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Kurs:Funktionentheorie (Osnabrück 2023-2024)/Vorlesung 22/latex

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\setcounter{section}{22}

In dieser Vorlesung möchten wir beweisen, dass Wegintegrale zu holomorphen Differentialformen nur vom Homotopietyp des Weges abhängen, siehe Satz 22.3 und Korollar 22.6.






\zwischenueberschrift{Die Integralüberlagerung}




\inputkonstruktion{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ G }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ f dz }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $G$ mit einer holomorphen Funktion \maabb {f} {G} { {\mathbb C} } {.} Für jeden Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es eine offene Umgebung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ U }
{ \subseteq }{G }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {beispielsweise einen offenen Ball} {} {} derart, dass die Einschränkung von $\omega$ auf $U$ eine Stammfunktion besitzt, siehe Korollar 14.3. Wir betrachten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ G_\omega }
{ =} { G \times {\mathbb C} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} zusammen mit der Projektion nach $G$, und wir werden auf
\mathl{G \times {\mathbb C}}{} eine \definitionsverweis {Topologie}{}{} derart definieren, dass diese Projektion eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} wird. Wir betrachten die Teilmengen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Gamma(U, F ) }
{ =} { { \left\{ (P, F(P)) \mid P \in U \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine offene Teilmenge und $F$ eine Stammfunktion zu $\omega$ auf $U$ ist. Es handelt sich also um den \definitionsverweis {Graphen}{}{} einer lokalen Stammfunktion. Wenn $U$ zusammenhängend ist, so unterscheiden sich die
\mathl{\Gamma(U, F )}{} untereinander um eine Kontante aus ${\mathbb C}$, da sich ja Stammfunktionen um eine Konstante unterscheiden.

Wir legen nun eine Topologie auf $G_\omega$ dadurch fest, dass wir beliebige Vereinigungen von solchen Mengen
\mathl{\Gamma(U,F)}{} als offen erklären, die
\mathl{\Gamma(U,F)}{} bilden also eine \definitionsverweis {Basis}{}{} der Topologie. Man beachte hierzu, dass der Durchschnitt von zwei solchen Mengen eine Vereinigung solcher Mengen ist. Sei hierzu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ (P,y) }
{ \in }{ \Gamma(U, F ) \cap \Gamma(V, G) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ U \cap V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und dann gibt es auch einen offenen Ball
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ W }
{ \subseteq }{U \cap V }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ y }
{ =} { F(P) }
{ =} { G(P) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt überhaupt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F {{|}}_W }
{ =} { G {{|}}_W }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Für jeden Punkt im Durchschnitt gibt es also auch eine offene Umgebung der beschriebenen Form. Für jede offene Menge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} auf der $\omega$ eine Stammfunktion besitzt, ist nun die eingeschränkte Projektion \maabbdisp {} {p^{-1}(U) \cong U_\omega } {U } {} eine triviale Überlagerung, die einfach aus einer disjunkten Vereinigung von Kopien von $U$ besteht, und zwar eine für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Daher ist $G_\omega$ eine Überlagerung von $G$, man nennt sie die \stichwort {Integralüberlagerung} {} zu $\omega$.

}

Auf $G_\omega$ gibt es die wohldefinierte Abbildung \maabbeledisp {F} {G_\omega} { {\mathbb C} } {(P,G(P))} { G(P) } {,} siehe Aufgabe 22.1. Diese repräsentiert in gewisser Weise eine Stammform für $\omega$, sie ist allerdings nicht auf $G$, sondern auf der Integralüberlagerung $G_\omega$ definiert.





