You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>COMPLEXE</strong> <strong>ANALYSE</strong>: <strong>Hoofdstuk</strong> 1<br />
Jan van Casteren
- 1 -<br />
Complexe Analyse<br />
1. Elementaire eigenschappen van holomorfe functies<br />
1.1 Definitie<br />
Laat Ω een open deel zijn van C. Laat f een complex-waardige functie zijn, gedefinieerd<br />
op Ω. Zij z 0 een punt in Ω. De functie f heet complex differentieerbaar in z 0 als<br />
f(z) − f(z 0 )<br />
lim<br />
z→z 0 z − z 0<br />
bestaat. We schrijven f ′ (z 0 ) voor deze uitdrukking. Als f ′ (z 0 ) bestaat voor iedere z 0 in<br />
Ω, dan zeggen we dat f holomorf (ook wel: analytisch) is in Ω.<br />
De klasse van analytische functies in Ω duiden we aan met H(Ω).<br />
1.2 Propositie. De verzameling H(Ω) is een algebra van functies:<br />
∀f, g ∈ H(Ω), ∀λ ∈ C : f + g ∈ H(Ω), fg ∈ H(Ω) en λf ∈ H(Ω).<br />
1.3 Propositie (kettingregel). Zij f holomorf in Ω, f(Ω) ⊂ Ω 1 , g holomorf in Ω 1 . Dan is<br />
g ◦ f holomorf in Ω, en voor z 0 ∈ Ω geldt:<br />
(g ◦ f) ′ (z 0 ) = g ′ (f(z 0 )).f ′ (z 0 ).<br />
Bewijs. De functies ε en η worden gedefinieerd door<br />
f(z) − f(z 0 ) = (f ′ (z 0 ) + ε(z)).(z − z 0 )<br />
g(w) − g(w 0 ) = (g ′ (w 0 ) + η(w)).(w − w 0 )<br />
waar w 0 = f(z 0 ). Dan is lim z→z0 ε(z) = 0 en lim w→w0 η(w) = 0, en:<br />
g(f(z)) − g(f(z 0 ))<br />
z − z 0<br />
= (g ′ (f(z 0 )) + η(f(z))) (f ′ (z 0 ) + ε(z)) .<br />
De functie f is continu in z 0 , dus voor z → z 0 convergeren de uitdrukkingen η(f(z)) en<br />
ε(z) allebei naar 0. Hiermee is de stelling bewezen.
Machtreeksen.<br />
- 2 -<br />
1.4 Stelling. Zij c 0 , c 1 , c 2 , . . . een rij complexe getallen. Er bestaat een getal R ∈ [0, ∞]<br />
zodat de machtreeks<br />
∞∑<br />
c n z n<br />
n=0<br />
uniform en absoluut convergeert op ieder compact deel van de open schijf {z ∈ C; |z| < R},<br />
en divergeert voor |z| > R. Dit getal R wordt gegeven door:<br />
R =<br />
1<br />
lim sup n→∞<br />
n √ |c n | .<br />
Bewijs. Zij (a n ) n een rij complexe getallen. Als lim sup √ n<br />
n→∞ |a n | < 1, dan convergeert<br />
de reeks ∑ |a n |. (Ter herinnering: kies lim sup < x < 1 en vergelijk de reeks met de<br />
meetkundige reeks ∑ x n )<br />
Toepassing op de rij (c n z n ) n levert dat voor<br />
|z| <<br />
1<br />
lim sup n→∞<br />
n √ |c n |<br />
de reeks ∑ c n z n absoluut convergeert. Analoog kunnen we verifiëren dat voor |z| ><br />
1/ lim sup de reeks divergeert.<br />
Op de open schijf D met middelpunt 0 en straal R kunnen we dus als volgt een functie f<br />
definiëren:<br />
∞∑<br />
f(z) = c n z n .<br />
n=0<br />
We zullen bewijzen dat deze reeks uniform naar f convergeert op compacte delen van D.<br />
Als K een willekeurig compact deel is van D, dan bestaat er een r in het open interval<br />
(0, R) zodat<br />
K ⊂ {z ∈ C; |z| < r}.<br />
Kies een punt z 0 ∈ C zodat r < |z 0 | < R en zij z ∈ K. Om uniforme convergentie te<br />
bewijzen, moeten we de staart van de reeks afschatten door een uitdrukking waar z niet<br />
meer in voorkomt.<br />
N∑<br />
∞∑<br />
|f(z) − c n z n | ≤ |c n ||z| n<br />
n=0<br />
en dit laatste convergeert naar 0 voor N → ∞.<br />
≤<br />
n=N+1<br />
∞∑<br />
n=N+1<br />
|c n ||z 0 | n
- 3 -<br />
1.5 Definitie. Zij Ω een open deel van C. Een functie f : Ω → C heet representeerbaar<br />
door machtreeksen als voor ieder punt a ∈ Ω er een r > 0 en een rij complexe getallen c 0 ,<br />
c 1 , c 2 , . . . bestaan zodat de open schijf<br />
{z ∈ C; |z − a| < r}<br />
helemaal tot Ω behoort, en op deze schijf geldt:<br />
f(z) =<br />
∞∑<br />
c n (z − a) n .<br />
n=0<br />
Opmerking. Holomorfie op Ω is equivalent met representeerbaarheid door machtreeksen.<br />
Eén richting van deze equivalentie bewijzen we in de volgende stelling, de andere volgt<br />
later.<br />
1.6 Stelling. Zij f : Ω → C representeerbaar door machtreeksen. Dan is f ∈ H(Ω), en<br />
f ′ is eveneens representeerbaar door machtreeksen. Als voor zekere a ∈ Ω en |z − a| < r<br />
geldt<br />
∞∑<br />
f(z) = c n (z − a) n ,<br />
dan geldt voor |z − a| < r eveneens<br />
f ′ (z) =<br />
n=0<br />
∞∑<br />
nc n (z − a) n−1 .<br />
n=1<br />
Bewijs. De convergentiestraal van ∑ c n (z − a) n is dezelfde als die van ∑ nc n (z − a) n−1 ,<br />
zoals blijkt uit het reeds eerder gehanteerde convergentiecriterium. (want lim n→∞<br />
n √ n = 1)<br />
We bewijzen de differentieerbaarheid van f in een punt z 0 ∈ Ω én de reeksuitdrukking van<br />
de afgeleide in één klap, door afschatting van de uitdrukking<br />
f(z) − f(z 0 )<br />
∞∑<br />
− nc n (z 0 − a) n−1<br />
z − z 0<br />
n=1<br />
∞∑<br />
{ (z − a) n − (z 0 − a) n<br />
}<br />
= c n − n(z 0 − a) n−1 .<br />
z − z 0<br />
n=1<br />
Een beetje elementaire algebra leert ons dat, voor n ≥ 2:<br />
(z − a) n − (z 0 − a) n<br />
− n(z 0 − a) n−1<br />
z − z 0<br />
n−1<br />
∑<br />
= (z − z 0 ) k(z 0 − a) k−1 (z − a) n−k−1<br />
k=1
- 4 -<br />
Dus geldt:<br />
f(z) − f(z 0 )<br />
∣ z − z 0<br />
−<br />
∣<br />
∞∑<br />
∣∣∣∣ ∞∑<br />
nc n (z 0 − a) n−1 ≤ |z − z 0 |<br />
n=1<br />
n=2<br />
n−1<br />
∑<br />
|c n |<br />
k=1<br />
k|z 0 − a| k−1 |z − a| n−k−1 .<br />
We mogen veronderstellen dat voor zekere ρ < r, zowel |z − a| < ρ als |z 0 − a| < ρ. Dan<br />
geldt:<br />
f(z) − f(z 0 )<br />
∣ z − z 0<br />
−<br />
∣<br />
∞∑<br />
∣∣∣∣ ∞∑<br />
nc n (z 0 − a) n−1 ≤ |z − z 0 | |c n | 1 2 n(n − 1)ρn−2 .<br />
n=1<br />
Aangezien ∑ ∞<br />
n=2 |c n|n(n − 1)ρ n−2 convergeert, volgt dus<br />
f(z) − f(z 0 )<br />
lim<br />
=<br />
z→z 0 z − z 0<br />
n=2<br />
∞∑<br />
nc n (z 0 − a) n−1 .<br />
n=1<br />
Corollarium bij stelling 1.6. Zij Ω een open deel van C, en f in Ω door machtreeksen representeerbaar.<br />
Dan is voor ieder natuurlijk getal k de functie f (k) in Ω door machtreeksen<br />
representeerbaar, en geldt:<br />
f (k) (z) =<br />
∞∑<br />
n(n − 1) . . . (n − k + 1)c n (z − a) n−k .<br />
n=k<br />
als |z−a| < r, en als f de representatie ∑ c n (z−a) n heeft op de open schijf met middelpunt<br />
a en straal r. In het bijzonder volgt dan<br />
c n = f (n) (a)<br />
n!<br />
Met andere woorden: bij gegeven f en a zijn de coëfficiënten eenduidig bepaald.
