
\[ u(a) = M \]
A3: Množica vseh točk v \( D \),kjer \( u \) zavzame maksimum:
\[ U = \left\{ z \in D, u(z) = M \right\} \]
Množica \( U \) je neprazna.
D: A2
A4: označimo prasliko \( U = u^{-1} \left( \left\{ M \right\} \right) \)
\( U \) je zaprta.
D: \( u \) je zvezna in \( \left\{ M \right\} \) je zaprta.
- \( U \) je odprta
A6: \( R > 0 \)
A7: \( b \in U \)
A8: \( \mathcal{D} (b, R) \setminus \left\{ b \right\} = \bigcup_{\rho < R} \partial \mathcal{D}(b, \rho) \)
\[ \mathcal{D}(b, R) \subseteq U \]
oz.
\[ \partial \mathcal{D}(b, \rho) \subseteq U \]
\[ M = u(b) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} u \left( b + \rho e^{\mathrm{i} \phi} \right) \, \mathrm{d} \phi \]
D: Izrek o povprečni vrednosti.
Velja \( u \left( b + \rho e^{\mathrm{i} \phi} \right) \le M \)
D: \( u(b) \) je maksimum
\[ 0 = \int\limits_0^{2\pi} \left( M - u(b + \rho e^{\mathrm{i} \phi}) \right) , \mathrm{d} \phi \]
D: <3>2
\[ M = u \left( b + \rho e^{\mathrm{i} \phi} \right), \forall \phi \]
D: <3>3 ter zveznost
\[ b + \rho e^{\mathrm{i} \phi} \in U, \forall \phi \]
D: <3>4 in A3
- QED
- QED
\[ U = D \]
D: <1>1, <1>2 ter <1>3 ter povezanost \( D \)
\( u \) je konstantna na \( D \)
D: A3, <1>4
QED
D: <1>5 je v protislovju z P2
12.7. Definicija 2.3 (Dirichletov problem za krog) anki
- P1: \( \mathcal{D}(0, 1) \subset \mathbb{R} \) odprta množica
- P2: \( \bar{\mathcal{D}} (0, 1) \) zaprtje množice \( \mathcal{D}(0, 1) \)
- P3: \( g \) zvezna funkcija na \( \partial \mathcal{D}(0, 1) \)
Iščemo zvezno funkcijo \( u: \bar{\mathcal{D}(0, 1)} \to \mathbb{R} \), za katero velja
- \( \left. u \right|_{\mathcal{D}(0, 1)} \) je harmonična
- \( \left. u \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} = g \)
12.8. Definicija 2.4
- P1: \( 0 \le r < 1 \)
- P2: \( \theta \in \mathbb{R} \)
Definiramo \( P_r : \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) s predpisom
\[ P_r \left( \theta \right) = \frac{1 - r ^2}{1 - 2r \cos \theta + r ^2} \]
ki ji rečemo Poissonovo jedro.
12.9. Trditev
\[ P_r (\theta) = \Re \left( \frac{1 + z}{1 - z} \right) \]
Dokažeš z \( z = r e^{\mathrm{i} \theta} \)
12.10. Trditev 2.5
Za Poissonova jedra veljajo naslednje lastnosti:
- \( P_r \) je zvezna
- \( P_r > 0 \)
- \( P_r (-\theta) = P_r (\theta) \)
- \( P_r \) je periodična s periodo \( 2 \pi \)
- \( 0 \le \delta \le \theta \le \pi \) \( \implies P_r(\theta) \le P_r (\delta) \)
- \( \lim_{r \nearrow 1} P_r (0) = \infty \)
- \( \forall \delta > 0 \) je \( \lim_{r \nearrow 1} P_r (\theta) = 0 \) enakomerno za \( 0 < \delta \le \left| \theta \right| \le \pi \).
- \( P_r \) je zvezna.
Pol je pri
\[ 1 - 2r \cos \theta + r ^2 = 0 \]
D: Definicija jedra.
\[ D = 4 r ^2 \cos ^2 \theta - 4 r ^2 \le 0 \]
D: Definicija diskriminante.
\( D = 0 \) za \( \theta = k \pi, \ k \in \mathbb{Z} \)
D: \( \cos ^2 \theta = 1 \) ter <2>1
A1: \( \theta = 0 \)
Pol je pri \( r= 1 \)
D: <2>1
- QED
- \( P_r > 0 \)
\( 1 - r ^2 > 0 \)
D: Definicija Poissonovega jedra \( r < 1 \)
\( 1 - 2r \cos \theta + r ^2 > 0 \)
D: \( r < 1 \) ter <1>1
\( P_r (-\theta) = P_r (\theta) \)
D: Sodost funkcije kosinus.
\( P_r \) je periodična s periodo \( 2\pi \)
D: Funkcija kosinus je periodična z \( 2 \pi \)
A2: \( 0 \le \delta \le \theta \le \pi \)
\[ P_r (\theta) \le P_r (\delta) \]
\( \cos \theta < \cos \delta \)
D: A2
A3: za fiksen \( r\in [0, 1) \)
\[ 1 - 2r \cos \theta + r ^2 > 1 - 2r \cos \delta + r ^2 \]
D: Množenje z minusom.
- <2>2 na potenco \( -1 \) obrne predznak.
- QED
- \( \lim_{r \nearrow 1} P_r (0) = \infty \)
\[ \lim_{r \nearrow 1} P_r (0) = \lim_{r \nearrow 1} \frac{1 -r ^2}{1 - 2r + r ^2} \]
D: Definicija Poissonovega jedra
- \[ \lim_{r \nearrow 1} \frac{1 + r}{1 - r} = \infty \]
- QED
- \( \forall \delta > 0 \) je \( \lim_{r \nearrow 1} P_r (\theta) = 0 \) enakomerno za \( 0 < \delta \le \left| \theta \right| \le \pi \).
A3: fiksen \( \delta > 0 \)
A4: \( 0 \le \delta \le \theta \le \pi \)
A5: \( \epsilon > 0 \)
A6: \( r_0 \le r < 1 \)
\[ P_r < \epsilon, \forall r \]
D: Točka 5 ter A5, A6
Limita \( \lim_{r \nearrow 1} P_r (\theta) = 0 \) enakomerno za \( \delta \le \left| \theta \right| \le \pi \)
D: \( 0 < P_r (\theta) \le P_r (\delta) < \epsilon \)
- QED
- QED
12.11. Izrek 2.6 (Poissonova formula)
- P1: \( u: \bar{\mathcal{D}} (0, 1) \to \mathbb{R} \)
- P2: \( u \) zvezna na \( \bar{\mathcal{D}}(0, 1) \)
- P3: \( u \) harmonična na \( \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ u \left( r e^{\mathrm{i} \phi} \right) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2 \pi} P_r \left( \theta - \phi \right) u \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \]
A1: \( u \) je harmonična na neki odprti okolici \( \bar{\mathcal{D}}(0, 1) \) Funkcija \( u \) je na okolici \( \mathcal{D}(0, 1) \) realni del neke holomorfne funkcije \( f \).
D: A3
A2: \( z = re^{\mathrm{i} \phi} \in \mathcal{D}(0, 1) \) A3: \( \left| \xi \right| = 1, \ \xi \in \partial \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i}} \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} \frac{f(\xi)}{\xi - z} \, \mathrm{d} \xi \]
D: Cauchyjeva formula
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} \frac{f(\xi)}{1 - z \bar{\xi} } \, \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi} \]
D: Izpostavimo \( \xi \) ter \( \xi \bar{\xi} = 1 \)
\[ \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} \frac{f(\xi)}{1 - \bar{z} \xi} \, \mathrm{d} \xi \]
nima pola na \( \mathcal{D}(0, 1) \) in je holomorfen.
Dokaz:
- Pol je pri \( \xi = \frac{1}{z} \)
\[ \left| \xi \right| = \frac{1}{\left| z \right|} > 1 \]
D: A1
\( \left| \xi \right| = 1 \)
D: A3
QED
D: <2>2 ter <2>3 sta v protislovju.
\[ f(z) = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} f(\xi) \left( \frac{1}{1 - z \bar{\xi}} + \frac{1}{1 - \bar{z} \xi} - 1 \right) \, \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi} \]
Dokaz:
- \[ \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} f(\xi) \left( \frac{1}{1 -\bar{z} \xi} - 1 \right) \, \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi} = \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} \frac{\bar{z} \xi f(\xi)}{1 - \bar{z} \xi} \, \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi} \]
\[ = \bar{z} \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} \frac{f(\xi)}{1 - \bar{z} \xi} \, \mathrm{d} \xi = 0 \]
D: Cauchyjev izrek ter <1>4
- QED
\[ = \frac{1}{2 \pi \mathrm{i} } \int\limits_{\partial \mathcal{D}(0, 1)}^{} f(\xi) \frac{1 - \left| z \right| ^2}{\left| 1 - \bar{z} \xi \right| ^2} \, \frac{\mathrm{d} \xi}{\xi} \]
D: A2
A4: \( z = re^{\mathrm{i} \phi} \)
A5: parametrizacija \( \xi = e^{\mathrm{i} \theta} \)
\[ = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} f \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \frac{1 - r ^2}{\left| 1 - re^{\mathrm{i} (\theta - \phi)} \right| ^2} \, \mathrm{d} \theta \]
D: A4, A5 ter <1>6
\[ = \frac{1}{2 \pi}\int\limits_0^{2 \pi} u \left( e^{\mathrm{i} \theta}\right) P_r \left( \theta - \phi \right) \, \mathrm{d} \theta \]
D: Definicija Poissonovega jedra ter <1>7
Dokazali smo na neki odprti okolici, želimo pa na odprti okolici zaprtega enotskega diska.
A6: \( 0 < \rho < 1 \)
A7: \( u_{\rho} (z) \equiv u \left( \rho z \right) \)
Funkcija \( u_{\rho} \) je harmonična za \( \rho < 1 \)
\( \left| z \right| < 1\)
D: \( u \) je harmonična na \( \mathcal{D}(0, 1) \)
\[ \left| \rho z \right| < 1 \]
D: A7
\[ \left| z \right| < \frac{1}{\rho} \]
D: <2>2
\[ \rho < 1 \]
D: <2>3
- QED
\[ u_{\rho} \left( re ^{\mathrm{i} \phi} \right) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2 \pi} P_r \left( \theta - \phi \right) u_{\rho} \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \]
D: <1>9 ter <1>8
A8: \( \rho \nearrow 1 \)
\( u_{\rho} (z) \) postane \( u(z) \)
D: zveznost
\[ u \left( re ^{\mathrm{i} \phi} \right) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} P_r \left( \theta - \phi \right) u \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \]
D: Enakomerna zveznost ter <1>10
- QED
12.12. Posledica 2.7
Za Poissonovo jedro velja
\[ \frac{1}{2\pi} \int\limits_0^{2 \pi} \frac{1 - r ^2}{1 - 2r \cos \theta + r ^2} \, \mathrm{d} \theta = 1 \]
A1: \( u = 1 \)
A2: \( \phi = 0 \)
\[ 1 = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2 \pi} P_r (\theta) \, \mathrm{d } \theta \]
Dokaz: Poissonovo jedro
- QED
12.13. Trditev 2.8 (rešitev Dirichletovega problema)
- P1: \( g: \partial \mathcal{D}(0, 1) \to \mathbb{R} \) zvezna funkcija.
Tedaj obstaja enolično določena funkcija \( u \), ki je zvezna na \( \bar{\mathcal{D}}(0, 1) \), harmonična na \( \mathcal{D}(0, 1) \) ter velja \(\left. u \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} \equiv g \).
- \( u \) je enolična
A1: \( u_1 \) rešitev Dirichletovega problema
A2: \( u_2 \) druga rešitev Dirichletovega problema
A3: \( u = u_1 - u_2 \)
\[ \nabla ^2 u = \nabla ^2 u_1 - \nabla ^2 u_2 = 0 \]
D: linearnost odvodov
- \[ \left. u \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} = \left. u_1 \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} - \left. u_2 \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} = g - g = 0 \]
- \( u = 0 \)
\( u \) harmonična na \( \mathcal{D}(0, 1) \)
D: Predpostavka.
\( u \) zavzame maksimum ali minimum na robu kroga \( \partial \mathcal{D}(0, 1) \)
D: Princip maksimuma in minimuma (\( u \) zavzame maksimum/minimum na zaprtem krogu) in po <2>2 je \( \left. u \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} = 0 \)
- QED
QED
D: \( u_1 = u_2 \) iz <1>3 ter A3
- \( u \) obstaja.
\( \left. u \right|_{\partial \mathcal{D}(0, 1)} = g \)
D: Po predpostavki.