\inputfaktbeweis
{Holomorphe Differentialform/C/Wegintegral/Integralüberlagerung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {f} {G} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{} mit der zugehörigen \definitionsverweis {holomorphen Differentialform}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ fdz }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabbdisp {\gamma} {[a,b]} {G } {} ein stetiger, stückweise stetig-differenzierbarer Weg.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma fdz }
{ =} { F ( \tilde {\gamma} (b)) - F ( \tilde {\gamma} (a)) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei \maabbdisp {\tilde{\gamma}} {[a,b]} { G_\omega } {} eine \definitionsverweis {Liftung}{}{} in die \definitionsverweis {Integralüberlagerung}{}{} $G_\omega$ ist und $F$ die Stammform auf $G_\omega$ bezeichnet.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es ist
\mathl{\gamma([a,b])}{} \definitionsverweis {kompakt}{}{} und daher gibt es eine endliche Überdeckung mit offenen Bällen $U_i$, auf denen $\omega$ eine Stammform besitzt, und Unterteilungspunkte
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ a }
{ =} { t_0 }
{ <} { t_1 }
{ < \ldots <} {t_{n-1} }
{ <} { t_n }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} {b }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{} derart, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \gamma ( [t_{i-1},t_{i}]) }
{ \subseteq} { U_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in einem offenen Ball $U_i$ liegt. Mit einer Stammform $F_i$ zu $\omega {{|}}_{U_i}$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma_i }
{ = }{ \gamma {{|}}_{[t_{i-1} , t_i]} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist nach Satz 12.11
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_{\gamma_i} \omega }
{ =} { F_i { \left( \gamma { \left( t_{i} \right) } \right) } - F_i { \left( \gamma { \left( t_{i-1} \right) } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Die \zusatzklammer {Teil} {-} {}Liftung
\mathl{\tilde{\gamma}_i}{} besitzt die Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \tilde{\gamma}_i (t) }
{ =} { (\gamma_i (t) , F_i(\gamma(t)) +c ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ F { \left( \tilde{ \gamma} { \left( t_{i} \right) } \right) } - F { \left( \tilde{\gamma} { \left( t_{i-1} \right) } \right) } }
{ =} { F_i(\gamma(t_i)) +c - { \left( F_i(\gamma(t_{i-1} )) +c \right) } }
{ =} { F_i { \left( \gamma { \left( t_{i} \right) } \right) } - F_i { \left( \gamma { \left( t_{i-1} \right) } \right) } }
{ =} { \int_{\gamma_i} \omega }
{ } {}
} {} {}{.} Daher ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \int_{\gamma} \omega }
{ =} { \sum_{i = 1}^n \int_{\gamma_i} \omega }
{ =} { \sum_{i = 1}^n { \left( F_i { \left( \gamma { \left( t_{i} \right) } \right) } - F_i { \left( \gamma { \left( t_{i-1} \right) } \right) } \right) } }
{ =} { \sum_{i = 1}^n { \left( F { \left( \tilde{\gamma} { \left( t_{i} \right) } \right) } - F { \left( \tilde{\gamma} { \left( t_{i-1} \right) } \right) } \right) } }
{ =} { F { \left( \tilde{\gamma} { \left( t_{n} \right) } \right) } - F { \left( \tilde{\gamma} { \left( t_{0} \right) } \right) } }
} {} {}{.}

}


Die Integralüberlagerung und das vorstehende Lemma erlauben es, Wegintegrale zu holomorphen Differentialformen auch zu nur stetigen Wegen zu definieren, da es für diese ja eine stetige Liftung gibt.






\zwischenueberschrift{Wegintegrale zu homotopen Wegen}





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Holomorphe Funktion/Homotope Wege/Wegintegral/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine auf einer \definitionsverweis {offenen Menge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definierte \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{} und seien \maabbdisp {\alpha, \beta} {[a,b]} {U } {} \definitionsverweis {stetige Wege}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha(a) }
{ = }{ \beta(a) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha(b) }
{ = }{ \beta(b) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}}
\faktvoraussetzung {die zueinander \definitionsverweis {homotop}{}{} seien.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\alpha f(z)dz }
{ =} { \int_\beta f(z)dz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

\mathkor {} {\alpha} {und} {\beta} {} haben nach Lemma 22.2 homotope \definitionsverweis {Liftungen}{}{} in die \definitionsverweis {Integralüberlagerung}{}{} zu
\mathl{fdz}{,} insbesondere stimmen bei gleichem Anfangspunkt auch die Endpunkte der Liftungen überein. Daher folgt die Aussage aus Satz 21.13.

}





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Holomorphe Funktion/Nullhomotoper Weg/Triviales Wegintegral/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine auf einer \definitionsverweis {offenen Menge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definierte \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{} und sei \maabbdisp {\gamma} {[a,b]} {U } {} ein}
\faktvoraussetzung {\definitionsverweis {nullhomotoper}{}{} stetiger \definitionsverweis {geschlossener Weg}{}{} in $U$.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma f(z)dz }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt unmittelbar aus Satz 22.3, da ja die Voraussetzung bedeutet, dass $\gamma$ homotop zum konstanten Weg ist.