- 5 -<br />
In de volgende stelling zien we een methode om functies te maken die representeerbaar<br />
zijn door machtreeksen.<br />
1.7 Stelling. Laat ϕ en ψ twee continue complex-waardige functies zijn op het compacte<br />
interval [α, β]. De functie<br />
f : C \ ψ[α, β] → C<br />
gedefinieerd door<br />
f(z) =<br />
∫ β<br />
α<br />
ϕ(t)<br />
ψ(t) − z dt<br />
is goed gedefinieerd en representeerbaar in machtreeksen.<br />
Bewijs. Zij Ω = C \ ψ[α, β]. Dan is Ω open. Zij a ∈ Ω en zij r > 0 de afstand van a tot<br />
ψ[α, β]. Voor |z − a| < r geldt:<br />
∫ β<br />
α<br />
n=N+1<br />
∫<br />
ϕ(t)<br />
β<br />
ψ(t) − z dt =<br />
=<br />
=<br />
=<br />
α<br />
∫ β<br />
α<br />
∫ β<br />
α<br />
ϕ(t)<br />
(ψ(t) − a) − (z − a) dt<br />
ϕ(t)<br />
ψ(t) − a . 1<br />
1 − z−a<br />
ϕ(t)<br />
ψ(t) − a<br />
∞∑<br />
n=0<br />
∞∑<br />
∫ β<br />
(z − a) n<br />
n=0<br />
α<br />
ψ(t)−a<br />
dt<br />
( ) n z − a<br />
dt<br />
ψ(t) − a<br />
ϕ(t)<br />
(ψ(t) − a)<br />
n+1<br />
dt<br />
De reden waarom we in de laatste stap de integratie en de sommatie mochten verwisselen,<br />
was: ∣ ∣∣∣∣ ∫ ∣<br />
β ∞∑ (z − a) n ∣∣∣∣ ∫ ∣<br />
β<br />
ϕ(t)<br />
α<br />
(ψ(t) − a) n+1 dt ∞∑ (z − a) n ∣∣∣∣<br />
≤ |ϕ(t)|.<br />
α ∣ (ψ(t) − a) n+1 dt<br />
≤<br />
=<br />
∫ β<br />
α<br />
∞∑<br />
n=N+1<br />
De laatste uitdrukking gaat naar 0 voor N → ∞.<br />
|ϕ(t)|<br />
n=N+1<br />
∞∑<br />
n=N+1<br />
∫ β<br />
|z − a| n<br />
r n+1<br />
|z − a| n<br />
r n+1 dt<br />
α<br />
|ϕ(t)|dt.
- 6 -<br />
Opmerking 1. Merk op dat in bovenstaande de n-de coëfficiënt in de machtreeks voor f<br />
gegeven wordt door:<br />
∫ β<br />
ϕ(t)<br />
c n =<br />
n+1<br />
dt.<br />
(ψ(t) − a)<br />
α<br />
We zien ook dat de machtreeks voor f overal convergeert op een open cirkelschijf met<br />
middelpunt a, welke zo groot mogelijke straal heeft waarvoor die nog tot Ω behoort.<br />
Opmerking 2. Laat (X, A, µ) een eindige (complexe) maatruimte zijn en ϕ : X → C een<br />
meetbare functie. Als Ω een open deel is van C dat in C \ ψ(X) bevat is, dan is de functie<br />
∫<br />
z ↦→<br />
representeerbaar door machtreeksen in Ω.<br />
Integratie langs een weg.<br />
X<br />
dµ(x)<br />
ϕ(x) − z<br />
Een van de belangrijkste resultaten uit dit hoofdstuk zal zijn dat iedere f in H(Ω) representeerbaar<br />
is door machtreeksen.<br />
1.8 Definities. Een kromme is C is een continue afbeelding γ van een compact interval<br />
[α, β] naar C. Het interval [α, β] heet het parameter-interval van de kromme. Een pad<br />
of weg is een kromme die stuksgewijs glad is, d.w.z. er bestaat een eindig stel punten<br />
{s j ; j = 0, 1, . . . , n} met α = s 0 < s 1 < · · · < s n = β, zodanig dat γ differentieerbaar op<br />
(s j−1 , s j ) voor j = 1, . . . , n met de juiste linker- en rechterafgeleiden in de eindpunten. De<br />
kromme γ heet gesloten als γ(α) = γ(β).<br />
Zij f : γ[α, β] → C een continue functie. We definiëren de integraal van f langs γ door:<br />
∫<br />
γ<br />
f(z)dz =<br />
∫ β<br />
α<br />
f(γ(t))γ ′ (t)dt.<br />
Zij γ : [α, β] → C een weg en zij ϕ een continu differentieerbare bijectie van [α 1 , β 1 ] op<br />
[α, β] waarvoor ϕ(α 1 ) = α en ϕ(β 1 ) = β. Dan geldt<br />
∫<br />
γ◦ϕ<br />
f(z)dz =<br />
=<br />
∫<br />
=<br />
∫ β1<br />
α 1<br />
∫ β<br />
α<br />
γ<br />
f(γ ◦ ϕ(τ))γ ′ (ϕ(τ))ϕ ′ (τ)dτ<br />
f(γ(t))γ ′ (t)dt<br />
f(z)dz<br />
waar we de substitutie t = ϕ(τ) hebben gebruikt. We zien dus dat<br />
∫<br />
∫<br />
f(z)dz = f(z)dz<br />
γ 1 γ
- 7 -<br />
waarbij γ 1 = γ ◦ϕ. Met andere woorden, herparametrizeren van de kromme levert dezelfde<br />
integraal. De continue differentieerbaarheid van ϕ kan nog verzwakt worden tot stuksgewijze<br />
continue differentieerbaarheid. Essentieel is wel dat de orientatie bewaard blijft, d.w.z.<br />
ϕ ′ (t) moet positief zijn. Bijvoorbeeld zij γ : [α, β] een weg en zij<br />
ϕ : [α, β] → [α, β] : t ↦→ α + β − t.<br />
Dan is γ ◦ ϕ de tegengestelde kromme. Er geldt<br />
∫<br />
γ◦ϕ<br />
We merken ook nog op dat<br />
∫<br />
∣<br />
γ<br />
∫ β<br />
f(z)dz = −<br />
= −<br />
=<br />
α<br />
∫ α<br />
β<br />
∫ α<br />
β<br />
∫<br />
= −<br />
γ<br />
f(γ(α + β − t))γ ′ (α + β − t)dt<br />
f(γ(τ))γ ′ (τ)(−dτ)<br />
f(γ(τ))γ ′ (τ)dτ<br />
f(z)dz.<br />
f(z)dz<br />
∣ ≤ lengte van γ . sup{|f(z)|; z ∈ γ[α, β]}<br />
waar we de lengte van γ definiëren als ∫ β<br />
α |γ′ (t)|dt.