\( u \) je harmonična na \( \mathcal{D}(0, 1) \)
Dokaži: \( u \) je realni del neke holomorfne funkcije
A4: \( z = re ^{\mathrm{i} \theta} \)
A5: Poissonovo jedro
\[ P_r (\theta) = \Re \left( \frac{1 + z}{1 - z} \right) \]
A6: \( \left| r \right| < 1\)
\[ u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} P_r \left( \theta - \phi \right) g \left( e^{\mathrm{i}\theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \]
\[ u \left( re ^{\mathrm{i} \phi} \right) = \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2 \pi} \Re \left( \frac{1 + re^{\mathrm{i} \left( \vartheta - \phi \right)}}{1 - re ^{\mathrm{i} \left( \theta - \phi \right)}} \right) g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \]
D: A5 ter definicija Poissonovega jedra
- \[ = \frac{1}{2\pi} \int\limits_0^{2\pi} \Re \left( \frac{e^{\mathrm{i} \theta} + re ^{\mathrm{i} \phi}}{e^{\mathrm{i} \theta} - re^{\mathrm{i}\phi}} \right) g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \]
\[ \Re \left( \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} \frac{e^{\mathrm{i} \theta} + z }{e^{\mathrm{i} \theta} - z} g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta \right) = \Re f(z) \]
D: Integral realnega dela kompleksne funkcije je enak realnemu delu integrala kompleksne funkcije
\( f(z) \) je odvedljiva
D: integrand je zvezen, parcialno zvezno odvedljiv po \( z \)
\( f(z) \) je holomorfna
D: <3>4
- QED
\( u \) je zvezna na \( \bar{\mathcal{D}} (0, 1) \)
Dokaži:
\[ u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right) \to g \left( e^{\mathrm{i} \Psi} \right) \]
A7: \( u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right)\overset{r \nearrow 1}{\longrightarrow} g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \)
\[ \left| u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \right| = \left| \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} P_r \left( \theta - \phi \right) g \left( re ^{\mathrm{i} \theta} \right) \, \mathrm{d} \theta - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \frac{1}{2 \pi} \int\limits_0^{2\pi} P_r \left( \theta - \phi \right) \, \mathrm{d} \theta \right| \]
D: A6 ter Poissonovo jedro za konstanto
- \[ = \frac{1}{2 \pi} \left| \int\limits_0^{2\pi} P_r \left( \theta - \phi \right) \left[ g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \right] \, \mathrm{d} \theta \right| \]
\[ P_r \left( \theta - \phi \right) \le M \]
D: \( P_r \left( \theta - \phi \right) \) je omejen, ker je \( \theta- \phi \) omejen z \( \delta \).
A9: \( \epsilon > 0 \)
\[ \left| g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \right| < \frac{\epsilon}{2} \]
D: \( \left| \theta - \phi \right| < \delta\)
- \[ \frac{1}{2 \pi} \left| \int\limits_0^{2 \pi} P_r \left( \theta - \phi \right) \left[ g \left( e^{\mathrm{i}\theta} \right) - g \left( e ^{\mathrm{i} \phi} \right) \right] \, \mathrm{d} \theta\right| \le \frac{1}{2\pi} \int\limits_0^{2\pi} P_r \left( \theta - \phi \right) \left| g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right)- g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \right| \]
\[ = \frac{1}{2 \pi} \left( M \int\limits_{\left| \theta -\phi \right|< \delta}^{} \left| g \left( e^{\mathrm{i} \theta}\right) - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \, \mathrm{d} \theta \right| + \int\limits_{\left| \theta - \phi \right| \ge \delta}^{} \left| g \left( e^{\mathrm{i} \theta} \right)- g \left( e^{\mathrm{i}\phi} \right) \right| P_r \left( \theta - \phi \right) \, \mathrm{d} \theta\right) \]
D: <3>3 ter razdelitev intervala \( [0, 2\pi] \) na manjše in večje od \( \delta \)
\[ < \frac{1}{2\pi} \left( M \frac{\epsilon}{2} + M_1 P_r (\delta) \right) \]
D: <3>4 ter \( P_r \left( \theta - \phi \right) \le P_r (\delta) \)
A10: \( r \nearrow 0 \)
\[ = 0 \]
D: Lastnost 8 Poissonovih jeder ter za vsak \( \epsilon \) večji od 0.
- \[ \left| u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \Psi} \right) \right| = \left| u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) + g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \Psi} \right) \right| \]
\[ \le \left| u \left( re^{\mathrm{i} \phi} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) \right| + \left| g \left( e^{\mathrm{i} \phi} \right) - g \left( e^{\mathrm{i} \Psi} \right) \right| = 0 + 0 \]
D: <3>8
- QED
12.14. Definicija
- P1: omejeno območje \( D \subset \mathbb{R} ^3 \)
- P2: \( \partial D \) gladek rob/ploskev območja \( D \)
- P3: \( \partial D \) parametriziran z \( \vec{r} = \vec{r} (t, s), \ (t, s) \in A \subseteq \mathbb{R} \)
- P4: Rob regularen \( \vec{r}_t \times \vec{r}_s \ne 0 \)
P5: enotska normala
\[ \vec{n} = \pm \frac{\vec{r}_t \times \vec{r}_s}{\left\lVert \vec{r}_t \times \vec{r}_s \right\rVert} \]
- P6: \( u \) odvedljiva funkcija v okolici \( \bar{D} \)
- P7: \( \vec{k} \in \partial D \) točka
Normalni odvod \( u \) v točki \( \vec{k} \) je
\[ \left( \partial_{\vec{n}} u \right) \left( \vec{k} \right) = \left( \nabla u \right)\left( \vec{k} \right) \cdot \vec{n} \]
12.15. Izrek 2.9 (Greenove identitete)
- P1: \( u, v \) dvakrat zvezno odvedljivi v okolici \( \bar{D} \)
Veljajo
- \[ \iint\limits_{\partial D}^{} v \partial_{\vec{n}} u \,\mathrm{d S} = \iiint\limits_D^{} \left( v \nabla ^2 u + \nabla u \nabla v \right) \,\mathrm{d V} \]
- \[ \iint\limits_{\partial D} \left( v \, \partial_{\vec{n}} u - u \, \partial_{\vec{n}} v \right) \,\mathrm{d S} = \iiint\limits_D^{} \left( v \nabla ^2 u - u \nabla ^2 v \right) \,\mathrm{d V} \]
Za vsak \( \vec{r}_0 \in D \) velja
\[ u \left( \vec{r}_0 \right)= \frac{1}{4\pi} \iint\limits_{\partial D}^{} \left( \frac{1}{\left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \, \partial_{\vec{n}} u \left( \vec{r} \right) - u \left( \vec{r} \right) \, \partial_{\vec{n}} \frac{1}{\left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \right) \, \mathrm{d} S - \frac{1}{4 \pi} \iiint\limits_D^{} \left( \frac{\nabla ^2 u}{\left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \right) \,\mathrm{d V} \]
\[ \iint\limits_{\partial D}^{} v \partial_{\vec{n}} u \,\mathrm{d S} = \iiint\limits_D^{} \left( v \nabla ^2 u + \nabla u \nabla v \right) \,\mathrm{d V} \]
Dokaz:
\[ \iint\limits_{\partial D}^{} v \, \partial_{\vec{n}} u \,\mathrm{d S} = \iint\limits_{\partial D}^{}v \nabla u \cdot \vec{n} \, \mathrm{d} S \]
D: Normalni odvod funkcije \( u \)
\[ = \iint\limits_{\partial D}^{} v \nabla u \,\mathrm{d } \vec{S} \]
D: \( \vec{n} \, \mathrm{d} S = \mathrm{d} \vec{S} \)
\[ = \iiint\limits_{D}^{} \mathrm{div} \left( v \nabla u \right) \,\mathrm{d V} \]
\[ \iint\limits_{\partial D}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} = \iiint\limits_{}^{} \mathrm{div} \vec{F} \,\mathrm{d V} \]
\[ \mathrm{div} \left( v \nabla u \right) = \nabla v \nabla u + v \nabla ^2 u \]
Dokaz:
\[ v \nabla u = v \begin{bmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} \\ \frac{\partial u}{\partial y} \\ \frac{\partial u}{\partial z} \end{bmatrix} \]
D: Definicija gradienta
\[ \mathrm{div}\, v \left( \nabla u \right) = \frac{\partial }{\partial x} v u_x + \frac{\partial }{\partial y} v u_y + \frac{\partial }{\partial z} v u_z \]
D: Definicija divergence ter <3>1
\[ = \frac{\partial v}{\partial x} u_x + \frac{\partial v}{\partial y} u_y + \frac{\partial v}{\partial z} u_z + v \left( u_{x x} + u_{yy }+ u_{zz } \right) \]
D: <3>2
- QED
- QED
\[ \iint\limits_{\partial D} \left( v \, \partial_{\vec{n}} u - u \, \partial_{\vec{n}} v \right) \,\mathrm{d S} = \iiint\limits_D^{} \left( v \nabla ^2 u - u \nabla ^2 v \right) \,\mathrm{d V} \]
D:
- Zamenjaš \( u \) in \( v \) iz prve Greenove identitete.
- QED
12.16. Posledica 2.10
- P1: \( u \) harmonična na \( \bar{D} \)
\[ \iint\limits_{\partial D}^{} \partial_{\vec{n}} u \,\mathrm{d S} = 0 \]
1 Greenova identiteta za poljuben \( u \) ter \( v \equiv 1 \), kjer je potem \( \nabla ^2 u = 0 \) zaradi harmoničnosti ter \( \nabla v = 0 \).
12.17. Izrek 2.11 (izrek o povprečni vrednosti)
- P1: \( u \) harmonična funkcija na območju \( \bar{D} \)
- P2: \( \vec{r}_0 \in D \)
- P3: \( \bar{\mathcal{K}} (\vec{r}_0, R) \subset D \)
\[ u \left( \vec{r}_0 \right) = \frac{1}{4 \pi R ^2} \iint\limits_{\partial \mathcal{K} \left( \vec{r}_0, R \right)}^{} u \left( \vec{r} \right) \,\mathrm{d S} \]
3 Greenova identita, kjer je \( D \) naša krogla \( \bar{\mathcal{K}} \)
\[ u \left( \vec{r}_0 \right) = \frac{1}{4 \pi} \iint\limits_{\partial \mathcal{K}( \vec{r}_0, R )}^{} \left( \frac{1}{\left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \partial_{\vec{n}} \left( \vec{r} \right) - u \left( \vec{r} \right) \partial_{\vec{n}} \frac{1}{\left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \right) \,\mathrm{d S} - \frac{1}{4 \pi} \iiint\limits_{\mathcal{K} \left( \vec{r}_0, R \right)}^{} \frac{\nabla ^2 u}{\left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \,\mathrm{d V} \]
\3. Greenova identiteta
\[ \iiint\limits_{\mathcal{K} \left( \vec{r}_0, R \right)}^{} \frac{\nabla ^2 u}{ \left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \,\mathrm{d V} = 0 \]
D: Harmoničnost funkcije \( u \)
\[ \iint\limits_{\partial \mathcal{K} \left( \vec{r}_0, R \right)}^{} \frac{1}{R} \partial_{\vec{n}} u \left( \vec{r} \right) \,\mathrm{d S} = 0 \]
D: Posledica 2.10
\[ \iint\limits_{\partial \mathcal{K} \left( \vec{r}_0, R \right)}^{} u \left( \vec{r} \right) \left( - \frac{1}{R ^2} \right) \,\mathrm{d S} = - \iint\limits_{\partial \mathcal{K} \left( \vec{r}_0, R \right)}^{} \frac{u}{R ^2} \,\mathrm{d S} \]
D: \( \left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert = R\) ter odvod.
- QED
12.18. Izrek 2.12 (Princip maksima in minima)
- P1: \( D \subset \mathbb{C} \) območje
- P2: \( u \) nekonstantna harmonična funkcija na \( D \)
- P3: \( K \subset D \) kompaktna množica
\( u \) na zavzame ne maksima niti minima na \( D \). Zvezna funkcija harmonična znotraj \( K \) zavzame maksimum in minimum na robu \( K \).
12.19. Definicija 2.5 (Dirichletov problem v \( \mathbb{R} ^3 \))
- P1: \( D \subset \mathbb{R} ^3 \) omejeno območje z gladkim robom
- P2: \( f: \partial D \to \mathbb{R} \) zvezna
Iščemo tako zvezno funkcijo \( u: \bar{D} \to \mathbb{R} \), da velja
- \( \left. u \right|_{\partial D} = f \)
- \( \nabla ^2 u = 0 \) na \( D \)
12.20. Definicija 2.6
Funkcija
\[ G \left( \vec{r}, \vec{r}_0 \right) = v \left( \vec{r} \right) - \frac{1}{4 \pi \left\lVert \vec{r} - \vec{r}_0 \right\rVert} \]
se imenuje Greenova funkcija.
Greenova funkcija ima naslednje lastnosti:
- \( G \) je harmonična funkcija
- \( \vec{r} \in \partial D \), potem je \( G \left( \vec{r} , \vec{r}_0 \right) = 0 \)
- \( \partial_{\vec{n}} G \left( \vec{r}, \vec{r}_0 \right) \) pa je Poissonovo jedro območna \( D \).
13. Fourierova transformacija
13.1. Definicija 3.1
- P1: \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{R} \)
Nosilec funkcije \( f \) je
\[ \mathrm{supp} \, f = \overline{\left\{ x \in \mathbb{R}, \ f(x) \ne 0 \right\} \]
Označimo zvezne funkcije s kompaktnim nosilcem kot \( \mathcal{C}_C \left( \mathbb{R} \right) \)
13.2. Definicija 3.2
Metrični prostor je urejen par \( \left( M, d \right) \), kjer je \( M \) množica in \( d \) metrika na množici \( M \), tj. funkcija \( d: M \times M \to \mathbb{R} \), ki zadošča naslednjim štirim aksiomom za vse \( x, y, z \in M \):
- \( d \left( x, y \right) \ge 0 \)
- \( d(x, y) = 0 \iff x = y \)
- \( d(x, y) = d (y, x) \) - simetričnost
- \( d(x, y) + d(y, z) \ge d(x, z) \) - trikotniška neenakost
Metrični prostor je poln, če ima vsako Cauchyjevo zaporedje v njem stekališče. Zaporedje \( \left( x_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \) v \( (M, d) \) je Cauchyjevo, če za vsak \( \epsilon > 0 \) obstaja tak \( N \in \mathbb{N} \), da za vsa naravna števila \( m, n > N \) velja \( d \left( x_m, x_n \right) < \epsilon \).