}





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Einfach zusammenhängend/Holomorphe Funktion/Geschlossener Weg/Triviales Wegintegral/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene}{}{,} \definitionsverweis {einfach zusammenhängende}{}{} Teilmenge und es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist für jeden stetigen, stückweise stetig differenzierbaren \definitionsverweis {geschlossenen Weg}{}{} \maabb {\gamma} {I} {U } {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma f(z)dz }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Korollar 22.4.

}





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Einfach zusammenhängend/Holomorphe Funktion/Differentialform exakt/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene}{}{,} \definitionsverweis {einfach zusammenhängende}{}{} Teilmenge und es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die \definitionsverweis {Differentialform}{}{} $fdz$ \definitionsverweis {exakt}{}{,} d.h. $f$ besitzt eine Stammfunktion.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Korollar 22.5 und aus Satz 12.14.

}






\zwischenueberschrift{Logarithmus und Potenzfunktionen}

Als erste Anwendung besprechen wir die Existenz von Logarithmen und Potenzfunktionen. Zuerst klären wir den Zusammenhang zwischen Stammfunktionen zu $1/z$ und \zusatzklammer {partiellen Links- oder Rechts} {} {-}Inversen zur Exponentialfunktion.





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Logarithmus/Aspekte/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 0 }
{ \notin }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann sind folgende Aussagen äquivalent. \aufzaehlungdrei{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'(z) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} d.h. $L$ ist eine Stammfunktion zu ${ \frac{ 1 }{ z } }$. }{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( L(z) \right) }
{ =} { az }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \zusatzklammer {mit einer Konstanten
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ a }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} auf jeder offenen \definitionsverweis {zusammenhängenden}{}{} Teilmenge von $U$. }{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L( \exp z ) }
{ =} { z +b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf jeder offenen zusammenhängenden Teilmenge von
\mathl{\exp^{-1} (U)}{} \zusatzklammer {mit einer Konstanten $b$} {} {.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Von (1) nach (2). Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ L'(z) }
{ = }{ { \frac{ 1 }{ z } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei
\mathl{L+c}{} die gleiche Eigenschaft besitzt. Wir betrachten die Bedingung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ e^{L(z) +c} }
{ =} { e^{L(z) } e^c }
{ =} { z }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Für einen beliebigen Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z_0 }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} legt diese über
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ e^c }
{ =} { z_0 e^{-L(z_0)} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein \zusatzklammer {nicht eindeutiges} {} {} $c_0$ fest. Es gilt dann
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( e^{L(z)+c_0} \right) }' }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z } } \cdot e^{L(z)+c_0} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( e^{L(z)+c_0} \right) }^{\prime \prime} }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z^2 } } { \left( z { \left( e^{L(z)+c_0} \right) }' - e^{L(z)+c_0} \right) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z^2 } } { \left( { \left( e^{L(z)+c_0} \right) } - e^{L(z)+c_0} \right) } }
{ =} { 0 }
{ } { }
} {}{}{.} Also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( e^{L(z)+c_0} \right) }' }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z } } \cdot e^{L(z)+c_0} }
{ =} { d }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} konstant auf jeder offenen zusammenhängenden Umgebung von $z_0$ und damit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ e^{L(z)+c_0} }
{ =} { dz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und wegen der durch $z_0$ festgelegten Bedingung ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d }
{ = }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Von (2) nach (1). Wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( L(z) \right) }
{ =} { az }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt, so ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( L(z) \right) \cdot L'(z) }
{ =} { a }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ az \cdot L'(z) }
{ =} { a }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und damit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'(z) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