1.9 Speciale krommen:<br />
- 8 -<br />
a. Laat a ∈ C en r > 0. De weg γ : [−π, pi] → C gedefinieerd door<br />
γ(t) = a + r exp(it)<br />
is de positief georiënteerde cirkel met middelpunt a en straal r. Er geldt<br />
∫<br />
γ<br />
∫ 2π<br />
f(z)dz = ir f(a + r exp(iθ)) exp(iθ)dθ.<br />
0<br />
b. Als a en b complexe getallen zijn, dan heet de kromme<br />
γ : [0, 1] → C : t ↦→ a + (b − a)t<br />
het georiënteerde interval [a, b]. De lengte van het interval is |b − a| en de lijnintegraal<br />
van een functie f is<br />
∫<br />
[a,b]<br />
∫ 1<br />
f(z)dz = (b − a) f(a + (b − a)t)dt.<br />
0<br />
Een andere parametrizering van deze krommen wordt gegeven door<br />
γ 1 (t) : [α, β] → C : t ↦→<br />
a(β − t) + b(t − α)<br />
.<br />
β − α<br />
c. Zijn a, b en c complexe getallen. Zij ∆ de driehoek met hoekpunten a, b en c. De<br />
kromme ∂∆ wordt verkregen door de zijden [a, b], [b, c] en [c, a] ”aan elkaar te plakken”.<br />
Dan geldt ∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
f(z)dz = f(z)dz + f(z)dz + f(z)dz.<br />
∂∆<br />
[a,b]<br />
Een cyclische permutatie van (a, b, c) verandert deze integraal niet; een oneven permutatie<br />
verandert uiteraard het teken.<br />
[b,c]<br />
[c,a]
- 9 -<br />
De nu volgende stelling vereist een paar topologische begrippen. Zij X een topologische<br />
ruimte. Een deelverzameling E van X heet samenhangend als er geen tweetal open verzamelingen<br />
bestaan die disjunct zijn, waarvan de vereniging E omvat en die beide E snijden.<br />
Een maximaal samenhangende deelverzameling van E heet component van E. E is de unie<br />
van al zijn componenten.<br />
De stelling introduceert een belangrijke functie uit de analytische functietheorie.<br />
1.10 Stelling. Zij γ een gesloten weg met parameter-interval [α, β] en zij Ω het complement<br />
van γ[α, β] in C. Definieer de functie<br />
Ind γ : Ω → C : z ↦→ 1 ∫<br />
2πi γ<br />
dζ<br />
ζ − z<br />
Dan is Ind γ een functie met waarden in Z, die constant is op de componenten van Ω en<br />
nul op de onbegrensde component.<br />
In woorden. Neem z vast in Ω. Plaats een schijnwerper in z en richt hem op γ(α). Draai<br />
dan de schijnwerper mee met γ(τ) naarmate τ het parameter-interval doorloopt, en zo tot<br />
γ(β). Aangezien γ een gesloten weg is, kijken we in dezelfde richting als aanvankelijk.<br />
Ind γ (z) is het netto aantal omwentelingen dat we hebben gemaakt.<br />
Ind γ (z) wordt het windingsgetal van γ rond z genoemd.<br />
Bewijs van de stelling. Neem een vaste z ∈ Ω. We zullen bewijzen dat<br />
exp<br />
( ∫ β<br />
α<br />
)<br />
γ ′ (s)<br />
γ(s) − z ds = 1.<br />
Hieruit volgt dat de lijnintegraal een geheel veelvoud is van 2πi.<br />
We introduceren daartoe de functie<br />
Differentiëren levert<br />
(∫ t<br />
ϕ : [α, β] → C : t ↦→ exp<br />
α<br />
ϕ ′ (t)<br />
ϕ(t) =<br />
γ′ (t)<br />
γ(t) − z<br />
γ ′ )<br />
(s)<br />
γ(s) − z ds<br />
voor alle t ∈ [α, β], eventueel op eindig veel t’s na. Op die uitzonderingen na geldt dus ook<br />
( ) ′ ϕ<br />
(t) = 0.<br />
γ − z<br />
De functie tussen de haakjes is continu, en haar afgeleide is bijna overal nul. Ze is dus<br />
constant:<br />
ϕ(t) = γ(t) − z<br />
γ(α) − z
In het bijzonder is<br />
- 10 -<br />
ϕ(β) = γ(β) − z<br />
γ(α) − z = γ(α) − z<br />
γ(α) − z = 1.<br />
Er rest ons nu nog te bewijzen dat Ind γ op de componenten van Ω constant is, en 0 op de<br />
onbegrensde component (de ”buitenkant” van de kromme γ).<br />
Een continue functie beeldt samenhangende verzamelingen af in samenhangende verzamelingen.<br />
Ind γ is in machtreeksen ontwikkelbaar (stelling 1.7) en dus continu. De componenten<br />
van C\γ[α, β] worden afgebeeld op samenhangende delen van Z, dit zijn singletons.<br />
Voor ”verre” punten uit het complexe vlak, zeg |z| > M ≡ sup{|γ(s)|; s ∈ [α, β]}, geldt<br />
|Ind γ (z)| ≤ 1 ∫ β<br />
2π<br />
≤ 1<br />
2π<br />
α<br />
∫ β<br />
α<br />
|γ ′ (s)|<br />
|z| − |γ(s)| ds<br />
|γ ′ 1<br />
(s)|ds<br />
|z| − M<br />
Voor |z| → ∞ geldt dus Ind γ (z) → 0. Omdat Ind γ constant is op de onbegrensde component,<br />
kan hij daar alleen nog maar nul zijn.<br />
1.11 Stelling. Zij γ de positief georiënteerde cirkel met middelpunt a en straal r. Dan is<br />
Ind γ (z) =<br />
{<br />
1 als |z − a| < r,<br />
0 als |z − a| > r.<br />
Bewijs. Zij γ(θ) = a+r exp(iθ) voor −π ≤ θ ≤ π en zij Ω = C\γ[−π, π]. De componenten<br />
van Ω zijn Ω 1 = {z ∈ C; |z − a| < r} en Ω 2 = {z ∈ C; |z − a| > r}. Vanwege vorige stelling<br />
geldt dat Ind γ (z) = 0 voor z ∈ Ω 2 . Voor z ∈ Ω 1 geldt Ind γ (a) = Ind γ (z). Deze index is<br />
dan gelijk aan<br />
Ind γ (a) = 1 ∫ π<br />
2πi −π<br />
1<br />
ir exp(iθ)dθ = 1.<br />
r exp(iθ)
Stelling van Cauchy<br />
- 11 -<br />
We gaan nu een van de belangrijkste stellingen uit de theorie van de holomorfe functies<br />
bewijzen.<br />
Stelling van Cauchy-Goursat. Zij Ω een open gebied in C. Zij γ een gesloten weg in<br />
Ω en zij f ∈ H(Ω). Veronderstel dat Ind γ (z) = 0 voor alle z ∈ C \ Ω. Dan geldt<br />
∫<br />
γ<br />
f(z)dz = 0.<br />
We beginnen met het bijzondere geval van de afgeleide van een holomorfe functie.<br />
1.12 Stelling. Zij f ∈ H(Ω) en f ′ continu in Ω. Dan geldt<br />
∫<br />
f ′ (z)dz = 0<br />
voor iedere gesloten weg γ in Ω.<br />
Bewijs. Zij [α, β] het parameter-interval van γ. Dan hebben we<br />
∫<br />
γ<br />
γ<br />
f ′ (z)dz =<br />
∫ β<br />
α<br />
f ′ (γ(t))γ ′ (t)dt<br />
= f(γ(β)) − f(γ(α))<br />
= f(γ(α)) − f(γ(α))<br />
= 0.<br />
Gevolg. Zij n een geheel getal verschillend van −1, en zij γ een gesloten weg (als n ≤ −2:<br />
die niet door de oorsprong gaat). Dan is ∫ γ zn dz = 0.<br />
Bewijs: z n is de afgeleide van z n+1 /(n + 1).<br />
1.13 Stelling van Cauchy voor de driehoek. Laat ∆ een gesloten driehoek zijn in een<br />
open deelverzameling Ω van C. Zij p ∈ Ω en zij f een continue complexwaardige functie<br />
op Ω die holomorf is in Ω \ {p}. Dan is<br />
∫<br />
f(z)dz = 0.<br />
∂∆<br />
Opmerking. Later zullen we zien dat f dan ook complex differentieerbaar is in p.<br />
Bewijs. Noem de hoekpunten van de driehoek a, b en c. We onderscheiden drie gevallen:<br />
p ligt buiten de driehoek, p is een hoekpunt, of p is een ander punt van de driehoek.<br />
Veronderstel eerst dat p /∈ ∆. Laat a 1 , b 1 en c 1 de middelpunten van respectievelijk<br />
de zijden [b, c], [c, a] en [a, b] zijn. Beschouw de vier driehoeken ∆ j verkregen door de<br />
geordende drietallen<br />
(a, c 1 , b 1 ), (c 1 , b, a 1 ), (a 1 , c, b 1 ), (a 1 , b 1 , c 1 ).