13.3. Some stuff
Prostor \( \mathcal{C}_C \left( \mathbb{R} \right) \) opremimo z metriko
\[ d_1 \left( f, g \right) = \int\limits_{- \infty}^{\infty} \left| f(x) - g(x) \right| \, \mathrm{d} x = \left\lVert f(x) - g(x) \right\rVert_1 \]
čemur rečemo tudi \( L^1 \)-norma funkcij \( f, g \)
Prostor \( L^1 \) napolnimo na dva načina:
- Prostor \( \left( \mathcal{C}_C, d_1 \right) \) napolnimo z limitami vseh Cauchyjevih zaporedij v \( \mathcal{C}_C \left( \mathbb{R} \right) \).
- Množica vseh ekvivalenčnih razredov Lebesgueovo absolutno integrabilnih funkcij \( f \in L^1 (\mathbb{R}) \iff \left\lVert f \right\rVert _1 < \infty \)
13.4. Definicija 3.3
- P1: \( f: L^1 (\mathbb{R}) \to C_0 (\mathbb{R}) \)
- P2: \( \xi \in \mathbb{R} \)
Fourierova transformiranka funkcije \( f \) je funkcije \( \hat{f} \), ki je definirana
\[ \hat{f} (\xi) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{- \infty}^{\infty} f(x) e^{ -\mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} x \]
13.5. Trditev 3.1
- P1: \( f, g \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\( \hat{f} \) je zvezna funkcija in
\[ \left| \hat{f}(\xi) \right| \le \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \left\lVert f \right\rVert_1 \]
P2: \( t \in \mathbb{R} \)
P3: \( e_t : \mathbb{R} \to \mathbb{C} \)
\[ e_t (x) = e^{\mathrm{i} t x} \]
Potem velja
\[ \widehat{f \cdot e_t } (\xi) = \hat{f}( \xi - t ) \]
P4: \( a > 0 \)
P5: \( f_{[a]}(x) = f(a x) \)
\[ \widehat{f_{[a]}} (\xi) = \frac{1}{a} \hat{f} \left( \frac{\xi}{a} \right) \]
P6: \( f_t (x) = f(x - t) \)
\[ \widehat{f_t} (\xi) = e^{-\mathrm{i} t \xi} \hat{f}(\xi) \]
P7: \( \mathrm{id} \cdot f: x \mapsto x f(x) \)
P8: \( \mathrm{id} \cdot f \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\[ \widehat{ \mathrm{id} \cdot f } (\xi) = - \frac{1}{i} \hat{f}' (\xi) \]
P9: \( f \) zvezno odvedljiva
P10: \( f' \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\[ \widehat{f'} (\xi) = \mathrm{i} \xi \hat{f}(\xi) \]
- \[ \widehat{\left( \alpha f + \beta g \right)} (\xi) = \alpha \hat{f} (\xi) + \beta \hat{g} (\xi) \]
- A1: \( h > 0, \ h \in \mathbb{R} \)
\[ \left| \hat{f}(\xi + h) - \hat{f}(\xi) \right| = 0
\]
\[ = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \left| \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{- \mathrm{i} x (\xi + h)} \, \mathrm{d} x - \int\limits_{- \infty}^{\infty} f(x) e^{- \mathrm{i} x \xi} \, \mathrm{d} x \right| \]
D: Definicija Fourierove transformacije
- \[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \left| \int\limits_{- \infty}^{\infty} f(x) e^{- \mathrm{i} \xi x} \left( e^{- \mathrm{i} h x} - 1 \right) \, \mathrm{d} x \right| \]
- \[ \le \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \left| f(x) \right| \left| e^{- \mathrm{i} hx } - 1 \right|\, \mathrm{d} x \]
A2: \( A > 0 \)
\[ \int\limits_{\left| x \right| > A}^{} \left| f(x) \right| \, \mathrm{d} x \]
ki je majhen
D: \[ \int\limits_{- \infty}^{\infty} \left| f(x) \right| \, \mathrm{d} x \le \infty \]
A3: \( \epsilon > 0 \)
\[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \left[ \int\limits_{\left| x \right| \ge A}^{} \left| f(x) \right| \left| e^{- \mathrm{i} h x} - 1 \right| \, \mathrm{d} x + \int\limits_{- A}^A \left| f(x) \right| \left| e^{-\mathrm{i}hx} - 1 \right| \, \mathrm{d} x \right] < \epsilon \]
Dokaz:
\[ \int\limits_{\left| x \right| \ge A}^{} \left| f(x) \right| \left| e^{- \mathrm{i} h x} - 1 \right| \, \mathrm{d} x < \frac{\epsilon}{2} \]
Dokaz:
A4: za vsak \( \epsilon > 0 \) obstaja \( A > 0 \)
\[ \int\limits_{\left| x \right| \ge A}^{} \left| f(x) \right| \, \mathrm{d} x \le \frac{\epsilon \sqrt{2\pi}}{4} \]
D: \( f \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\[ \left| e^{- \mathrm{i} h x} - 1 \right| \le 2 \]
D: \( \le \left| e^{- \mathrm{i} h x} \right| + \left| 1 \right| \le 2 \)
- QED
- \[ \int\limits_{- A}^A \left| f(x) \right| \left| e^{- \mathrm{i} h x} - 1 \right| \, \mathrm{d} x < \frac{\epsilon}{2}
\]
A5: \( \delta > 0 \)
\[ \left| e^{- \mathrm{i} \delta x} - 1 \right| \le \frac{\epsilon \sqrt{2\pi}}{2 \left\lVert f \right\rVert_1} \]
D: Funkcija \( e^{- \mathrm{i} x} \) je zvezna
A6: \( \left| xh \right| < A \left| h \right| < \delta \)
\[ \left| e^{- \mathrm{i} hx} - 1 \right| < \frac{\epsilon \sqrt{2 \pi}}{2 \left\lVert f \right\rVert_1} \]
D: <4>2
- \[ \int\limits_{-A}^A \left| f(x) \right| \, \mathrm{d} x \le \left\lVert f \right\rVert_1 \]
- QED
- QED
- QED
- \[ \left| \hat{f} (\xi) \right| = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \left\lVert f \right\rVert_1
\]
\[ \le \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{- \infty }^{\infty} \left| f(x) \right| \left| e^{- \mathrm{i} \xi x} \right| \, \mathrm{d}x \]
D: Definicija Fourierove transformacije
- \[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{- \infty}^{\infty} \, \mathrm{d} x \]
\[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \left\lVert f \right\rVert _1 \]
D: Definicija \( L^1 (\mathbb{R}) \) norme
- QED
- \[ \hat{f'} (\xi) = \mathrm{i} \xi \hat{f}(\xi)
\]
\[ \hat{f '} (\xi) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} f'(x) e^{- \mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} x \]
D: Definicija Fourierove transformacije
\[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \left( \left. e^{- \mathrm{i} \xi x} f(x) \right) \right|_{- \infty} ^{\infty} + \int\limits_{- \infty}^{\infty} f(x) \mathrm{i} \xi e^{- \mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} x \]
D: per partes, ter \( e^{- \mathrm{i} \xi x} f(x) \in L^1 (\mathbb{R}) \), kar pomeni, da je manjši od \( \infty \)
\[ = \mathrm{i} \xi \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{- \mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} x \]
D: <2>2
QED
D: \( = \mathrm{i} \xi \hat{f}(\xi) \)
14. Konvolucija
14.1. Definicija 3.4
- P1: \( f, g : \mathbb{R} \to \mathbb{C} \)
Konvolucija je operacija dana s predpisom
\[ \left( f \ast g \right) (x) = \int\limits_{-\infty}^{\infty} f (x - t) g(t) \, \mathrm{d} t \]
14.2. Trditev 3.2
- P1: \( f, g, h \in L^1 (\mathbb{R}) \)
- P2: \( \alpha, \beta \in \mathbb{C} \)
- \( f\ast g = g \ast f \) - komutativnost
- \( ( f \ast g ) \ast h = f \ast (g \ast h) \) - asociativnost
- \( \left( \alpha f + \beta g \right)\ast h = \alpha \left( f \ast h \right) + \beta \left( g \ast h \right) \)
\( f\ast g \in L^1 (\mathbb{R}) \),
\[ \left\lVert f \ast g \right\rVert_1 \le \left\lVert f \right\rVert_1 \cdot \left\lVert g \right\rVert_1 \]
Tej lastnosti se reče submultiplikativnost
14.3. Trditev 3.4
- P1: \( f, g \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\[ \widehat{f \ast g} (\xi) = \sqrt{2 \pi} \hat{f}(\xi) \hat{g}(\xi) \]
A1: \( f, g \in \mathcal{C}_C (\mathbb{R}) \)
\[ \widehat{f \ast g} (\xi) = \sqrt{2 \pi} \hat{f} (\xi) \hat{g}(\xi) \]
\[ = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \left( f \ast g \right) (x) e^{- \mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} x \]
D: Definicije Fourierove transformacije
\[ = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{- \infty}^{\infty} \, \mathrm{d} x \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x - t) g(t) e^{- \mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} t \]
D: Definicija konvolucije
\[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{- \infty}^{ \infty} \, \mathrm{d} t \int\limits_{- \infty}^{\infty} f(x - t) e^{- \mathrm{i }\xi x} g(t) \, \mathrm{d}t \]
D: Fubinijev izrek, ker je integrand \( \in \mathcal{C}_C (\mathbb{R}) \)
A2: nova spremenljivka \( x - t = y \)
\[ \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{- \infty}^{ \infty} \, \mathrm{d} t \int\limits_{- \infty}^{\infty} f(y) e^{- \mathrm{i}y \xi} g(t) e^{- \mathrm{i} \xi t} \, \mathrm{d} y \]
\[ = \int\limits_{-\infty}^{ \infty} e^{- \mathrm{i} \xi t} g(t) \cdot \hat{f}(\xi) \, \mathrm{d} t \]
D: Definicija Fourierove transformacije
QED
\[ = \sqrt{2 \pi} \hat{g}(\xi) \hat{f}(\xi) \]
A3: \( f, g \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\[ \widehat{f \ast g} (\xi) = \sqrt{2 \pi} \hat{f} (\xi) \hat{g}(\xi) \]
Obstaja zaporedje \( \left( f_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \), da \( \lim_{n \to \infty}f_n = f \)
D: A3
Obstaja zaporedje \( \left( g_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \), da \( \lim_{n \to \infty}g_n = g \)
D: A3
A4: \( \forall n \in \mathbb{N} \)
\[ \widehat{f_n \ast g_n} (\xi) = \sqrt{ 2\pi} \hat{f}_n (\xi) \hat{g}_n(\xi) \]
D: <2>1 in <2>2
QED
D: \( n \to \infty \)
14.4. Definicija 3.6 (Schwarzev razred funkcij)
Schwarzev razred funkcij je množica vseh funkcij \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{C} \), za katere velja
\( f \) je neskončnokrat zvezno odvedljiva (gladka)
\[ f \in \mathcal{C}^{\infty} (\mathbb{R}) \implies \exists f^{(n)} \forall n \in \mathbb{N} \]
- \( x \mapsto f^{(n)} (x) \cdot x^m \) so omejene funkcije za vse \( m, n \ge 0 \)
Množice teh funkcij označimo s \( \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
14.5. Lema 3.6
\[ \mathcal{S}(\mathbb{R}) \subseteq L^1 (\mathbb{R}) \]
A1: \( f \in \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} \left| f(x) \right| \, \mathrm{d} x < \infty \]
D: omejenost funkcije
Funkcija \( x \mapsto f(x) \cdot \left( 1 + x ^2 \right) \) je omejena
D: A1
A3: \( \left| f(x) \left( 1 + x ^2 \right) \right| \le M \) za vsak \( x \in \mathbb{R} \)
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} \left| f(x) \right| \, \mathrm{d} x \le \int\limits_{-\infty}^{ \infty} \frac{M}{1 + x ^2} < \infty \]
D: A3
QED
D: V <1>3 smo dokazali, da je tudi poljubna funkcija iz Schwarzevega razreda omejena in iz razreda \( L^1 (\mathbb{R}) \).
14.6. Trditev 3.8
- P1: \( f, g \in \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
Naslednje funkcije so tudi v \( \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
- \( f_t: x \mapsto f(x - t) \)
- za \( a > 0 \): \( f_{[a]}: x \mapsto f( ax ) \)
- \( \forall n \in \mathbb{N} \): \( f^{(n)} \)
- \( p(x) \) polinom: \( x \mapsto f(x) \cdot p(x) \)
- \( g \in \mathcal{S}(\mathbb{R}) \): \( \left(f \ast g \right) (x) \)
15. Inverzna Fourierova transformacija
15.1. Trditev 3.10
- P1: \( g_0: \mathbb{R} \to \mathbb{R} \)
- P2: \( g_0 (x) = e^{- \frac{x ^2}{2}} \)
Velja
\[ \hat{g}_0 (\xi) = g_0 (x) \]
ter
\[ \widehat{g_{0 [a]}} (\xi) = \frac{1}{a} e^{- \frac{\xi ^2}{2 a ^2}} \]
- \[ \hat{g}_0 (\xi) = g_0 (x)
\]
\[ \hat{g}_0 (\xi) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} e^{- \frac{x ^2}{2}} e^{- \mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} x \]
D: Definicija Fourierove transformacije
\[ = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{- \frac{\xi ^2}{2}} \int\limits_{- \infty}^{\infty} e^{- \frac{1}{2} \left( x + \mathrm{i} \xi \right) ^2} \]
D: Dopolnitev do popolnega kvadrata
- \[ e^{- \frac{\xi ^2}{2}} \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \lim_{A \to \infty} \int\limits_{- A}^A e^{- \frac{1}{2} \left( x + \mathrm{i} \xi \right)} \, \mathrm{d} x \]
A1: Nova spremenljivka \( z = x + \mathrm{i} \xi \)
\[ e^{- \frac{\xi ^2}{2}} \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \lim_{A \to \infty} \int\limits_{- A + \mathrm{i} \xi}^{A + \mathrm{i} \xi } e^{- \frac{1}{2} z ^2} \, \mathrm{d} x \]
D: A1
\[ \oint\limits_{\gamma}^{} e^{- \frac{z ^2}{2}} \, \mathrm{d} z= 0 \]
D: Cauchyjev izrek za celo funkcijo brez singularnosti
\[ = \int\limits_{- A}^A e^{- \frac{z ^2}{2}} \, \mathrm{d} z + \int\limits_{\gamma_1}^{} e^{- \frac{z ^2}{2}} \, \mathrm{dz} - \int\limits_{- A + \xi \mathrm{i}}^{A + \xi \mathrm{i}} e^{- \frac{z ^2}{2}} \, \mathrm{d} z + \int\limits_{\gamma_2}^{} e^{- \frac{ z ^2}{2}} \, \mathrm{d} z \]
D: Zaključena zanka
- \[ \int\limits_{\gamma_1}^{} e^{- \frac{z ^2}{2}} \, \mathrm{d} z = \int\limits_{\gamma_2}^{} e^{- \frac{z ^2}{2}} \, \mathrm{d}z = 0 \]
\[ \lim_{A \to \infty} \int\limits_{- A + \mathrm{i} \xi}^{A + \mathrm{i} \xi} e^{- \frac{ z ^2}{2}} \, \mathrm{d} z = \int\limits_{- \infty}^{ \infty} e^{- \frac{ z ^2}{2}} = \sqrt{2\pi} \]
D: <2>6 ter \( \Gamma \) funkcija preko substitucije \( u = \frac{x ^2}{2} \)
QED
D: <2>4 ter <2>8
- \[ \widehat{ g_{0[a]} } (\xi) = \frac{1}{a} \hat{g}_0 \left( \frac{\xi}{a} \right)
\]
\[ = \frac{1}{a} e^{- \left( \frac{\xi}{a} \right)^2 \frac{1}{2}} \]
D: <1>1
- QED
- QED
15.2. Notacija
Gledamo funkcije \( g \in L^1(\mathbb{R}) \), za katere velja
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} g(x) \, \mathrm{d} x = 1 \]
Za \( \delta > 0 \) označimo
\[ g_{(\delta)} (x) = \frac{1}{\delta} g \left( \frac{x}{\delta} \right) \]
ter opazimo, da velja
\[ \hat{g}_{[\delta]} = g_{(\delta)} \]
Velja
\[ \int\limits_{- \infty}^{ \infty} g_{(\delta)} (x) \, \mathrm{d} x = \int\limits_{-\infty}^{\infty} g(x) \, \mathrm{d} x \le \int\limits_{- \infty}^{\infty} \left| g(x) \right| < \infty \]
ter
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} g_{(\delta)}(x) \, \mathrm{d} x = 1 \]
15.3. Trditev 3.11
- P1: \( g \in L^1 (\mathbb{R}) \)
- P2: \( \int\limits_{- \infty}^{ \infty} g(x) \, \mathrm{d} x = 1 \)
za vsako zvezno omejeno funkcijo \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{C} \) velja
\[ f \ast g_{(\delta)} (x) \overset{\delta \to 0}{\longrightarrow} f \]
enakomerno konvergira na vsakem končnem zaprtem intervalu.
\( f \in L^1 (\mathbb{R}) \)
\[ \left\lVert f (x) - f \ast g (x) \right\rVert _1 \overset{\delta \to 0}{\longrightarrow} 0 \]
A1: \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{C} \) zvezna
A2: \( f \) omejena
\[ f \ast g_{(\delta)} (x) \overset{\delta \to 0}{\longrightarrow} f \]
oz.
\[ \left| \left( f \ast g_{(\delta)} \right)(x) - f(x) \right| = 0 \]
A3: \( x \in [a, b ] \)
\[ = \left| \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x - t) g_{(\delta)} (t) \, \mathrm{d} t - \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x) g_{(\delta)}(t) \, \mathrm{d} t \right| \]
D: Definicija konvolucije \( g_{(\delta)} \) ter to, da je \( \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x) g_{(\delta)} (t) \, \mathrm{d} t = 1 \cdot f(x) \)
\[ = \left| \int\limits_{-\infty}^{\infty} \left[ f(x - t) - f(x) \right] g_{(\delta)} (t) \, \mathrm{d} t \right| \]
D: <2>1
\[ = \int\limits_{- \infty}^{\infty} \left| f(x - t) - f(x) \right| \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\sigma} \right) \right| \, \mathrm{d} t \]
D: <2>2
\( M = \sup f(x) \)
D: Po A2 je \( f \) omejena
- \[ = \int\limits_{\left| t \right|< \delta}^{} \left| f( x - t ) - f(x) \right| \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t + \int\limits_{\left| t \right| \ge \delta}^{} \left| f(x - t) - f(x) \right| \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t = 0
\]
- \[ \int\limits_{\left| t \right| < \delta}^{} \left| f(x - t) - f(x) \right| \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t = 0
\]
A4: \( \left| t \right| < \delta \)
A5: \( \forall \epsilon > 0 \)
\[ \left| f(x - t) - f(t) \right| < \frac{\epsilon}{2 \left\lVert g_{(\delta)} \right\rVert_1} \]
D: A1, funkcija \( f \) je (enakomerno) zvezna
- \[ \le \frac{\epsilon}{2 \left\lVert g \right\rVert_1} \int\limits_{\left| t \right| < \delta}^{} \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t \]
- \[ \int\limits_{\left| t \right|< \delta}^{} \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t \le \left\lVert g \right\rVert_1 \]
- \[ = \frac{\epsilon}{2} \]
- QED
- \[ \int\limits_{\left| t \right| \ge \delta}^{} \left| f(x - t) - f(x) \right| \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t = 0
\]
\[ \left| f(x - t) - f(x) \right| \le \left| f(x - t) \right| + \left| f(x) \right| \le 2 M \]
D: <2>4
A6: \( \delta \to 0 \)
\[ \int\limits_{\left| t \right| \ge \delta}^{} \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t \le \frac{\epsilon}{4 M} \]
D: \( g \in L^1 (\mathbb{R}) \)
- QED
- QED
- \[ \int\limits_{\left| t \right| < \delta}^{} \left| f(x - t) - f(x) \right| \frac{1}{\delta} \left| g \left( \frac{t}{\delta} \right) \right| \, \mathrm{d} t = 0
\]
- QED
15.4. Izrek 3.13 (Weierstrassov aproksimacijski izrek)
- P1: \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{C} \) zvezna na \( [a, b] \)
- P2: \( \forall \epsilon > 0 \)
- P3: \( \exists p \) polinom
- P4: \( \forall x \in [a, b] \)
\[ \left| f(x) - p(x) \right| < \epsilon \]
15.5. Trditev 3.14 (inverzna Fourierova transformacija)
- P1: \( f \in \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
\[ f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{- \infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) e^{\mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} \xi \]
A1: \( g_{(\delta)} (x) = \frac{1}{\delta} \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e ^{- \frac{x ^2}{\delta ^2 2}} \)
A2: \( g_{[\delta]} (x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{- \frac{\delta ^2 x ^2}{2}} \)
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) e^{- \xi x} g_{[\delta]} (\xi) \, \mathrm{d} \xi = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{- \infty}^{\infty} \, \mathrm{d} \xi \int\limits_{-\infty}^{\infty} f (t) e^{- \mathrm{i} \xi t} \, \mathrm{d} t \, e^{\mathrm{i} \xi x} g_{[\delta]} (\xi) \]
D: ko \( \delta \to 0 \) je \( g_{[\delta]} (\xi) = 1 \)
\[ =\frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{- \mathrm{i} \xi ( t - x )} g_{[\delta]} (\xi) \, \mathrm{d} \xi \, \mathrm{d} t \]
D: Integrand je absolutno integrabilen in lahko uporabimo Fubinijev izrek.
\[ = \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(t) \widehat{g}_{[\delta]} (t - x) \, \mathrm{d} t \]
D: Definicija Fourierove transformacije
\[ = \int\limits_{-\infty}^{\infty} g_{(\delta)} (t - x) f(t) \, \mathrm{d} t \]
D: velja \( \widehat{g_{[\delta]}} (\xi) = g_{(\delta)} (x) \)
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} g_{(\delta)}(t - x) f(t) \, \mathrm{d} t \]
D: Funkcija \( g \) je soda.
\[ = g_{(\delta)} \ast f (x) = f \ast g_{(\delta)} \]
D: Definicija in lastnost konvolucije
QED
D: \( \delta \to 0 \), trditev 3.11 lastnost a
15.6. Trditev 3.18
- P1: \( f, g \in \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
P2: skalarni produkt
\[ \left\langle f, g \right\rangle = \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x) \overline{g(x)} \, \mathrm{d} x \]
\[ \left\langle f, g \right\rangle = \left\langle \hat{f}, \hat{g} \right\rangle \]
\[ \left\langle f, g \right\rangle = \int\limits_{-\infty}^{\infty} f(x) \overline{g(x)} \, \mathrm{d} x \]
D: P2
\[ \int\limits_{-\infty}^{\infty} \overline{g(x)} \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) e^{\mathrm{i} \xi x} \, \mathrm{d} \xi \, \mathrm{d} x \]
D: Definicija inverza Fourierove transformacije
\[ = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) \overline{g(x)} e^{\mathrm{i} x \xi} \, \mathrm{d} x \, \mathrm{d} \xi \]
D: Fubinijev izrek
\[ = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int\limits_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) \int\limits_{-\infty}^{\infty} \overline{g(x) e^{-\mathrm{i} \xi x}} \, \mathrm{d} x \, \mathrm{d} \xi \]
D: Negacije kompleksne vrednosti
- \[ = \int\limits_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) \overline{g(\xi)} \, \mathrm{d} \xi = \left\langle \hat{f}, \hat{g} \right\rangle \]
- QED
15.7. Posledica 3.15 (-ish)
\( \mathcal{F}: \mathcal{S}(\mathbb{R}) \to \mathcal{S}(\mathbb{R}) \) je bijektivna in izometrija (ohranja razdalje), zato je unitarna.
15.8. Izrek 3.19 (Plancherelov izrek)
Fourierovo transfomracijo \( \mathcal{F}: S(\mathbb{R}) \to S (\mathbb{R}) \) lahko na enoličen način razširimo do unitarne linearne preslikave \( \tilde{F}: L^2(\mathbb{R}) \to L^2 (\mathbb{R}) \)
Definirali smo napolnitev metričnega prostora \( \mathcal{C}_C (\mathbb{R}) \) glede na 2-normo \( \left\lVert \cdot \right\rVert _2 \) in jo označimo z \( L^2 (\mathbb{R}) \)
A1: \( \tilde{F}: L^2 (\mathbb{R}) \to L ^2 (\mathbb{R}) \)
\( \tilde{F} \) je razširitev oz.
\[ \tilde{F} (f) = \hat{f}(\xi) \]
in razširimo Fourierovo transformacijo iz \( \mathcal{S}(\mathbb{R}) \) na \( L ^2 (\mathbb{R}) \)
A2: \( f \in L ^2 (\mathbb{R}) \)
A3: \( f= \lim_{n \to \infty} f_n, \ f_n \in \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
Zaporedje \( \hat{f}_n \) je konvergentno.