- 12 -<br />
Dan geldt<br />
∫<br />
J ≡<br />
∂∆<br />
f(z)dz =<br />
4∑<br />
∫<br />
j=1<br />
∂∆ j f(z)dz.<br />
Dus, minstens één van deze vier integralen heeft absolute waarde tenminste |J|/4. Noem<br />
deze driehoek ∆ 1 . Dan geldt dus<br />
∫<br />
|J| ≤ 4<br />
∣ f(z)dz<br />
∣<br />
∂∆ 1<br />
Door ∣ bovenstaand proces te herhalen voor ∆ 1 vinden we een driehoek ∆ 2 ⊂ ∆ 1 met |J| ≤<br />
4 2 ∣∣ ∣<br />
∫∂∆ 2<br />
f(z)dz∣. Op dezelfde manier doorgaand vinden we een rij driehoeken {∆ n ; n =<br />
1, 2, . . .} zodanig dat<br />
a. ∆ ⊃ ∆ 1 ⊃∣ ∆ 2 ⊃ · · ·<br />
b. |J| ≤ 4 n ∣∣ ∫∂∆ n<br />
f(z)dz∣<br />
Vanwege de compactheid van ∆ bestaat er een z 0 in de doorsnede van alle ∆ n . De functie<br />
f is complex differentieerbaar in z 0 . Dus voor gegeven ε > 0 bestaat er een δ > 0 zodanig<br />
dat voor |z − z 0 | < δ:<br />
|f(z) − f(z 0 ) − f ′ (z 0 )(z − z 0 )| ≤ ε L 2 |z − z 0|,<br />
waar L de omtrek van ∆ is. Wegens stelling 1.12 is de integraal van de constante f(z 0 ) en<br />
de lineaire functie f ′ (z 0 )(z − z 0 ) langs de omtrek van onze driehoekjes 0. We hebben dan<br />
∫<br />
∣ ∣∣∣ ∣ f(z)dz<br />
∣ = (f(z) − f(z 0 ) − f<br />
∂∆ n<br />
∫∂∆ ′ (z 0 )(z − z 0 )) dz<br />
∣<br />
n<br />
≤<br />
≤<br />
sup |f(z) − f(z 0 ) − f ′ (z 0 )(z − z 0 )| lengte(∂∆ n )<br />
z∈∂∆ n<br />
ε|z − z 0 |<br />
sup<br />
z∈∂∆ n<br />
L 2 2 −n L (voor n groot genoeg)<br />
≤ ε2−n L<br />
L 2 2 −n L = 4 −n ε<br />
Dus geldt<br />
|J| ≤ 4 n 4 −n ε = ε<br />
Aangezien ε > 0 willekeurig was volgt J = 0.<br />
Het tweede onderscheiden geval is dat waarin p een hoekpunt is van ∆, zeg (zonder beperking)<br />
p = a. Neem dan x ∈ [a, b] en y ∈ [a, c]. Laat ∆ ′ de driehoek zijn met hoekpunten a,<br />
x en y. Dan geldt<br />
∫<br />
f(z)dz =<br />
∂∆<br />
∫<br />
f(z)dz.<br />
∂∆ ′
- 13 -<br />
Door x naar a te laten gaan volgt, aangezien f begrensd is in een omgeving van a,<br />
∫<br />
∂∆ ′ f(z)dz → 0.<br />
Als tenslotte p een willekeurig punt is van ∆, beschouwen we de driehoeken ∆ 1 , ∆ 2 en ∆ 3<br />
verkregen door de geordende drietallen<br />
(a, b, p), (b, c, p), (c, a, p).<br />
Daarmee belanden we terug in het tweede geval wegens<br />
∫<br />
∂∆<br />
f(z)dz =<br />
3∑<br />
∫<br />
j=1<br />
∆ j f(z)dz = 0.
- 14 -<br />
1.14 Stelling van Cauchy voor een convex domein.<br />
Zij Ω een convex open deel van C, p ∈ Ω, f continu in Ω en f ∈ H(Ω \ {p}). Dan geldt<br />
voor iedere gesloten weg γ in Ω.<br />
Bewijs. Definieer de functie F : Ω → C door<br />
∫<br />
γ<br />
∫<br />
F (z) =<br />
f(z)dz = 0<br />
[a,z]<br />
f(ζ)dζ,<br />
waar a een willekeurig maar vast punt in Ω is. De convexiteit van Ω garandeert juist dat<br />
het interval [a, z] steeds binnen Ω ligt. Zij z 0 ∈ Ω; we zullen bewijzen dat F ′ (z 0 ) = f(z 0 ).<br />
De stelling volgt dan uit het eerder bewezen bijzondere geval 1.12.<br />
Wegens 1.13 geldt voor z ∈ Ω<br />
Het differentiequotiënt is dan<br />
Omdat f continu is volgt<br />
∫<br />
F (z) − F (z 0 ) =<br />
[z 0 ,z]<br />
f(ζ)dζ.<br />
F (z) − F (z 0 )<br />
= f(z 0 ) + 1 (f(ζ) − f(z 0 ))dζ.<br />
z − z 0 z − z 0<br />
∫[z 0 ,z]<br />
Dus F ′ (z 0 ) bestaat en is gelijk aan f(z 0 ).<br />
1<br />
lim<br />
(f(ζ) − f(z 0 ))dζ = 0.<br />
z→z 0 z − z 0<br />
∫[z 0 ,z]<br />
Wegens stelling 1.12 geldt dan voor iedere gesloten weg γ in Ω<br />
∫<br />
γ<br />
f(z)dz = 0
- 15 -<br />
1.15 De integraalformule van Cauchy luidt als volgt. Zij γ : [α, β] → C een gesloten<br />
weg in de open verzameling Ω. Veronderstel dat Ind γ (z) = 0 voor iedere z in C \ Ω. Als<br />
z ∈ Ω \ γ[α, β], dan geldt<br />
f(z)Ind γ (z) = 1 ∫<br />
2πi γ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ.<br />
We bewijzen deze bewering voor een convexe open deelverzameling Ω. Zij γ een gesloten<br />
weg in Ω. Volgens de definitie van Ind γ geldt, voor z /∈ γ[α, β],<br />
∫<br />
1<br />
2πi γ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ − f(z)Ind γ(z) = 1 ∫<br />
2πi<br />
∫<br />
= 1<br />
2πi<br />
Beschouw nu de functie g : Ω → C, gedefinieerd door<br />
g(ζ) =<br />
γ<br />
γ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ − 1 ∫<br />
2πi γ<br />
f(ζ) − f(z)<br />
dζ<br />
ζ − z<br />
{ f(ζ)−f(z)<br />
ζ−z<br />
als ζ ≠ z,<br />
f ′ (z) als ζ = z.<br />
f(z)<br />
ζ − z dζ<br />
Dan is g continu op Ω en holomorf in Ω\{z}. Wegens stelling 1.14 is dan de kringintegraal<br />
van g langs γ nul. Waarmee de formule is bewezen.
- 16 -<br />
1.16 Stelling. Zij Ω een open deel van C. Iedere functie f in H(Ω) is representeerbaar<br />
door machtreeksen. De convergentiestraal van de machtreeks in een punt a ∈ Ω is minstens<br />
de afstand van a tot het complement van Ω.<br />
Bewijs. Zij a ∈ Ω en zij d de afstand van a tot het complement van Ω. Kies het reële<br />
getal r zodanig dat 0 < r < d. Zij γ r de positief georiënteerde cirkel met straal r en<br />
middelpunt a. Voor |z − a| < r geldt, volgens 1.15,<br />
f(z) = 1 ∫<br />
2πi<br />
= r<br />
2π<br />
γ r<br />
∫ π<br />
−π<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
f(a + r exp(it)) exp(it)<br />
dt.<br />
r exp(it) + a − z<br />
Pas nu 1.7 toe met<br />
ϕ(t) = f(a + r exp(it)) exp(it)<br />
ψ(t) = a + r exp(it).<br />
Dan geldt dus, nog steeds voor |z − a| < r,<br />
met<br />
f(z) =<br />
∞∑<br />
c n (z − a) n ,<br />
n=0<br />
c n = 1 ∫<br />
2πi γ r<br />
f(ζ)<br />
dζ.<br />
(ζ − a)<br />
n+1<br />
Volgens de theorie der machtreeksen zijn deze coëfficiënten éénduidig bepaald door f:<br />
c n = f (n) (a)/n!. In het bijzonder hangt c n niet af van de gekozen r < d, dus convergeert<br />
de reeks evengoed voor alle z ∈ C met |z − a| < d. Hiermee is de stelling dan bewezen.<br />
Een gevolg van deze stelling is, dat met f ook f ′ en alle volgende afgeleiden tot H(Ω)<br />
behoren: éénmaal complex differentieerbaar in Ω impliceert onbeperkt differentieerbaar.<br />
1.17 Stelling van Morera. Zij f een continue complex-waardige functie op een open<br />
deel Ω van C, met de eigenschap dat voor iedere gesloten driehoek ∆ in Ω:<br />
Dan is f holomorf in Ω.<br />
∫<br />
∂∆<br />
f(z)dz = 0.<br />
Bewijs. Zij V een convex open deel van Ω. Precies zoals in het bewijs van stelling 1.14<br />
kunnen we een stamfunctie F van f construeren in H(V ). Wegens het voorgaande is dan<br />
ook f = F ′ ∈ H(V ). De willekeur van V bewijst dat f holomorf is in heel Ω.<br />
Holomorfe functies zijn lokaal te schrijven als machtreeksen. Dit heeft een aantal interessante<br />
consequenties. We beginnen met een stelling over de ligging en de aard van de<br />
nulpunten van een analytische functie.