Dokazujemo, da je Cauchyjevo zaporedje konvergentno, saj je \( L ^2 (\mathbb{R}) \) poln prostor.
\[ \left\lVert \hat{f}_n - \hat{f}_m \right\rVert = \left\langle \hat{f}_n - \hat{f}_m, \hat{f}_n - \hat{f}_m \right\rangle \]
D: Definicija skalarnega produkta
\[ = \left\langle \widehat{f_n - f_m}, \widehat{f_n - f_m} \right\rangle \]
D: Lastnost Fourierove transformacije
\[ = \left\langle f_n - f_m, f_n - f_m \right\rangle \]
D: Trditev 3.18
\[ = \left\lVert f_n - f_m \right\rVert _2 \overset{m, n \to \infty}{\longrightarrow} 0 \]
D: zaporedje \( \left( f_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \) je konvergentno v \( L ^2 (\mathbb{R}) \)
- QED
Definicija \( \hat{f} \) je dobra
oziroma
A4: \( \hat{f} = \lim_{n \to \infty}f_n = f_0 \)
A5: \( f = \lim_{n \to \infty} g_n \)
\( \hat{g}_n \) tudi konvergira k \( f_0 \)
\[ \left\lVert \hat{f}_n - \hat{g}_n \right\rVert \le \left\lVert \hat{f}_n - f_0 \right\rVert + \left\lVert f_0 - \hat{g}_n \right\rVert \to 0 \]
D: Trikotniška neenakost in posamezen člen konvergira k \( 0 \)
\[ \left\lVert f_n - g_n \right\rVert \le \left\lVert f_n - f \right\rVert + \left\lVert f - g_n \right\rVert \to 0 \]
D: Trikotniška neenakost in posamezen člen konvergira k \( 0 \)
QED
D: \[ \left\lVert \hat{f}_n - \hat{g}_n \right\rVert = \left\lVert f_n - g_n \right\rVert \to 0 \]
- QED
- \( \tilde{F} \) je unitarna
- \( \tilde{F} \) je izometrična
A6: \( f \in L ^2 (\mathbb{R}) \)
A7: \( g \in L ^2 (\mathbb{R}) \)
\[ \left\langle \hat{f}, \hat{g} \right\rangle = \left\langle \lim_{n \to \infty} \hat{f}_n, \lim_{n \to \infty} \hat{g}_n \right\rangle \]
D: Cauchyjevo zaporedje je konvergentno
- \[ = \lim_{n \to \infty} \left\langle \hat{f}_{n}, \hat{g}_n \right\rangle \]
\[ = \lim_{n \to \infty} \left\langle f_n, g_n \right\rangle \]
D: Trditev 3.18
- \[ = \left\langle \lim_{n \to \infty} f_n, \lim_{n \to \infty} g_n \right\rangle \]
\[ = \left\langle f, g \right\rangle \]
Po A6 in A7 sta Cauchyjevo konvergentni na \( L ^2 (\mathbb{R}) \)
- QED
- \( \tilde{F} \) je surjektivna
- Case: \( F^4 \) je surjektivna v \( \mathcal{S}(\mathbb{R}) \)
- \[ \lim_{n \to \infty} F (f_n) = \mathrm{id} \]
- QED
- QED
- \( \tilde{F} \) je izometrična
15.9. Lema 3.17 (Riemann - Lebesgueova lema)
Za vsako \( f \in L^1 (\mathbb{R}) \) velja
\[ \lim_{\left| \epsilon \right| \to \infty} \hat{f}(\xi) = 0 \]
A1: \( f: \chi_{[a, b]} \)
\[ \hat{f}(\xi) = \frac{e^{- \mathrm{i} b \xi} - e^{-\mathrm{i} a \xi}}{- \sqrt{2\pi} \mathrm{i}\xi} \]
D: Definicija konvolucije
\[ \left| \hat{f}(\xi) \right| \le \frac{2}{\sqrt{2\pi} \left| \xi \right|} \]
D: \( \left| e^{- \mathrm{i} \xi a} \right| = 1 \)
A2: \( f \in \mathbb{C}_C (\mathbb{R}) \)
A3: aproksimiramo jo z \( g = \sum\limits_{}^{} c_i \chi_{[a_i, b_i]} \)
\[ \hat{g}(\xi) \to 0, \, \xi \to \infty \]
D: <1>2
16. Diferencialne enačbe v kompleksni ravnini
Rešujemo linearno diferencialno enačbo 2. reda oblike
\[ y'' + p(x) y' + q(x) y = 0 \]
kjer sta \( p, q \) holomorfni funkciji na neki okolici točke \( 0 \).
Velja
\[ p(z) = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} p_k z^k \]
ter
\[ q(z) = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} q_k z^k \]
Rešitev diferencialne enačbe je holomorfna na neki okolici točke \( 0 \), ki jo zapišemo kot vrsto, skupaj s prvim in drugim odvodom
\begin{align*} y (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^k \\ y'(z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (k + 1) c_{k + 1} z^k \\ y'' (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (k + 2 )(k + 2) c_{k + 2} z^{k} \end{align*}Vstavimo nastavek v enačbo ter dobimo
\[ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (k + 2) (k + 1) c_{k + 2} z^k + \sum\limits_{i = 0}^{\infty} p_i z^i \sum\limits_{j = 0}^{\infty} (j + 1) c_{j + 1} z^j + \sum\limits_{i = 0}^{\infty} q_i z^i \sum\limits_{j = 0}^{\infty} c_j z^j = 0 \]
Koeficient pri členui \( z^k \) v tej vsoti
\[ (k + 2) (k + 1) c_{k + 2} + \sum\limits_{j = 0}^k p_{k - j} (j + 1) c_{j + 1} + \sum\limits_{j = 0}^k q_{k - j} c_j = 0, \ \forall k = 0, 1, \ldots \]
Koeficienta vrste \( p \) in \( q \) imata indeks \( k - j \), saj je \( z^i \cdot z^j = z^k \), iz česar sledi \( i + j = k \).
16.1. Izrek 4.1
Če sta \( p \) in \( q \) holomorfni funkciji na \( \mathcal{D}( \alpha, R) \), potem za poljubni kompleksni števili \( c_0 \) in \( c_1 \) obstaja natanko ena rešitev diferncialne enačbe
\[ y'' + p y' + q y = 0 \]
ki zadošča pogojema
\begin{align*} y(\alpha) &= c_0 \\ y(\beta) = c_1 \end{align*}Ta rešitev je holomorfna na \( \mathcal{D}(\alpha, R) \).
16.2. Definicija 4.1
Točka \( \alpha \) je regularna točka diferencialne enačbe
\[ y'' + py' + qy= 0 \]
če sta \( p \) in \( q \) holomorfni na odprti okolici točke \( \alpha \). Če \( \alpha \) ni regularna, potem je singularna. Točka \( \alpha \) je pravilna singularna točka za zgornjo diferencialno enačbo, če sta \( p \) in \( q \) holomorfni na punktirani okolici točke \( \alpha \), v točki \( \alpha \) pa ima \( p \) kvečjemu pol prve, \( q \) pa kvečjemu pol druge stopnje.
16.3. Reševanje v okolici pravilne singularnosti
Predpostavimo, da je \( 0 \) pravilna singularnost te točke.
Funkciji
\begin{align*} z & \mapsto z p(z) \\ z & \mapsto z ^2 q(z) \end{align*}sta holomorfni na okolici izhodišča in ju zato razvijemo v vrsti na \( \mathcal{D}(0, R) \):
\begin{align*} z p(z) & = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^k \\ z ^2 q(z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^k \end{align*}Za \( \mu \in \mathbb{C} \) iščemo rešitev oblike
\[ y (z) = z^{\mu} \sum\limits_{k =0}^{ \infty} c_k z^k \]
Prva 2 odvoda funkcije sta
\begin{align*} y' (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (k + \mu) c_k z^{k + \mu - 1} \\ y'' (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (k + \mu) (k + \mu - 1) c_k z^{k + \mu - 2} \end{align*}ki ju vstavimo v diferencialno enačbo pomnoženo z \( z ^2 \):
\[ z ^2 y'' + z (zp) y' + z ^2 q y = 0 \]
Dobimo
\[ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (k + \mu ) (k + \mu - 1) c_k z^{k + \mu} + \sum\limits_{i = 0}^{\infty} p_i z^i \sum\limits_{j = 0}^{\infty} ( \mu + j ) c_j z^{\mu + j} + \sum\limits_{i = 0}^{\infty} q_i z^i \sum\limits_{j = 0}^{\infty} c_j z^{\mu + j} = 0 \]
Koeficient pred vsako potenco \( z \) mora biti enako \( 0 \), zato dobimo pogoj
\[ 0 = (\mu + k) (\mu + k - 1) c_k + \sum\limits_{j = 0}^k \left[ (\mu + j) c_j p_{k - j} + c_j q_{k - j} \right], \ \forall k = 0, 1, \ldots \]
Zapišemo lahko drugače kot
\[ c_k \left[ \left( \mu + k \right) \left( \mu + k - 1 \right) + (\mu + k) p_0 + q_0 \right] = - \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} \left[ (\mu + j) c_j p_{k - j} + c_j q_{k - j} \right] \]
Za \( k = 0 \) pri potenci \( z^{\mu} \) lahko določimo \( \mu \):
\[ c_0 \left[ \mu (\mu + 1) + \mu p_0 + q_0 \right] = 0 \]
Brez izgube splošnosti določimo, da \( c_0 \ne 0 \), in tako dobimo določilno zvezo za \( \mu \)
\begin{equation} \label{eq:1} \mu (\mu - 1) + \mu p_0 + q_0 = 0 \end{equation}Poznamo \( p_0 \) ter \( q_0 \), zato rešitvi označimo z \( \mu_1, \mu_2 \), ki ju imenujemo karakteristična eksponenta. Prav tako predpostavimo \( \Re \mu_1 > \Re \mu_2 \), zato da ju bomo lažje razlikovali.
Označimo
\[ f(\mu) = (\mu - \mu_1) (\mu - \mu_2) = \mu ( \mu - 1 ) + \mu p_0 + q_0 \]
Za argument \( f(\mu + k) \) rekurzivna zveza za koeficient \( k \) postane
\begin{align*} c_k \left[ (\mu + k) (\mu + k - 1) + (\mu + k)p_0 + q_0 \right] &= - \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} \left[ (\mu + j) c_j p_{k - j} + c_j q_{k - j} \right] \\ c_k f(\mu + k) &= \\ c_k (\mu +k - \mu_1) (\mu + k - \mu_2) &= \end{align*}Za \( \mu = \mu_1 \) dobimo
\[ c_k \cdot k \cdot (k + \mu _1 - \mu_2) = - \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} \left[ (\mu_1 + j) p_{k - j} + q_{k - j} \right]c_j \]
\( k > 0 \) ter \( \Re \mu_1 > \Re \mu_2 \), kar pomeni, da je \( k \cdot (k +\mu_1 + \mu_2) > 0\).
Sedaj lahko izračunamo koeficiente
\[ c_k = - \frac{1}{k \cdot (k + \mu_1 - \mu_2)} \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} \left[ (\mu_1 + j)p_{k - j} + q_{k - j} \right]c_j \]
Po analognem postopku za \( \mu_1 - \mu_2 \not\in \mathbb{N} \) dobimo še drugo rešitev
\[ c_k = - \frac{1}{k (k + \mu_2 - \mu_1)} \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} \left[ (\mu_2 + j) p_{k - j} + q_{k - j} \right]c_j \]
Če bi bila razlika \( \mu_1 - \mu_2 \in \mathbb{N} \), potem pa je lahko vrednost imenovalca enaka \( 0 \), kar predstavlja težavo.
Predpostavimo, da \( \mu_1 -\mu_2 \in \mathbb{N} \):
Za \( \mu_1 - \mu_2 = k = m \) zapišemo
\begin{align*} c_k k (k + \mu_2 - \mu_1) &= - \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} \left[ (\mu_2 +j) p_{k - j} + q_{k - j} \right]c_j \\ c_k (\mu_1 - \mu_2) \cdot 0 &= - \sum\limits_{j = 0}^{m - 1 } \left[ (\mu_2 +j) p_{k - j} + q_{k - j} \right] c_j \\ 0 &= \left[ (\mu_2 +j) p_{k - j} + q_{k - j} \right]c_0 + \ldots + \left[ (\mu_2 +j) p_{k - j} + q_{k - j} \right]c_{m - 1} \end{align*}Ovrednotimo člene \( c_0 = \ldots c_{m - 1} = 0 \), izberemo \( c_m \) in nadaljne člene izračunamo preko rekurzivne zveze.
Rešitev je lahko še zmeraj linearno odvisna od prva, zato lahko brez dokaza drugo rešitev poiščemo z nastavkom
\[ y_2 = y_1 \ln z + z^{\mu_2} f(z) \]
17. Besselova diferencialna enačba
Za \( \nu \ge 0 \) je to diferencialna enačba oblike
\[ z ^2 y'' + z y' + \left( z ^2 - \nu ^2 \right) y = 0 \]
Diferencialni enačbi s deljenjem spremenimo obliko
\[ y'' + \frac{1}{z} y' + \left( 1 - \frac{\nu ^2}{z ^2} \right) y = 0 \]
Točka \( 0 \) je pravilna singularnost te enačbe. Preko odločitvene zveze za
\begin{align*} p_0 &= 1 \\ q_0 &= - \nu ^2 \end{align*}dobimo karakteristična eksponenta \( \nu_{1, 2} = \pm \nu \).
Prvo rešitev pridobimo z nastavki
\begin{align*} y (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^{k + \nu} \\ y' (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k (k + \nu) z^{k + \nu - 1} \\ y'' (z) &= \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k (k + \nu) (k + \nu + 1) z^{k + \nu - 2} \end{align*}kar vstavimo v enačbo
\[ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k (k + \nu) (k + \nu - 1) z^{k + \nu} + \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k (k + \nu) z^{k + \nu} + \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^{k + \nu + 2} - \nu ^2 \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^{k + \nu} = 0 \]
in pridobimo rekurzivno formulo
\[ c_k = - \frac{c_{k - 2}}{k (k + 2\nu)} \]
Koeficient \( c_1 = 0 \), saj dobimo \( z^{\nu + 1} \) enakost \( (2\nu + 1)c_1 = 0 \) za \( \nu \ge 0 \). Posledično velja, da so vsi členi z lihim indeksom enaki \( 0 \).
\[ c_{2n - 1} = 0, \, \forall n \in \mathbb{N} \]
Začetni koeficient izberemo
\[ c_0 = \frac{1}{2^{\nu} \Gamma (\nu + 1)} \]
ki nam za splošni člen poda enakost
\[ c_{2n} = \frac{(-1)^n}{2^{\nu + 2n} \Gamma (\nu + n + 1) n!} \]
Tako pridobljeno rešitev imenujemo Besselova funkcija (1. vrste) reda \( \nu \):
\begin{equation} \label{eq:2} J_{\nu} (z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(- 1)^n}{2^{\nu + 2n} \, n! \, \Gamma(\nu + n + 1)} z^{2n + \nu} \end{equation}Za drugo rešitev ločimo več primerov.
Razlika karakterističnih eksponentov \( \mu_1 - \mu_2 \) za \( \mu_2 = - \nu \) je \( 2 \nu \).