- 17 -<br />
1.18 Stelling. Laat Ω een samenhangend deel van C zijn en f ∈ H(Ω), f niet de<br />
nulfunctie. Zij Z(f) de nulpuntenverzameling van f:<br />
Dan gelden de volgende uitspraken.<br />
Z(f) = {a ∈ Ω; f(a) = 0}<br />
i. Voor iedere a in Z(f) bestaat een open omgeving U van a zodanig dat U ∩Z(f) = {a}.<br />
ii. Bij iedere a in Z(f) bestaat een positief geheel getal m en een complexe functie<br />
g ∈ H(Ω) waarvoor g(a) ≠ 0 en<br />
f(z) = (z − a) m g(z),<br />
z ∈ Ω<br />
iii. Z(f) is aftelbaar.<br />
Bewijs. We definiëren de volgende twee deelverzamelingen van Ω:<br />
V =<br />
W =<br />
⋃<br />
U open,U⊂Ω<br />
⋂<br />
U open,U⊂Ω<br />
{a ∈ Ω; U ∩ Z(f) ⊂ {a} ⊂ U} ,<br />
{a ∈ Ω; U ∩ Z(f) ⊄ {a} of a /∈ U}<br />
Uit de gewone verzamelingenleer volgt dat V en W disjunct zijn, en dat hun unie heel Ω<br />
is. We zullen ook nog bewijzen dat ze beide open zijn, en dat V niet leeg is. Op grond<br />
van de samenhang moet dan W leeg zijn, en (i) volgt. We bewijzen eerst dat V open is.<br />
Voor a ∈ V bestaat er een open verzameling U met U ∩ Z(f) ⊂ {a} ⊂ U. Deze U is bevat<br />
in V : neem namelijk een andere b ∈ U, dan voldoet deze aan de voorwaarde om in V te<br />
zitten via de omgeving U \ {a}.<br />
We bewijzen vervolgens dat W open is. Zij a in W . Dan bestaat er een rij (a n ) n in Ω<br />
met a n ≠ a, f(a n ) = 0 en lim n a n = a (verifieer !). Omdat f analytisch is, kan f in een<br />
omgeving van a ontwikkeld worden in een machtreeks, zeg ∑ n c n(z − a) n .<br />
Nu is f(a m ) = 0 voor iedere m ∈ N. Dus c 0 = lim m f(a m ) = 0. Beschouw nu in een<br />
omgeving van a de functie<br />
∞∑<br />
f 1 : z ↦→ c n (z − a) n−1 .<br />
Dan geldt<br />
n=1<br />
f 1 (a m ) = f(a m)<br />
a m − a = 0.<br />
Omdat f 1 continu is in a, geldt c 1 = lim m f 1 (a m ) = 0. We kunnen op deze manier doorgaan<br />
en vinden (bv. per inductie) dat alle c n nul zijn. Dan is f(b) = 0 voor iedere b in een open<br />
omgeving U a van a, en een dergelijke U a ligt uiteraard volledig in W .<br />
Tot slot bewijzen we nog dat V niet leeg is: voor zekere a 0 ∈ Ω is f(a 0 ) ≠ 0, en door<br />
continuïteit is er een hele omgeving van die a 0 waar f verschilt van 0. Dus a 0 ∈ V .
- 18 -<br />
We bewijzen nu bewering (ii). Wegens (i) bestaat er voor ieder nulpunt a van f een<br />
omgeving U waarin a het enige nulpunt is. Bovendien kunnen we die U zo klein kiezen<br />
dat voor alle z ∈ U:<br />
∞∑<br />
f(z) = c n (z − a) n<br />
n=0<br />
en niet alle c n zijn 0. Zij c m de eerste coëfficiënt in de machtreeks die verschilt van 0. Dan<br />
is m ≥ 1 (want a is een nulpunt van f), en bovendien<br />
Definieer de functie g op Ω door<br />
f(z) = (z − a) m<br />
g(z) =<br />
∞ ∑<br />
n=m<br />
c n (z − a) n−m<br />
{ f(z)<br />
(z−a) m , als z ≠ a,<br />
c m als z = a.<br />
Dan is g holomorf in Ω \ {a}, en in een omgeving van a geldt:<br />
g(z) =<br />
∞∑<br />
c n (z − a) n−m<br />
n=m<br />
zodat g ook in het punt a zelf complex differentieerbaar is. Met andere woorden, g ∈ H(Ω).<br />
Bovendien is g(a) = c m ≠ 0. Hiermee is (ii) bewezen.<br />
Het bewijs van (iii) is eerder topologisch van aard. Ω is te schrijven als een aftelbare<br />
unie van compacte deelverzamelingen. Anderzijds bevat zo’n compacte deelverzameling<br />
hoogstens eindig veel nulpunten van f, want er mogen wegens (i) geen limietpunten zijn.<br />
Z(f) is dus aftelbaar.<br />
Gevolg. De nulpuntenverzameling van een niet-triviale holomorfe functie heeft geen<br />
verdichtingspunten in het definitiegebied van die functie. Of ook nog: als f en g twee<br />
holomorfe functies zijn op Ω, en de deelverzameling waar f(z) = g(z) heeft een verdichtingspunt<br />
in Ω, dan is f = g op heel Ω.<br />
(Een verdichtingspunt of limietpunt a van een deel D van een topologische ruimte is een<br />
limiet van een rij punten in D die allemaal verschillen van a. De limietpunten zijn de<br />
elementen van de topologische sluiting die geen geïsoleerde punten zijn.)<br />
Benaming. Het getal m waarvan sprake is in stelling 1.18 is duidelijk volledig bepaalt<br />
door f en a: het heet de orde of multipliciteit van het nulpunt a.<br />
1.19 Stelling. Veronderstel dat voor |z − a| < R geldt<br />
Dan geldt voor 0 < r < R,<br />
∞∑<br />
n=0<br />
f(z) =<br />
|c n | 2 r 2n = 1<br />
2π<br />
∞∑<br />
c n (z − a) n .<br />
n=0<br />
∫ +π<br />
−π<br />
|f(a + r exp(iθ))| 2 dθ.
- 19 -<br />
Bewijs. Zij |z − a| = r en schrijf z = a + r exp(iθ). Dan geldt<br />
f(a + r exp(iθ))f(a + r exp(iθ)) =<br />
∫<br />
1 +π<br />
|f(a + r exp(iθ))| 2 dθ =<br />
2π −π<br />
=<br />
=<br />
∞∑<br />
m=0 n=0<br />
∞∑<br />
m=0 n=0<br />
∞∑<br />
c n c m r n+m exp(i(n − m)θ)<br />
∞∑<br />
∞∑<br />
c n c n r 2n<br />
n=0<br />
∞∑<br />
|c n | 2 r 2n<br />
n=0<br />
(waarom mag men sommatie en integratie verwisselen ?)<br />
c n c m r n+m 1 ∫ +π<br />
exp(i(n − m)θ)dθ<br />
2π =π<br />
1.20 Stelling. (Liouville) Iedere begrensde gehele functie is constant.<br />
(Een functie heet geheel als ze overal op C holomorf is.)<br />
Bewijs. Zij f geheel. Dan bestaan er complexe getallen c 0 , c 1 , . . . zodanig dat voor iedere<br />
z in C geldt<br />
∞∑<br />
f(z) = c n z n .<br />
Vanwege stelling 1.19 geldt voor iedere r > 0,<br />
∞∑<br />
n=0<br />
Dus voor iedere n ∈ N en iedere r > 0 geldt<br />
n=0<br />
|c n | 2 r 2n = 1 ∫ +π<br />
|f(a + r exp(iθ))| 2 dθ ≤ M 2<br />
2π −π<br />
|c n |r n ≤ M.<br />
Voor alle n ≥ 1 moet dan c n nul zijn, dus de functie is gelijk aan de constante term in<br />
haar reeksontwikkeling.<br />
1.21 Stelling. (Maximum modulusstelling). Laat Ω een samenhangende open deelverzameling<br />
van C zijn, f ∈ H(Ω) en a ∈ Ω. Dan is ofwel f constant op Ω, ofwel bevat iedere<br />
omgeving van a een punt b met |f(a)| < |f(b)|.<br />
Met andere woorden: f is lokaal constant óf heeft geen lokaal maximum.<br />
Bewijs. Veronderstel dat er R > 0 bestaat waarvoor B(a, R) in Ω bevat is, en waarvoor<br />
geldt |f(z)| ≤ |f(a)| als |z − a| < R. Volgens stelling 1.19 geldt dan voor iedere r met<br />
0 < r < R:<br />
∞∑<br />
|c n | 2 r 2n ≤ |f(a)| 2 = |c 0 | 2<br />
n=0
- 20 -<br />
waar (c n ) n de coëfficiënten uit de reeksontwikkeling van f in a zijn. Hieruit volgt dat f<br />
constant is op B(a, R) en dus, wegens het gevolg van stelling 1.18, dat f constant is op<br />
heel Ω.<br />
Nog een toepassing van stelling 1.19 levert dan de zogenaamde Cauchyschattingen.<br />
1.22 Stelling. Zij<br />
Ω = {z ∈ C; |z − a| < R}<br />
en zij f holomorf in Ω. Veronderstel dat voor iedere z ∈ Ω geldt: |f(z)| ≤ M. Dan is<br />
|f (n) (a)| ≤ n!M<br />
R n<br />
Bewijs. Zij (c n ) n de rij coëfficiënten van de machtreeks van f in a. Wegens stelling 1.19<br />
is, voor 0 < r < R,<br />
∞∑<br />
n=0<br />
|c n | 2 r 2n = 1 ∫ +π<br />
|f(a + r exp(iθ))| 2 dθ.<br />
2π −π<br />
Dus geldt |c n |r n ≤ M. Maar we wisten ook al dat c n = f (n) (a)/n!, en dus is<br />
|f (n) (a)| ≤ n!M<br />
r n .<br />
Door r naar R te laten stijgen volgt het gestelde.
- 21 -<br />
We geven nu het bewijs van de (globale) stelling van Cauchy. Een cykel is een formele<br />
lineaire combinatie van gesloten wegen met gehele coëfficiënten. De lijnintegraal langs een<br />
cykel is gewoon de lineaire combinatie van de afzonderlijke lijnintegralen.<br />
Stelling van Cauchy. Laat Ω een willekeurig open deel zijn van C, en f een holomorfe<br />
functie op Ω.<br />
i. Zij Γ een cykel in Ω met de eigenschap dat Ind Γ (a) = 0 voor a ∈ C \ Ω. Voor alle<br />
z ∈ Ω \ Ran Γ geldt dan de gelijkheid<br />
f(z)Ind Γ (z) = 1<br />
2πi<br />
∫<br />
Γ<br />
f(z)<br />
ζ − z dζ<br />
ii. Zij Γ als in (i); dan is de kringintegraal van f langs Γ nul.<br />
iii. Als Γ 0 en Γ 1 gesloten wegen zijn in Ω met gelijk windingsgetal rond ieder punt van<br />
het complement van Ω, dan zijn de lijnintegralen van f langs Γ 0 respectievelijk langs<br />
Γ 1 , gelijk.<br />
Bewijs. Definieer de functie g : Ω × Ω → C door<br />
{ f(ζ)−f(z)<br />
g(z, ζ) = ζ−z<br />
ζ ≠ z,<br />
f ′ (z) ζ = z.<br />
Omdat g continu is, kunnen we<br />
h : Ω → C : z ↦→ 1<br />
2πi<br />
∫<br />
Γ<br />
g(z, ζ)dζ<br />
definiëren. Aangezien g uniform continu is op compacte delen van Ω × Ω, is ook h continu<br />
in Ω.<br />
Als ∆ een driehoek is in Ω met rand ∂∆, dan geldt, gebruikmakend van de stelling van<br />
Fubini, ∫<br />
h(z)dz = 1 ∫ (∫<br />
)<br />
g(z, ζ)dz dζ = 1 ∫<br />
0 dw = 0,<br />
∂∆ 2πi Γ ∂∆<br />
2πi Γ<br />
want voor vaste ζ ∈ Ω is z ↦→ g(z, ζ) holomorf op Ω. Een toepassing van de stelling van<br />
Morera (stelling 1.17) levert dat h tot H(Ω) behoort.<br />
Definieer Ω 1 in C door<br />
Ω 1 = {z ∈ C \ Ran Γ; Ind Γ (z) = 0}<br />
en h 1 ∈ H(Ω 1 ) door<br />
Voor z in Ω 1 ∩ Ω geldt dan<br />
h(z) = 1 ∫<br />
2πi<br />
= 1 ∫<br />
2πi<br />
h 1 (z) = 1 ∫<br />
2πi Γ<br />
Γ<br />
Γ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ.<br />
f(ζ) − f(z)<br />
dζ<br />
ζ − z<br />
∫<br />
f(ζ)<br />
1<br />
dζ − f(z)<br />
ζ − z 2πi<br />
= h 1 (z) − f(z)Ind Γ (z)<br />
= h 1 (z).<br />
Γ<br />
dζ<br />
ζ − z
- 22 -<br />
Dus de functie ϕ : Ω 1 ∪ Ω → C gedefinieerd door<br />
{<br />
h(z) z ∈ Ω,<br />
ϕ(z) =<br />
h 1 (z) z ∈ Ω 1 ,<br />
is een welgedefinieerde holomorfe functie op Ω 1 ∪ Ω. Voor a ∈ C \ Ω is Ind Γ (a) = 0, dus<br />
Ω 1 ∪ Ω is eigenlijk de hele verzameling C. Anderzijds is<br />
lim ϕ(z) = lim h 1(z) = 0,<br />
|z|→∞ |z|→∞<br />
dus ϕ is begrensd. Uit de stelling van Liouville (stelling 1.20) volgt dan dat ϕ constant is,<br />
en wegens bovenstaande limietovergang zelfs constant nul. We concluderen dat de functie<br />
h nul is op Ω. Voor z ∈ Ω \ Ran Γ geldt dus<br />
waaruit volgt<br />
0 = 1<br />
2πi<br />
en (i) is bewezen.<br />
∫<br />
Γ<br />
f(ζ) − f(z)<br />
dζ = 1<br />
ζ − z 2πi<br />
∫<br />
Γ<br />
f(z)Ind Γ (z) = 1 ∫<br />
2πi Γ<br />
∫<br />
f(ζ)<br />
1<br />
dζ − f(z)<br />
ζ − z 2πi Γ<br />
f(z)<br />
ζ − z dζ<br />
dζ<br />
ζ − z<br />
Voor het bewijs van (ii) nemen we a ∈ Ω \ Ran Γ en schrijven F (z) = (z − a)f(z). Dan<br />
geldt met (i)<br />
∫<br />
1<br />
f(z)dz = 1 ∫<br />
F (z)<br />
2πi Γ 2πi Γ z − a dz = F (a)Ind Γ(a) = 0.<br />
Gedeelte (iii) is de toepassing van (ii) op de lineaire combinatie −Γ 0 + Γ 1 .<br />
1.23 Definitie. We zeggen dat een rij functies {f n ; n ∈ N} op Ω uniform convergeert op<br />
compacte delen van Ω naar een limietfunctie f als er voor ieder compact deel K ⊂ Ω en<br />
iedere ε > 0 er een N ∈ N bestaat met<br />
∀z ∈ K, ∀n ≥ N : |f n (z) − f(z)| < ε.<br />
Zij Ω een open deel van C en {K n ; n ∈ N} een rij compacte deelverzamelingen van C met<br />
de eigenschap dat:<br />
i. ∪ ∞ n=1K n = Ω,<br />
ii. K n ⊂ int(K n+1 ), n ∈ N.<br />
Voor n ∈ N definiëren we de halfnorm p n op H(Ω) door<br />
p n (f) = sup<br />
z∈K n<br />
|f(z)|.<br />
Een standaardtruuk (zie bv. cursus functionaalanalyse, tweede semester) bestaat er dan<br />
in, deze halfnormen te verenigen tot een metriek<br />
d : H(Ω) × H(Ω) : (f, g) ↦→<br />
∞∑<br />
n=0<br />
2 −n p n (f − g)<br />
1 + p n (f − g) .