Če \( 2 \nu \not \in \mathbb{N} \), bo rešitev, ki bo pridobljena analognemu postopku za prvo rešitev, linearno neodvisna od nje.
\[ J_{-\nu} (z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(- 1)^n}{2^{2n - \nu} \, n! \, \Gamma (n - \nu + 1)} z^{2n - \nu} \]
In splošna rešitev bo tako
\[ y(z) = C_1 J_{\nu} (z) + C_2 J_{-\nu} (z) \]
- Za \( 2\nu \in \mathbb{N} \) pa ločimo dva primera
\( 2\nu \) je liho število
Rekurzivna zveza za koeficiente ima še zmeraj enako obliko
\[ c_k \cdot k (k - 2 \nu) = - c_{k - 2} \]
Koeficiente z lihim indeksom ponovno postavimo na \( 0 \)
\[ c_{2k - 1} = 0, \ \forall k \in \mathbb{N} \]
Začetni koeficient izberemo analogno prvi rešitvi in je rešitev tako
\[ J_{-\nu} (z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{2n - \nu}\, n! \, \Gamma(n - \nu + 1)} z^{2n - \nu} \]
Funkcija \( J_{-\nu}: z^{-\nu} \) je v bližini \( 0 \) neomejena, medtem ko je \( J_{\nu}: z^{\nu} \) omejena, kar pomeni, da imamo linearno neodvisni rešitvi.
\[ y = C_1 J_{\nu} (z) + C_2 J_{-\nu} (z) \]
\( 2\nu \) je sodo število
kar pomeni, da \( J_{\nu} (z) \) in \( J_{-\nu}(z) \) nista linearno neodvisni.
Možnost druge rešitev je oblike
\[ y_2 = J_m (z) \ln (z)+ z^{-m} f(z), \ f(z) = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} a_k z^k, \ a_0 = 0 \]
Za drugo možnost glej Definicijo 4.3 ter Neumannovo ali Webrovo funkcijo ali Besselovo funkcijo 2. vrste.
17.1. Trditev
Za \( \nu = m \in \mathbb{N} \), kjer je \( 2 \nu \) sodo število, velja \[ J_{-\nu} (z) = \left( -1 \right)^m J_m (z) \]
A1:
\[ J_{-m} (z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{-m + 2n} \, n! \, \Gamma (-m + n + 1)} z^{2n - m} \]
A2:
\[ J_m (z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(- 1)^n}{2^{m + 2n} \, n! \, \Gamma(m + n + 1)} z^{2n + m} \]
Za \( n \le m- 1 \) je \( \Gamma (-m + n + 1) = \infty \).
D: Definicija \( \Gamma \) funkcije v kompleksnem prostoru.
\[ \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{-m 2n} \, n! \, \Gamma (-m + n + 1)} z^{2n - m} = \sum\limits_{n = m}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{-m + 2n} \, n! \, \Gamma(-m + n + 1)} z^{2n - m} \]
D: <1>1
A3: preindeksacija \( k = n - m \)
\[ = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{(- 1)^{m + k}}{2^{m + 2k} \, (m + k)! \, \Gamma( k + 1 )} z^{m + 2k} \]
D: A3 ter <1>2
\[ = (-1)^m \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{2^{m + 2k} \, (m + k)! \, k! }z^{m + 2k} \]
D: <1>3
- \[ (-1) ^m \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{m + 2n} \, n! \, \Gamma(m + n + 1)} z^{m + 2n} = J_m (-1)^m \] D: \( n = k \) ter \( (m + n)! = \Gamma (m + n + 1) \)
17.2. Trditev 4.5, (lastnosti Besselovih funkcij)
Veljajo naslednje lastnosti
- \[ \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} z} \left[ z^{\nu} J_{\nu} (z) \right] = z^{\nu} J_{\nu - 1} (z) \]
- \[ \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} z} \left[ z^{- \nu} J_{\nu} (z) \right] = - z^{-\nu} J_{\nu + 1} (z) \]
- \[ J_{\nu} ' (z) + \frac{\nu}{z} J_{\nu} (z) = J_{\nu - 1} (z) \]
- \[ J_{\nu}' (z) - \frac{\nu}{z} J_{\nu} (z) = - J_{\nu + 1} (z) \]
- \[ \frac{2\nu}{ z} J_{\nu} (z) = J_{\nu - 1} (z) + J_{\nu + 1} (z) \]
- \[ 2 J_{\nu}' (z) = J_{\nu - 1} (z) - J_{\nu + 1} (z) \]
Vrsto
\[ z^{\nu} J_{\nu} (z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{\nu + 2 n} \, n! \, \Gamma(\nu + n +1)} z^{2n + 2\nu} \]
odvajamo po \( z \).
- Analogen postopek
- \[ J_{\nu} '(z) + \frac{\nu}{z} J_{\nu}(z) = J_{\nu - 1} (z)
\]
\[ \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} z} \left[ z^{\nu} J_{\nu} (z) \right] = z^{\nu} J_{\nu - 1} (z) \]
D: Točka \( a \)
\[ z^{\nu} J_{\nu - 1} (z) = \nu z^{\nu - 1} J_{\nu} (z) + z^{\nu} J_{\nu} ' (z) \]
D: Odvod produkta
QED
D: delimo z \( z^{\nu} \)
- Analogno kot <1>3 samo za 3. točko
- odštejemo 3 in 4
- seštejemo 3 in 4
17.3. Trditev 4.9
\[ \sum\limits_{m = -\infty}^{\infty} J_m (z) t^m = e^{\frac{z}{2} \left(t - t^{-1}\right)}, \ z,t \in \mathbb{C} \]
kjer je \( e^{\frac{z}{2} \left( t - t^{-1} \right)} \) rodna funkcija celoštevilskih Besselovih funkcij.
Skica
\[ e^{\frac{z}{2} \left( t - t^{-1} \right)} = e^{\frac{z}{2} t} \cdot e^{\frac{z}{2} t^{-1}} \]
D: operacije z eksponenti
\[ = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{1}{k!} \left( \frac{z}{2} t \right) ^k \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{1}{n!} (- 1)^n \left( \frac{z}{2} t^{-1} \right)^n \]
D: Razvoj v Taylorjevo vrsto
- \[ = \sum\limits_{m- \infty}^{\infty} J_m t^m
\]
A1: preindeksacija \( m = k - n \)
\[ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{1}{k!} \left( \frac{z}{2} \right)^k \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \frac{1}{n!} (-1)^n \left( \frac{z}{2} \right)^n = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^{m + n} \cdot 2^n \, n! \, (m + n)!} z^{m + n} \cdot z^n \]
\[ = J_m(z) \]
D: Definicija Besselove funkcije 1. reda
- QED
17.4. Trditev 4.10
- P1: \( z, w \in \mathbb{C} \)
- P2: \( m \in \mathbb{N} \)
\[ J_m (z + w) = \sum\limits_{k = - \infty}^{\infty} J_{m - k} (z) J_k (w) \]
\[ \sum\limits_{m = -\infty}^{\infty} J_m (z + w) t^m = e^{\frac{z + w}{2} \left( t - t^{-1} \right)} \]
D: Rodovna funkcija
\[ = e^{\frac{z}{2} \left( t - t^{-1} \right)} \cdot e^{\frac{w}{2} \left( t - t^{-1} \right)} \]
D: Eksponent vsote
\[ = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (z) t^k \sum\limits_{n =-\infty}^{\infty} J_n (w) t^n \]
D: Rodovna funkcija
A1: \( t^m = t^{n + k} \)
\( m = n + k \)
D: Eksponenti
- \[ = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_{m - k} (w) J_k (z) \]
- QED
17.5. Trditev 4.11
\[ 1 = J_0 ^2 (z) + 2 \sum\limits_{k = 1}^{\infty} J_k ^2 (z) \]
A1: \( w = -z \)
A2: \( m = 0 \)
\[ J_0 (0) = 1 \]
\[ 1 = J_0 ^2 (z) + 2 \sum\limits_{k = 1}^{\infty} (-1)^k J_k (z) J_k (-z) \]
D: Trditev 4.10
- \[ 1 = J_0 ^2 (z) = 2 \sum\limits_{k = 1}^{\infty} J_k ^2(z) \] D: Velja \( J_k (-z) = (-1)^k J_k (z) \)
- QED
17.6. Posledica 4.12
- P1: \( z \in \mathbb{R} \)
- P2: \( \forall k \in \mathbb{N} \)
\[ \left| J_0 (z) \right| \le 1 \]
in
\[ \left| J_k (z) \right| \le \frac{1}{\sqrt{2}} \]
17.7. Izrek 4.13
- P1: \( n \in \mathbb{N} \)
- P2: \( x \in \mathbb{R} \)
\[ J_m (x) = \frac{1}{\pi} \int\limits_0^{\pi} \cos \left[ m \phi - x \sin \phi \right] \, \mathrm{d} \phi \]
- \[ e^{\frac{z}{2} \left( t - t^{-1} \right)} = \sum\limits_{m = - \infty}^{\infty} J_m (z) t^m \]
A1: \( z = x \in \mathbb{R} \)
A2: \( t = e^{\mathrm{i} \phi} \)
\[ e^{\frac{x}{2} \left( e^{\mathrm{i} \phi} - e^{-\mathrm{i}\phi} \right)} = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) e^{\mathrm{i} k \phi} \]
D: A1 in A2 ter <1>1
\[ e^{\mathrm{i} x \sin \phi} = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) e^{\mathrm{i}k \phi} \]
D: Definicija sinusa v kompleksnem prostoru
\[ \cos (x \sin \phi) + \mathrm{i} \sin \left( x\sin \phi \right) = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) \cos (k\phi) + \mathrm{i} \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) \sin (k \phi) \]
D: Definicija Eulerjevega števila
Realni del je
\[ \cos \left( x \sin \phi \right) = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) \cos \left( k\phi \right) \]
D: <1>4
Imaginarni del
\[ \sin \left( x \sin \phi \right) = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) \sin \left( k\phi \right) \]
\[ \cos \left( m \phi - x \sin \phi \right) = \cos \left( x \sin \phi \right) \cos \left( m \phi \right) + \sin \left( x \sin \phi \right) \sin \left( m \phi \right) \]
D: Kosinus vsote dveh kotov
\[ \cos \left( m \phi - x \sin \phi \right) = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} \left[ J_k (x) \cos \left( k\phi \right) \cos \left( m \phi \right) + J_k (x) \sin \left( k \phi \right) \sin \left( m \phi \right) \right] \]
D: <1>5-7
\[ = \sum\limits_{k = -\infty}^{\infty} J_k (x) \cos \left[ \left( k - m \right)\phi \right] \]
D: <1>8 in vsota kotov v kosinusu
\[ \int\limits_0^{\pi} \cos \left( m \phi - x \sin \phi \right) \, \mathrm{d} \phi = J_m (x) \pi \]
D: <1>9, integracija ter
\[ \int\limits_0^{\pi} \cos \left( \left[ k - m \right]\phi \right) \, \mathrm{d} \phi = 0, \ k \ne m \]
- QED
17.8. Definicija 4.3
Neumannova ali Webrova funkcija ali Besselova funkcija 2. vrste je za \( \nu \in \mathbb{R}_+ \setminus \mathbb{N} \) definirana kot
\[ Y_{\nu} = \frac{J_{\nu} (z) \cos (\nu \pi) - J_{-\nu} (z)}{\sin (\nu \pi)} \]
17.9. Definicija 4.4
Za \( \nu = m \in \mathbb{N} \) definiramo
\[ Y_m (z) = \lim_{\nu \to m} Y_{\nu} (z) \]
17.10. Trditev 4.14
Funkcija \( Y_m (z) \) reši Besselovo diferencialno enačbo
\[ z ^2 y'' + z y' + \left( z ^2 - \nu ^2 \right) y = 0 \]
Za vsak \( \nu \ge 0 \) je determinanta Wronskega za \( J_{\nu} (z) \) in \( Y_{\nu} (z) \) enaka
\[ W(x) = \frac{2}{\pi x} \]
A1: \( \nu \ge 0 \)
A2: \( J_{\pm \nu} (z) \) rešita Besselovo DE
\[ z ^2 \left( \frac{\partial y}{\partial \nu} \right)'' + z \left( \frac{\partial y}{\partial \nu} \right) ' + \left( z ^2 - \nu ^2 \right) \frac{\partial y}{\partial \nu} = 2 \nu y \]
D: odvod po \( \nu \)
\[ z ^2 \left( \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} \right)'' + z \left( \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} \right)' + \left( z ^2 - \nu ^2 \right) \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} = 2 \nu J_{\nu} \]
D: A2
\[ z ^2 \left( \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu} \right)'' + z \left( \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu} \right)' + \left( z ^2 - \nu ^2 \right) \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu} = 2 \nu J_{-\nu} \]
D: A2
\[ z ^2 \left( \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} - \left( -1 \right)^m \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu} \right)'' + z \left( \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} - \left( -1 \right)^m \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu} \right) ' + \left( z ^2 - \nu ^2 \right) \left( \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} - \left( -1 \right) ^m \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu} \right) &= 2\nu \left( J_{\nu} - \left( -1 \right) ^m J_{-\nu} \right) \]
D: <1>2 - <1>3
- \[ z ^2 Y_m '' + z Y_m ' + \left( z ^2 - m ^2 \right) Y_m = \frac{2m}{\pi} \left( J_m - (-1)^m J_m \right) = 0
\]
A1: \( \nu = m \)
\[ Y_m (z) = \frac{1}{\pi} \lim_{\nu \to m} \left( \frac{\partial J_{\nu}}{\partial \nu} (z) - (-1)^m \frac{\partial J_{-\nu}}{\partial \nu}(z) \right) \]
QED
D: Formulo za \( Y_{\nu} (z) \) odvajamo po L’Hopitalovem pravilu
- QED
**
18. Legendrova diferencialna enačba
Legendrova diferencialna enačba reda \( \nu \) je
\[ \left( z ^2 - 1 \right) y'' + 2zy' - \nu (\nu + 1) y = 0 \]
Enačbo preobrazimo
\[ y'' + \frac{2z}{z ^2 - 1} y' - \frac{\nu (\nu + 1)}{z ^2 - 1} y = 0 \]
in vidimo, da sta pravilni singularni točki \( z = \pm \mathrm{i} \).
Funkciji
\begin{align*} p(z) &= \frac{2z}{z ^2 - 1} \\ q(z) &= \frac{- \nu(\nu + 1)}{z ^2 - 1} \end{align*}sta holomorfni na \( \mathcal{D}(0, 1) \), kar pomeni, da zaradi Izreka 4.1 obstaja natanko ena rešitev oblike
\[ y(z) = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^k \]
Nastavek vstavimo v Legendrovo diferencialno enačbo
\[ \left( z ^2 - 1 \right) \sum\limits_{k = 0}^{\infty} k (k - 1) c_k z^{k - 2} + 2 \sum\limits_{k = 0}^{\infty} k c_k z^k - \nu (\nu + 1) \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_k z^k = 0 \]
Po preindeksaciji dobimo rekurzivno enačbo za koeficiente pri \( z^k \):
\[ c_{k + 2} = \frac{(k - \nu)(k + \nu + 1)}{(k + 2)(k + 1)} \]
Z izborom začetnih koeficientov \( c_0 = 1 \) in \( c_1 = 0 \) dobimo vrsto s sodimi potencami
\begin{equation} \label{eq:3} y_1 = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_{2k} z^{2k} \end{equation}Z drugačnim izborom začetnih koeficientov \( c_0 = 0 \) ter \( c_1 = 1 \) dobimo vrsto z lihimi potencami
\begin{equation} \label{eq:4} y_2 = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} c_{2k + 1} z^{2k + 1} \end{equation}Formuli za sode in lihe koeficiente sta
\begin{align*} c_{2n} &= \frac{(- \nu) (-\nu + 2) \ldots (-\nu + 2n - 2) (\nu + 1) (\nu + 3) \ldots (\nu + 2n - 1)}{(2n)!} c_0 \\ c_{2n + 1} &= (-1)^n \frac{(\nu - 1) (\nu - 3) \ldots (\nu - 2n + 1) (\nu + 2) (\nu + 4) \ldots (\nu + 2n)}{(2n + 1)!} c_1 \end{align*}\( \nu = 2m, m \in \mathbb{N} \)
Za \( n > m \) so sodi koeficienti v vrsti \ref{eq:3} \( c_{2n} = 0 \) in \( y_1 \) je tako sod polinom stopnje \( 2m \).
\( \nu = 2m + 1, m \in \mathbb{N} \)
Za \( n > m \) so lihi koeficienti v vrsti \ref{eq:4} \( c_{2n + 1} = 0 \) in \( y_2 \) je tako lih polinom stopnje \( 2m + 1 \)
Za \( \nu \in \mathbb{N} \) je potem rešitev Legendrove enačbe polinom stopnje \( \nu \).
Koeficient nastavimo na
\[ c_n = \frac{(2n)!}{(n!)^2 2^n} \]
18.1. Notacija
Z \( \lfloor x \rfloor \) označimo funkcijo spodnji celi del (ang. floor function), ki vsakemu realnemu številu \( x \) priredi največje celo število, ki je manjše ali enako \( x \).
18.2. Definicija 4.5
Legendrov polinom stopnje \( n \) je definiran kot
\[ P_n (z) = \sum\limits_{k = 0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} \left( -1 \right)^k \frac{(2n - 2k)!}{2^n \, k! \, (n - k)! \, (n - 2k)!} z^{n - 2k} \]
18.3. Trditev 4.16 (Rodriguesova formula)
\[ P_n = \frac{1}{2^n n!} \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z ^n} \left( \left( z ^2 - 1 \right) ^n \right) \]
\[ P_n (z) = \frac{1}{2^n} \sum\limits_{k = 0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} (- 1)^k \frac{(2n - 2k!)}{2^n \, k! \, (n - k)! \, (n - 2k)!} z^{n - 2k} \]
D: Definicija Legendrovih polinomov
\[ = \frac{1}{2^n} \sum\limits_{k = 0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} (- 1)^k \frac{1}{k! \, (n - k)!} \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z^n} (z^{2n - 2k}) \]
Dokaz
\[ \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z^n} (z^{2n - 2k}) = (2n - 2k) (2n - 2k - 1) \ldots (2n - 2k - (n - 1)) z^{n - 2k} \]
D: \( n \) odvajanj funkcije \( z^{2n - 2k} \)
\[ = (2n - 2k) (2n - 2k - 1) \ldots (n - 2k + 1) z^{n - 2k} \]
D: <2>1
- \[ \frac{(2n - 2k)!}{(n - 2k)!} z^{n - 2k} \]
- QED
\[ = \frac{1}{2^n n!} \sum\limits_{k = 0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} (-1)^k \binom{n}{k} \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z^n} \left( z^2 \right) ^{n - k} \]
D: Definicija binomskega koeficienta ter množenje z \( \frac{n!}{n!} \)
\[ = \frac{1}{2^n n!} \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z ^n} \sum\limits_{k = 0}^{n} \binom{n}{k} (-1)^k \left( z ^2 \right)^{n - k} \]
D: za preskok iz \( \lfloor n \rfloor \) na \( n \)?
\[ = \frac{1}{2^n n!} \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z ^n} \left[ \left( z ^2 - 1 \right)^n \right] \]
D: \( (a + b)^n = \sum\limits_{k = 0}^n \binom{n}{k} a^k b^{n - k} \)
- QED
18.4. Trditev 4.18
Za dovolj majhne \( \left| t \right| \) velja
\[ \frac{1}{\sqrt{1 - 2zt + t ^2}} = \sum\limits_{n =0}^{\infty} P_n (z) \cdot t^n \]
kjer se racionalna funkcija imenuje generirajoča/rodovna funkcija Legendrovih polinomov.
Ideja dokaza:
\[ \left( 1 - 2zt + t ^2 \right)^{- \frac{1}{2}} = \sum\limits_{m = 0}^{\infty} (-1)^m \binom{-\frac{1}{2}}{m} \left( 2zt - t ^2 \right)^m \]
D: Posplošena binomska vrsta za \( \left| t \right| < 1 \)
\[ \left( 1 + t \right)^{\alpha} = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} \binom{\alpha}{n} t^n \]
kjer je
\[ \binom{\alpha}{n} = \frac{\alpha (\alpha - 1) \ldots (\alpha - n + 1)}{n!}, \ \alpha \in \mathbb{R}, \ n \in \mathbb{N} \]
in \( \left| 2zt - t ^2\right| < 1\)
\[ \binom{- \frac{1}{2}}{m} = \frac{(-1)^m (2m)!}{2^{2m} \left( m! \right)^2} \]
D:
\[ \binom{- \frac{1}{2}}{m} = \frac{\left( - \frac{1}{2} \right)\left( - \frac{1}{2} - 1 \right) \ldots \left( - \frac{1}{2} - m + 1 \right)}{m!} \]
D: Definicija posplošenega binomskega simbola
\[ = \frac{\left( -1 \right)^m \cdot 1 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot \left( 2m - 1 \right)}{2^m m!} \]
D: <2>1
\[ = \frac{(-1)^m (2m - 1)!! }{2^m m!} \]
D:<2>2
\[ = \frac{(-1)^m}{2^m m!} \frac{(2m)!}{\left( m! \right)^2 2^m} \]
D: \[ (2m - 1)!! = \frac{(2m)!}{(2m)!!} = \frac{(2m)!}{2^m m!} \]
Eliminirati je potrebno vse sode faktorje, ki se pojavijo v \( (2m)! \)
Nedokončano.
18.5. Posledica 4.19 (Rekurzivna zveza za Legendrove polinome)
\[ (n +1)P_{n + 1}(z) = \left( 2n + 1 \right) z P_n (z) - n P_{n - 1} (z) \]
\[ \frac{1}{\sqrt{1 - 2zt + t ^2}} = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} P_n (z) t^n \]
D: Rodovna funkcija
\[ \frac{z - t}{\left( 1- 2zt + t ^2 \right)^{\frac{3}{2}}} = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} n P_n (z) t^{n - 1} \]
D: odvod po \( t \)
\[ \frac{z - t}{\sqrt{1 - 2zt + t ^2}} = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} P_n (z) t^n (z - t) \]
D: <1>1 pomnožena z \( z -t \)
\[ \frac{z - t}{\sqrt{1 - 2zt + t ^2}} = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} n P_n (t) t^{n - 1} (1 -2tz + z ^2) \]
D: <1>2 pomnožena z \( (1 - 2zt + t ^2) \)
\[ zP_n (z) - P_{n - 1} (z) = (n + 1) P_{n + 1} (z) -2nz P_n (t) = (n - 1) P_{n - 1} (z) \]
D: Koeficienti pri \( t^n \)
- QED
18.6. Trditev 4.17
\[ P_n (1) = 1 \]
ter
\[ P_n (-1) = (-1)^n \]
18.7. Izrek 4.20
\[ \int\limits_{-1}^1 P_n (z) P_m(z) \, \mathrm{d} z = \delta_{mn} \frac{2}{2 n + 1} \]
kjer je
\[ \delta_{mn} = \begin{cases} 0; &m \ne n\\ 1; & m = n \end{cases} \]
19. Pridruženi Legendrovi polinomi
19.1. Definicija 4.6
Pridružene Legendrove funkcije definiramo kot
\[ P_n^m (z) = \left( 1 - z ^2 \right)^{\frac{m}{2}} \frac{\mathrm{d} ^m}{\mathrm{d} z^m} P_n (z) \]
za \( m = 0, 1, \ldots, n \)
19.2. Trditev 4.12
Funkcija \( P_n^m \) reši diferncialno enačbo
\[ \left( \left[ 1 - z ^2 \right]y' \right)' + \left( n(n + 1) - \frac{m ^2}{1 - z ^2} \right) y = 0 \]
Če izraz spremenimo
\[ \left( \left[ 1 - z ^2 \right]y' \right)' - \frac{m ^2}{1 - z ^2}y = - n (n + 1) y \]
lahko definiramo linearno preslikavo
\[ L: \mathcal{C} ^2 [-1, 1] \to \mathcal{C}[-1, 1], \ y \mapsto \left[ \left(1 - z ^2 \right) y' \right]' - \frac{m ^2}{1 - z ^2} y \]
Tako imamo sedaj enačbo
\[ L y = - n (n + 1) y \]
\( P^m _n \) so tako lastni vektorji preslikave \( L \) in če je \( L \) hermitska, so lastne vrednosti realne in lahko iz lastnih vektorjev napravimo ortogonalno bazo.
19.3. Izrek 4.22
- P1: fiksen \( m \ge 0 \)
\( \left( P^m_n \right)^{\infty}_{n \ge m} \) so ortogonalna baza \( L^2 [-1, 1] \).
\[ \int\limits_{-1}^1 P_n^m (x) P_k ^m \, \mathrm{d} x = \delta_{n k} \frac{2}{2n + 1} \frac{(n + m)!}{(n - m)!} \]
20. Hermitovi polinomi
Rešujemo diferencialno enačbo
\[ y'' - 2zy' + 2 \nu y = 0 \]
Funkciji
\begin{align*} p(z) &= -2z \\ q(z) &= 2 \nu \end{align*}sta celi in \( 0 \) je tako regularna točka.
Za \( \nu \in \mathbb{N}_0 \) je rešitev enačbe polinom z oznako \( H_n (z) \), kjer določimo, da je vodilni koeficient pri \( z^n \) enak \( 2^n \).
20.1. Trditev (Rodriguesova formula za Hermitove polinome)
\[ H_n (z) = \left( -1 \right)^n e^{z ^2} \frac{\mathrm{d} ^n}{\mathrm{d} z ^n} \left( e^{- z ^2} \right) \]
20.2. Izrek 4.24 (Rodovna funkcija)
\[ e^{2zt - t ^2} = \sum\limits_{n =0}^{\infty} \frac{H_n (z)}{n!} t^n \]
je rodobna funkcija za Hermitove polinome.
20.3. Trditev 4.25
Veljajo naslednje zveze
\begin{align*} H_n (z) &= 2z H_{n - 1} (z) - H_{n - 1}' (z) \\ H_n'(z) &= 2n H_{n - 1}(z) \\ H_n (z) &= 2z H_{n - 1}(z) - 2(n - 1) H_{n - 2}(z) \end{align*}21. Sturm-Liouvilleov problem
Imamo problem oblike
\[ P(x) y'' + Q(x) y' + R(x) y = - \lambda y \]
za zvezne funkcije \( P, Q \) in \( R \) na \( [a, b] \).
Imamo tudi ločene robne pogoje
\begin{align*} \alpha_1 y(a) + \alpha_2 y'(a) &= 0 && \alpha_1 ^2 + \alpha_2 ^2 \ne 0 \\ \beta_1 y(b) + \beta_2 y'(b) &= 0 && \beta_1 ^2 + \beta_2 ^2 \ne 0 \end{align*}za \( \alpha_{1, 2}, \beta_{1, 2} \in \mathbb{R} \).
Definiramo linearno preslikavo
\[ L: \mathcal{C} ^2 [a, b] \to \mathcal{C}[a, b], \ y \mapsto P y'' + Q y' + R y \]
in sedaj rešujemo enačbo
\[ Ly = - \lambda y \]
Preslikavi \( L \) pravimo tudi linearni diferencialni operator 2. reda.