- 23 -<br />
Het is niet zo moeilijk na te gaan dat deze dingen wel degelijk halfnormen resp. een metriek<br />
zijn. Verder is een rij functies convergent in de topologie van (H(Ω), d) als en slechts als<br />
ze uniform convergeert op compacte delen van Ω.<br />
We laten nu zien dat de limietfunctie noodzakelijk holomorf is. Anders gezegd: iedere<br />
Cauchyrij in (H(Ω), d) heeft een limiet in H(Ω). Anders gezegd: (H(Ω), d) is een volledige<br />
metrische ruimte.<br />
1.24 Stelling. Zij {f n ; n ∈ N} een rij functies in H(Ω) met de eigenschap dat voor iedere<br />
a ∈ Ω een omgeving Ω a van a in Ω bestaat waarvoor<br />
lim sup |f n (z) − f m (z)| = 0.<br />
n,m→∞ z∈Ω a<br />
Dan bestaat er een f ∈ H(Ω) zodat lim n→∞ d(f n , f) = 0 (en dus zodanig dat voor ieder<br />
compact deel K van Ω:<br />
lim sup |f n (z) − f(z)| = 0.)<br />
n→∞ z∈K<br />
Bewijs. Voor iedere z ∈ Ω afzonderlijk is {f n (z); n ∈ N} een Cauchyrij in C en heeft dus<br />
een limiet; noem deze f(z), en we zullen dan bewijzen dat de aldus bekomen f holomorf<br />
is. Om te beginnen is de convergentie al uniform op de omgevinkjes Ω a :<br />
lim sup |f n (z) − f(z)| = 0.<br />
n→∞ z∈Ω a<br />
Maak voor elke a ∈ Ω een klein positief georiënteerd cirkeltje γ a met middelpunt a dat<br />
volledig binnen Ω a blijft. Dan geldt volgens de integraalformule van Cauchy<br />
Ind γa (z)f n (z) = 1 ∫<br />
2πi γ a<br />
f n (z)<br />
ζ − z dζ<br />
voor iedere n ∈ N en z ∈ Ω \ γ[−π, π]. Als z in het inwendige van γ a ligt, dan is<br />
f(z) = lim f n(z)<br />
n→∞<br />
∫<br />
1<br />
= lim<br />
n→∞ 2πi<br />
= 1 ∫<br />
2πi<br />
γ a<br />
γ a<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
f n (ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
zodat f zelf holomorf is. Iedere compacte K kan overdekt worden door eindig veel Ω a ’s;<br />
aangezien er uniforme convergentie op de Ω a ’s plaats vindt, hebben we ook uniforme<br />
convergentie op K. Vanwege de opmerking hierboven is dan ook lim n→∞ d(f n , f) = 0.<br />
Uit het voorgaande volgt dat voor f n<br />
(k) , dus de k-de afgeleide van de n-de functie in de rij,<br />
geldt<br />
f (k)<br />
n (z) = 1 k!<br />
∫<br />
1<br />
2πi γ a<br />
f n (ζ)<br />
dζ,<br />
(ζ − z)<br />
k+1
- 24 -<br />
als z binnen de cirkel γ a ligt. Door opnieuw uniforme convergentie te gebruiken vinden we<br />
lim f n (k) (z) = 1 ∫<br />
1<br />
n→∞ k! 2πi<br />
= 1 k!<br />
1<br />
2πi<br />
∫<br />
= f (k) (z).<br />
γ a<br />
γ a<br />
lim n→∞ f n (ζ)<br />
(ζ − z) k+1 dζ<br />
f(ζ)<br />
dζ<br />
(ζ − z)<br />
k+1<br />
Men kan weer bewijzen dan de rij van k-de afgeleiden uniform convergeert op compacte<br />
delen van Ω naar de k-de afgeleide van f.
- 25 -<br />
Laurentreeksen en geïsoleerde singulariteiten.<br />
Laat {a n ; n ∈ Z} een rij complexe getallen zijn. Een formele uitdrukking van de vorm<br />
∑ ∞<br />
n=−∞ a n(z − a) n , a ∈ C, zal een Laurentreeks genoemd worden. Veronderstel dat er<br />
getallen R 1 en R 2 bestaan met 0 ≤ R 1 < R 2 ≤ ∞ zodanig dat de dubbelrij<br />
M∑<br />
n=−N<br />
a n (z − a) n<br />
uniform convergeert op compacte deelverzamelingen van het ringvormige gebied B, gedefinieerd<br />
door<br />
B = {z ∈ C; R 1 < |z − a| < R 2 }<br />
Wegens stelling 1.24 is de functie f : B → C, gedefinieerd door<br />
f(z) =<br />
lim<br />
M∑<br />
M,N→∞<br />
n=−N<br />
a n (z − a) n<br />
holomorf in B. Door weer gebruik te maken van uniforme convergentie op compacte<br />
deelverzamelingen, rekent men na dat voor R 1 < r < R 2 en n ∈ Z geldt<br />
a n = 1 ∫<br />
f(ζ)<br />
dζ<br />
2πi (ζ − a)<br />
n+1<br />
γ r<br />
waar γ r de positief georiënteerde cirkel is met straal r en middelpunt a. Merk op dat deze<br />
integraal niet van de keuze van r afhangt.<br />
Zij nu z ∈ B, N ∈ N en |z − a| < r 2 < R 2 . Dan geldt<br />
N∑<br />
n=0<br />
a n (z − a) n = 1 ∫<br />
f(ζ)<br />
2πi γ r2<br />
N∑<br />
n=0<br />
Hieraan ziet men dat ∑ ∞<br />
n=0 a n(z − a) n convergeert, en dat<br />
∞∑<br />
n=0<br />
a n (z − a) n = 1 ∫<br />
2πi γ r2<br />
(z − a) n<br />
dζ.<br />
(ζ − a)<br />
n+1<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ.<br />
Op dezelfde manier geldt voor R 1 < r 1 < |z − a| de gelijkheid<br />
∞∑<br />
n=1<br />
Dus geldt voor z ∈ B de gelijkheid<br />
f(z) = 1 ∫<br />
2πi<br />
a −n (z − a) −n = − 1 ∫<br />
2πi γ r1<br />
γ r2<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ − 1 ∫<br />
2πi γ r1<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ.<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ.
- 26 -<br />
In de volgende stelling zien we dat een functie die holomorf is op een ringvormig gebied,<br />
een Laurentreeks-ontwikkeling toelaat.<br />
1.25 Stelling. Zij 0 ≤ R 1 < R 2 , a ∈ C en zij f ∈ H(B), waar<br />
B = {z ∈ C; R 1 < |z − a| < R 2 } .<br />
Dan bestaat er een unieke rij complexe getallen {a n ; n ∈ Z} zodanig dat voor alle z in B:<br />
f(z) =<br />
∞∑<br />
a n (z − a) n +<br />
n=0<br />
Bewijs. Definieer voor n ∈ Z het getal a n door<br />
a n = 1 ∫<br />
2πi γ r<br />
∞∑<br />
a −n (z − a) −n .<br />
n=1<br />
f(ζ)<br />
dζ,<br />
(ζ − a)<br />
n+1<br />
waar R 1 < r < R 2 en γ r de positief georiënteerde cirkel met straal r en middelpunt a.<br />
Zoals hoger hangt a n niet af van r zolang maar R 1 < r < R 2 . Bovendien geldt voor z ∈ B<br />
dat zowel de reeks ∑ ∞<br />
n=0 a n(z − a) n als de reeks ∑ ∞<br />
n=1 a −n(z − a) −n convergeert. Ook<br />
hebben we de gelijkheden<br />
∞∑<br />
n=1<br />
∞∑<br />
n=0<br />
a n (z − a) n = 1 ∫<br />
2πi γ r2<br />
∫<br />
a −n (z − a) −n = − 1<br />
2πi<br />
γ r1<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
waarbij R 1 < r 1 < |z −a| < r 2 < R 2 . Door δ > 0 geschikt te kiezen, vinden we met behulp<br />
van de algemene stelling van Cauchy dat voor z ∈ B geldt:<br />
∫<br />
1<br />
2πi |ζ−z|=δ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ = 1 ∫<br />
2πi γ r2<br />
Het linkerlid is echter gelijk aan f(z).<br />
Opmerking. In bovenstaand bewijs is de functie<br />
z ↦→ − 1 ∫<br />
2πi γ r1<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ − 1 ∫<br />
2πi γ r1<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ<br />
holomorf op de open verzameling {z ∈ C; |z − a| > r 1 } voor iedere r 1 > R. Met andere<br />
woorden: als f holomorf is op het ringvormige gebied {z ∈ C; R 1 < |z − a| < R 2 }, dan<br />
definieert<br />
z ↦→ 1 ∫<br />
2πi lim<br />
r 1 ↓R 1 γ r1<br />
f(ζ)<br />
ζ − z dζ
- 27 -<br />
een holomorfe functie op {z ∈ C; |z − a| > R 1 }. In het bijzonder geldt voor R 1 = 0, dat<br />
de functie<br />
∫<br />
1 f(ζ)<br />
f a : C \ {a} : z ↦→ lim<br />
r↓0 2πi γ r<br />
ζ − z dζ<br />
holomorf is. Bovendien is f − f a begrensd in een omgeving van a. De functie f a wordt<br />
het hoofddeel van f in a genoemd. Merk op dat voor z ≠ a de functie f a kan geschreven<br />
worden als<br />
∞∑<br />
f a (z) = a −n (z − a) −n ,<br />
n=1<br />
voor zekere complexe getallen {a −n ; n ∈ N}. Als nu γ een gesloten kromme is in C \ {a},<br />
dan geldt<br />
∫<br />
1<br />
f a (z)dz = a −1 Ind γ (a).<br />
2πi γ<br />
Het getal a −1 wordt het residu van f in a genoemd. We noteren dit als Res(f; a).<br />
1.26 Definitie. Zij Ω ⊂ C open, a ∈ Ω. Zij f holomorf op Ω \ {a}. Als er een holomorfe<br />
functie f 0 bestaat op heel Ω die buiten a samenvalt met f, dan heet a een ophefbare<br />
singulariteit van f. Als het hoofddeel van f in a de vorm<br />
m∑<br />
a −n (z − a) −n<br />
n=1<br />
heeft, met a −m ≠ 0, dan is de singulariteit a een pool van orde m voor f. In de andere<br />
gevallen heet a een essentiële singulariteit voor f. In dit verband vermelden we de volgende<br />
stelling.<br />
1.27 Stelling. Zij Ω ⊂ C open, a ∈ Ω en f ∈ H(Ω \ {a}).<br />
1.<br />
a ophefbaar ⇐⇒ lim<br />
z→a<br />
(z − a)f(z) = 0 ⇐⇒ f begrensd in een omgeving van a.<br />
2. a is een essentiële singulariteit als en slechts als voor iedere omgeving U van a in C,<br />
de verzameling f(U \ {a}) dicht ligt in C.<br />
Bewijs. Voor het eerste deel merken we op dat ophefbaar ⇒ begrensd en begrensd ⇒ lim =<br />
0 triviaal zijn. Het volstaat dus aan te tonen dat a ophefbaar is als lim z→a (z − a)f(z) = 0.<br />
Schrijf daartoe het hoofddeel van f in a als ∑ ∞<br />
n=1 a −n(z − a) −n ; we laten zien dat a −n = 0<br />
voor n = 1, 2, 3, . . .<br />
Uit het voorgaande volgt dat a −n te schrijven is als<br />
a −n = 1 ∫<br />
2πi γ δ<br />
f(ζ)<br />
(ζ − a)<br />
−n+1<br />
dζ =<br />
1<br />
2πi<br />
∫<br />
γ δ<br />
f(ζ)(ζ − a) n−1 dζ
- 28 -<br />
waar γ δ een positief georiënteerde cirkel in Ω is met middelpunt a en straal δ. Dus volgt<br />
a n = −1<br />
2π<br />
∫ π<br />
−π<br />
f(a + δe iθ )δe iθ (δe iθ ) n−1 dθ<br />
|a −n | ≤ δ n−1 sup |(z − a)f(z)|<br />
|z−a|=δ<br />
≤<br />
sup |(z − a)f(z)| (als δ ≤ 1 en n ≥ 1)<br />
|z−a|=δ<br />
Doordat δ willekeurig klein mag gekozen worden, is a −n = 0 voor alle n ≥ 1.<br />
Voor het tweede deel veronderstellen we eerst dat a géén essentiële singulariteit is. Dan is<br />
de Laurentreeks langs onderen eindig, dus er bestaat een m ∈ Z met<br />
lim (z −<br />
z→a a)m f(z) = γ ≠ 0.<br />
Als a een pool is, is m de orde van de pool. Als a ophefbaar is, dan is m de orde van a<br />
als nulpunt van f (eventueel m = 0 als a helemaal geen nulpunt is). Als m ≥ 0, dan geldt<br />
voor zekere δ > 0 dat<br />
δ m |f(z)| ≥ γ/2 (0 < |z − a| < δ)<br />
en dan is f(z) dus ver verwijderd van 0 voor |z − a| klein; i.h.b. is f(B(a, δ)) niet dicht in<br />
C.<br />
Als m < 0, dan geldt voor zekere δ > 0 dat<br />
δ −|m| |f(z)| ≤ 3γ/2 (0 < |z − a| < δ)<br />
en opnieuw is het beeld onder f van een kleine omgeving van a niet dicht in C.<br />
Omgekeerd, stel dat er een δ > 0 bestaat zodat de schijf<br />
D ≡ {z ∈ C; |z − a| < δ}<br />
bevat is in Ω en dat<br />
ε ≡ inf{|f(z) − w|; z ∈ D, z ≠ a}<br />
strikt positief is voor zekere w ∈ C. Dus is de functie<br />
g : D \ {a} → C : z ↦→<br />
1<br />
f(z) − w<br />
begrensd op D \ {a}: ze kan m.a.w. worden voortgezet tot een analytische functie op<br />
D. Volgens stelling 1.18, onderdeel (ii) bestaat er een functie h ∈ H(D) en een getal<br />
(”multipliciteit”) m ∈ N 0 waarvoor<br />
g(z) = (z − a) m h(z), z ∈ D \ {a}, h(a) ≠ 0.
- 29 -<br />
Omdat g nergens verdwijnt op D \ {a} geldt hetzelfde voor h, en dus is 1/h holomorf op<br />
D. Laat dan<br />
1<br />
∞<br />
h(z) = ∑<br />
c n (z − a) n , z ∈ D.<br />
Dan geldt voor alle z ∈ D \ {a}:<br />
n=0<br />
f(z) = w +<br />
1 ∑<br />
∞<br />
(z − a) m c n (z − a) n ,<br />
n=0<br />
en dus heeft f hooguit een pool van orde m in a.<br />
In verband met het voorgaande vermelden we de<br />
1.28 Residuen-stelling. Zij Ω een open deel van C en laat a 1 , . . . , a n tot Ω behoren.<br />
Veronderstel dat f holomorf is op Ω\{a 1 , . . . , a n }. Zij γ een gesloten weg is Ω\{a 1 , . . . , a n }<br />
met Ind γ (z) = 0 voor alle z ∈ C \ Ω. Dan geldt<br />
∫<br />
1<br />
f(z)dz =<br />
2πi γ<br />
n∑<br />
Res(f; a j )Ind γ (a j ).<br />
j=1<br />
Bewijs. Laat f a1 ,. . . , f an<br />
de hoofddelen van f in resp. a 1 , . . . , a n zijn. De functie<br />
g ≡ f − (f a1 + . . . + f an )<br />
op Ω \ {a 1 , . . . , a n } heeft ophefbare singulariteiten in a 1 , . . . , a n . Zij g 0 de uitbreiding van<br />
g tot Ω. Wegens de stelling van Cauchy-Goursat is<br />
∫<br />
1<br />
g 0 (z)dz = 0,<br />
2πi γ<br />
dus<br />
∫<br />
1<br />
f(z)dz =<br />
2πi γ<br />
n∑<br />
j=1<br />
∫<br />
1<br />
f aj (z)dz.<br />
2πi γ<br />
Wegens de opmerkingen voorafgaand aan definitie 1.26 is echter<br />
∫<br />
1<br />
f aj (z)dz = Ind γ (a j )Res(f; a j )<br />
2πi γ<br />
waarmee deze stelling nu bewezen is.<br />
Voorbeeld. We illustreren het belang van de residuenstelling voor de toepassingen door<br />
voor algemene n ∈ N de integraal ∫ ∞<br />
dx<br />
1 + x n<br />
te berekenen, zo deze bestaat.<br />
0
Zij γ R de weg als in de onderstaande figuur.<br />
- 30 -<br />
We mogen veronderstellen dat n ≥ 2 (waarom ?). Zij α = exp(πi/n). Dan geldt<br />
Hieruit volgt<br />
n−1<br />
∑<br />
z n + 1 = z n − α n = (z − α) α j z n−1−j<br />
lim<br />
z→α<br />
j=0<br />
z − α<br />
z n + 1 = 1<br />
∑ n−1<br />
j=0 αj α n−1−j<br />
1<br />
= −<br />
n exp(−πi/n)<br />
Als f(z) = 1/(z n + 1) voor die punten z waar de noemer niet 0 is, dan is<br />
Dus geldt, voor R > 1,<br />
Res(f; exp(πi/n)) = − 1 n exp(πi/n).<br />
∫<br />
γ R<br />
f(z)dz = − 2πi<br />
n exp(πi/n).<br />
Anderzijds is de integraal in het linkerlid per definitie gelijk aan<br />
∫ R<br />
0<br />
∫<br />
dt 2πi/n<br />
1 + t n + 0<br />
∫<br />
iR exp(iθ)<br />
R<br />
1 + R n exp(inθ) dθ − α2<br />
De middelste term voldoet aan<br />
∫ ∣<br />
2πi/n<br />
iR exp(iθ) ∣∣∣∣ ∣ 1 + R n exp(inθ) dθ ≤ 2π n . R<br />
R n − 1 → 0<br />
0<br />
0<br />
dt<br />
1 + t n .<br />
(als R → ∞).<br />
Samen geeft dit<br />
waaruit<br />
− 2πi ( ) ( ( πi<br />
2πi<br />
n exp = 1 − exp<br />
n<br />
n<br />
∫ ∞<br />
0<br />
dt<br />
1 + t n = π/n<br />
sin(π/n) .<br />
)) ∫ ∞<br />
0<br />
dt<br />
1 + t n