Prostor \( \mathcal{C}[a, b] \) opremimo s skalarnim produktom
\[ \left\langle u, v \right\rangle = \int\limits_a^b u(x) \overline{v(x)} \, \mathrm{d} x \]
Za preslikavo \( L \) nas zanimajo ortogonalne lastne funkcije, in želimo definirati sebi-adjungirano preslikavo \( L^{\ast} \). Vemo, da za sebi-adjungirane preslikave velja
\[ \left\langle Au, v \right\rangle = \left\langle u, A^{\ast} v \right\rangle, \ A \in \mathbb{R}^{n\times n}, \ u, v \in \mathbb{R}^n \]
Opremljeni s tem znanjem, izračunajmo \( L^{\ast} \):
\begin{align*} \left\langle Lu, v \right\rangle &= \int\limits_a^b \left( P u'' + Q u' + Ru \right) \bar{v} \, \mathrm{d} x \\ &= \int\limits_a^b \left( P \bar{v} \right) u'' \, \mathrm{d} x + \int\limits_a^b \left( Q \bar{v} \right) u' \, \mathrm{d} x + \int\limits_a^{ b} Ru \bar{v} \, \mathrm{d} x && \text{per partes} \\ &= \left. \left[ \left( P \bar{v} \right) u' + Q u \bar{v} - \left( P \bar{v} \right)' u \right] \right|_a^b + \int\limits_a^b u \overline{\left[\left( Pv \right)'' - \left( Qv \right) ' + Rv \right]} \, \mathrm{d} x \end{align*}in iz tega ekstrahiramo
\[ L^{\ast} v = \left( Pv \right)'' - \left( Qv \right) ' + Rv \]
\( L \) je formalno sebi-adjungiran, če velja \( L = L^{\ast} \).
Torej je \( L \) sebi-adjungiran za vse \( v \in \mathcal{C} ^2 [a, b] \), ko velja \( Q = P ' \) in posledično tudi \( Q' = P '' \).
Predpostavimo torej, da je \( L \) sebi-adjungiran. Tako naša linearna preslikava postane
\[ L y = \left( P y' \right)' + Ry \]
21.1. Trditev 5.1
Če je diferencialni operator \( L \) formalno sebi-adjungiran, potem velja Greenova identiteta
\[ \left\langle L u, v \right\rangle = P \left.\left( \bar{v} u' - \bar{v}' u \right)\right|_a^b + \left\langle u, Lv \right\rangle \]
21.2. Posledica 5.2
- P1: \( L \) formalno sebi-adjungiran diferencialni operator
- P2: \( u, v \in \mathcal{C} ^2[a, b] \)
Če \( u, v \) zadoščata ločenima robnima pogojema, potem velja
\[ \left\langle Lu, v \right\rangle = \left\langle u, L v \right\rangle \]
Dokazujemo
\[ \rho = \left. \left[\bar{v} u' - \bar{v} ' u \right]\right|_a ^b \]
A1: \( \alpha_1 \ne 0 \)
A2: \( \beta_2 \ne 0 \)
\begin{align*} \alpha_1 u (a) + \alpha_2 u'(a) &= 0\\ \beta_1 u(b) + \beta_2 u'(b) &= 0 \end{align*}D: definicija ločenih robnih pogojev za \( u \)
- \begin{align*}
\alpha_1 v (a) + \alpha_2 v'(a) &= 0\\
\beta_1 v(b) + \beta_2 v'(b) &= 0
\end{align*}
D: Definicija ločenih robnih pogojev za \( v \)
\[ \rho = \bar{v}(b) u'(b) - \bar{v}'(b) u(b) - \bar{v}(a) u'(a) + \bar{v}' (a) u(a) = 0 \]
D: Greenova identiteta upoštevajoč meje
\[ \rho = 0 \]
Dokaz:
\[ u(a) = - \frac{\alpha_2}{\alpha_1} u'(a) \]
D: <1>1
\[ u'(b) = - \frac{\beta_1}{\beta_2} u(b) \]
D: <1>1
\[ \bar{v}(a) = -\frac{\alpha_1}{\alpha_2} \bar{v}'(a) \]
D: <1>2
\[ \bar{v}'(b) = - \frac{\beta_1}{\beta_2} \bar{v}(b) \]
D: <1>2
- QED
- QED
22. Sturm-Liouvilleov problem z utežjo
Uporabimo enak diferencialni operator
\[ L : \mathcal{C}[a, b] \to \mathcal{C}[a, b], \ y \mapsto Py'' + Qy' + Ry \]
vendar tokrat rešujemo problem
\[ L y = - \lambda \omega y \]
kjer je \( \omega = \omega(x) \) zvezna pozitivna funkcija na \( [a, b] \), ki ji rečemo utež.
\( y \) še zmeraj zadošča enakima robnima pogojema kot prej.
V \( \mathcal{C}[a, b] \) vpeljemo skalarni produkt z utežjo
\[ \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} = \int\limits_a^b u \bar{v} \omega \, \mathrm{d} x \]
Funkcija
\[ \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} = \int\limits_a^b u \bar{v} \omega \, \mathrm{d} x \]
je skalarni produkt.
- \[ \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} \ge 0, \ \forall u, v \in \mathcal{C}[a, b] \]
- \[ \left\langle u, u \right\rangle_{\omega} = 0 \iff \, u = 0 \]
- \[ \left\langle u_1, u_2, v \right\rangle_{\omega} = \left\langle u_1, v \right\rangle_{\omega} + \left\langle u_2, v \right\rangle_{\omega} \]
- \[ \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} = \overline{\left\langle v, u \right\rangle_{\omega}} \]
- \[ \left\langle \alpha u, v \right\rangle_{\omega} = \alpha \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} \]
- QED
Iz definicije skalarnega produkta z utežjo prav tako dobimo uteženo normo
\[ \left\lVert u \right\rVert_{\omega} = \sqrt{\left\langle u, v \right\rangle_{\omega}} \]
Funkciji \( u \) in \( v \) sta ortogonalni z utežjo \( \omega \), če velja
\[ \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} = 0 \]
Prostor \( \mathcal{C}[a, b] \) napolnjen z uteženo normo označimo z \( L_{\omega} ^2 [a, b] \).
22.1. Izrek 5.4 (Sturm-Liouvilleov izrek)
- P1: \( P \) zvezno odvedljiva
- P2: \( R \) zvezna
- P3: zvezna, pozitivna utež \( \omega(x) \) na \( [a, b] \)
P4: \( y \) zadošča ločenima robnima pogojema
\begin{align*} \alpha_1 y(a) + \alpha_2 y'(a) &= 0 && \alpha_1 ^2 + \alpha_2 ^2 \ne 0 \\ \beta_1 y(b) + \beta_2 y'(b) &= 0 && \beta_1 ^2 + \beta_2 ^2 \ne 0 \end{align*}P5: rešujemo uteženi lastni problem
\[ Ly = - \lambda \omega y \]
- (Posplošene) lastne vrednosti so enostavne in realne.
- (Posplošeni) lastni funkciji, ki pripadata različnima (posplošenima) lastnima vrednostima, sta uteženo ortogonalni.
- Lastni podprostor, ki pripada neki (posplošeni) lastni vrednosti, je enorazsežen za vsako (posplošeno) lastno vrednost.
Obstaja zaporedje posplošenih lastnih funkcij \( \left( y_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \) za lastne vrednosti \( \left( \lambda_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \), ki tvorijo ortonormirano \( L^2_{\omega} [a, b] \)
Za vsak \( y \in L ^2_{\omega} [a, b] \) velja konvergenca po točkah proti \( y \) glede na metriko
\[ y = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} \left\langle y, y_n \right\rangle_{\omega} y_n \]
ter
\[ \lambda_n \overset{n \to \infty}{\longrightarrow} \infty \]
A1: \( L \) je formalno sebi-adjungiran, torej velja
\[ \left\langle Lu, v \right\rangle = \left\langle u, L v \right\rangle \]
A2: \( u \) lastna funkcija uteženega lastnega problema
A3: \( \lambda \) pripadajoča lastna vrednost \( u \)
Lastne vrednosti so realne.
- \[ \left\langle Lu, u \right\rangle = - \lambda \left\lVert u \right\rVert_{\omega} ^2
\]
\[ Lu = - \lambda \omega u \]
D: P5
\[ \left\langle Lu, u \right\rangle = - \lambda \left\langle \omega u, u \right\rangle \]
D: skalarni produkt z \( u \)
\[ = -\lambda \int\limits_a^b \omega u \bar{u} \, \mathrm{d} x \]
D: definicija skalarnega produkta z utežjo
- \[ = - \lambda \left\langle u, u \right\rangle_{\omega} = - \lambda \left\lVert u \right\rVert_{\omega} ^ \]
QED
D: Definicija norme
- \[ \left\langle u, Lu \right\rangle = - \bar{\lambda} \left\lVert u \right\rVert_{\omega} ^2
\]
\[ \left\langle u, Lu \right\rangle = \left\langle u, - \lambda \omega u \right\rangle \]
D: P5 in skalarni produkt z leve
\[ = - \bar{\lambda} \left\langle u, \omega u \right\rangle \]
D: lastnost skalarnega produkta \( \left\langle u, \lambda v \right\rangle = \bar{\lambda} \overline{\left\langle v, u \right\rangle} \)
\[ = - \bar{\lambda} \int\limits_a^b u \overline{\omega u} \, \mathrm{d} x \]
D: Definicija skalarnega produkta z utežjo
\[ = - \bar{\lambda} \int\limits_a^b u \omega \bar{u} \, \mathrm{d} x \]
D: pozitivnost funkcije??
- \[ = - \bar{\lambda} \left\lVert u \right\rVert_{\omega} ^2 \]
QED
D: Definicija norme
\[ \lambda = \bar{\lambda} \]
D: <2>1 in <2>2 za \( u \ne 0 \), kar povzroči \( \left\lVert u \right\rVert _{\omega} \ne 0 \)
QED
D: \( \lambda \in \mathbb{R} \)
- \[ \left\langle Lu, u \right\rangle = - \lambda \left\lVert u \right\rVert_{\omega} ^2
\]
A4: \( \eta \) različna lastna vrednost od \( \lambda \)
A5: \( \eta \) pripada različni od \( u \) lastni funkciji \( v \)
\[ \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} = 0 \]
\[ Lu = - \lambda \omega u \]
D: P5 za \( u \)
\[ Lu = - \eta \omega u \]
D: P5 za \( v \)
\[ \left\langle Lu, v \right\rangle = - \lambda \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} \]
Dokaz:
\[ \left\langle Lu, v \right\rangle = - \lambda \left\langle \omega u, v \right\rangle = - \lambda \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} \]
ter definicija skalarnega produkta z utežjo.
\[ \left\langle u, Lv \right\rangle = - \eta \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} \]
D: <1>1 ter <2>3
\[ \left\langle L u, v \right\rangle = \left\langle u, L v \right\rangle \]
D: A1
QED
D:
\[ \left( \lambda - \eta \right) \left\langle u, v \right\rangle_{\omega} = 0, \ \lambda - \eta \ne 0 \]
A6: \( u \) je lastna funkcija za \( \lambda \)
A7: \( v \) je lastna funkcija za \( \lambda \)
\( u \) in \( v \) linearno odvisni.
\( u \)
\begin{align*} \alpha_1 u(a) + \alpha_2 u'(a) &= \begin{bmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u(a) \\ u'(a) \end{bmatrix} = 0 \\ \beta_1 u(b) + \beta_2 u'(b) &= \begin{bmatrix} \beta_1 \\ \beta_2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u(b) \\ u'(b) \end{bmatrix} = 0 \end{align*}D: Ločena robna pogoja za \( u \)
\( v \)
\begin{align*} \alpha_1 v(a) + \alpha_2 v'(a) &= \begin{bmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v(a) \\ v'(a) \end{bmatrix} = 0 \\ \beta_1 v(b) + \beta_2 v'(b) &= \begin{bmatrix} \beta_1 \\ \beta_2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v(b) \\ v'(b) \end{bmatrix} = 0 \end{align*}A8: \( \begin{bmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \end{bmatrix} \) je neničeln
Vektor \( \begin{bmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \end{bmatrix} \) je pravokoten na \( \begin{bmatrix} u(a) \\ u'(a) \end{bmatrix} \) ter \( \begin{bmatrix} v(a) \\ v'(a) \end{bmatrix} \)
D: <2>1 in <2>2
A9: \( C_1, C_2 \in \mathbb{R} \), ki nista hkrati \( 0 \)
Linearna odvisnost
\[ C_1 \begin{bmatrix} u(a) \\ u'(a) \end{bmatrix} + C_2 \begin{bmatrix} v(a) \\ v'(a) \end{bmatrix} = 0 \]
oziroma
\[ y = C_1 u(a) + C_2 v(a) \]
D: Po <2>3 sta oba vektorja pravokotna na \( \begin{bmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \end{bmatrix} \), kar je v \( \mathbb{R} ^2 \) mogoče samo, če sta linearno odvisna v točki \( a \) (in \( b \)).
Imamo Cauchyjev problem za \( y \)
D: Rešujemo problem 2. reda
\[ Ly = - \lambda \omega y \]
z začetnima pogojema
\begin{align*} y(a) &= C_1 u(a) + C_2 v(a) = 0 \\ y'(a) &= 0 \end{align*}\( y = 0 \) je unikatna rešitev.
D: Uganili rešitev ter eksistenčni izrek za diferencialno enačbo 2. reda, ki nam pove, da je to unikatna rešitev.
QED
\[ C_1 u = - C_2 v \]
Funkciji \( u \) in \( v \) sta linearno odvisni na celotne intervalu.
- Izpustimo.