Von (1) nach (3). Wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'(z) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist, so ist die Ableitung von
\mathl{L( \exp z )}{} gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'( \exp z ) \cdot \exp z }
{ =} { { \frac{ 1 }{ \exp z } } \cdot \exp z }
{ =} { 1 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L( \exp z ) }
{ =} { z +b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ b }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} auf jeder offenen zusammenhängenden Teilmenge von
\mathl{\exp^{-1}(U)}{.} Von (3) nach (1). Wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L( \exp z ) }
{ =} { z +b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt, so ergibt sich durch ableiten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'( \exp z ) \cdot \exp z }
{ =} { 1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L' ( \exp z) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ \exp z } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da die Exponentialfunktion alle Werte $\neq 0$ annimmt, ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'(w) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ w } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Einfach zusammenhängend/Logarithmus und Exponentialfunktion/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {einfach zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {offene Menge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 0 }
{ \notin }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{} \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} mit \aufzaehlungdrei{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L'(z) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ z } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} d.h. $L$ ist eine Stammfunktion zu ${ \frac{ 1 }{ z } }$. }{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( L(z) \right) }
{ =} { z }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L( \exp z ) }
{ =} { z }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf einer offenen nichtleeren Teilmenge von
\mathl{\exp^{-1} (U)}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Auf $U$ ist die \definitionsverweis {komplexe Invertierung}{}{}
\mathl{{ \frac{ 1 }{ z } }}{} definiert und besitzt dort nach Korollar 22.6 eine \definitionsverweis {Stammfunktion}{}{} $L(z)$, die bis auf eine Konstante $c$ eindeutig bestimmt ist. Nach Lemma 22.7 gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( L(z) \right) }
{ =} { az }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp c }
{ =} { a^{-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann besitzt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \tilde{L} }
{ = }{ L+c }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nach wie vor die Ableitungseigenschaft und es gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( \tilde{L} (z) \right) }
{ =} { \exp \left( L (z) + c \right) }
{ =} { az \cdot a^{-1} }
{ =} { z }
{ } { }
} {}{}{.} Wir bezeichnen das modifizierte $\tilde{L}$ wieder mit $L$. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z_0 }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w_0 }
{ = }{ L(z_0) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wegen der Eigenschaft (2) gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp w_0 }
{ =} { z_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit gilt auch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L( \exp \left( w_0 \right) ) }
{ =} { L(z_0) }
{ =} { w_0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w_0 }
{ \in }{V }
{ \subseteq }{ \exp^{-1}(U) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Gebiet, nach Lemma 22.7 gilt darauf
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L( \exp w ) }
{ =} { w +b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für ein $b$ und wegen dem Punktepaar muss
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ b }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sein.

}





\inputdefinition
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{.} Eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{} \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} heißt \definitionswort {Logarithmus}{,} wenn sie
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp \left( L(z) \right) }
{ =} { z }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} erfüllt.

}

Damit ist ein Logarithmus nur bis Verschiebung mit
\mathl{n 2 \pi { \mathrm i}}{} bestimmt, bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 1 }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fordert man häufig noch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ L(1) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ = }{ {\mathbb C} \setminus \R_- }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nennt man diesen den \stichwort {Hauptzweig des Logarithmus} {.}




\inputdefinition
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 0 }
{ \notin }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} ein \definitionsverweis {Logarithmus}{}{.} Dann nennt man zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Funktion \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f (z) }
{ \defeq} { \exp \left( a \cdot L(z) \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionswort {Potenzfunktion}{} zum Exponenten $a$ \zusatzklammer {bezüglich $L$} {} {.}

}

Diese Bezeichnung verwendet man hauptsächlich für den Hauptzweig des Logarithmus.






\zwischenueberschrift{Erste Homologie und Differentialformen}





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Holomorphe Differentialform/Fundamentalgruppe/Auswertung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $\omega$ eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf einer \definitionsverweis {zusammenhängenden}{}{} \definitionsverweis {offenen Menge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die Zuordnung \maabbeledisp {\Psi_\omega} {\pi_1(U)} { {\mathbb C} } {\gamma} { \int_\gamma \omega } {,} ein wohldefinierter \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Wohldefiniertheit beruht auf Korollar 22.4, die Homomorphieeigenschaft auf Lemma 12.7  (3).

}


Diese Abbildung nennt man auch die \stichwort {Periodenabbildung} {} zu $\omega$.

Die Fundamentalgruppe eines topologischen Raumes ist im Allgemeinen nicht kommutativ. Man kann aber jeder nichtkommutativen Gruppe eine kommutative Gruppe zuordnen, indem man die \definitionsverweis {Restklassengruppe}{}{} modulo der \definitionsverweis {Kommutatoruntergruppe}{}{} bildet, siehe die Aufgaben. Im Fall der Fundamentalgruppe nennt man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ H_1(X, \Z) }
{ \defeq} { \pi_1(X)/[ \pi_1(X), \pi_1(X) ] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die erste \stichwort {Homologiegruppe} {} von $X$.




\inputdefinition
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {zusammenhängender}{}{} \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{.} Man nennt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ H_1(X, \Z) }
{ \defeq} { \pi_1(X)/[ \pi_1(X), \pi_1(X) ] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionswort {erste singuläre Homologiegruppe}{} \zusatzklammer {mit Werten in $\Z$} {} {.}

}

Diese kann man auch anders und auch mit anderen Koeffizientengruppen, etwa mit $\R$ statt mit $\Z$, konstruieren.




\inputdefinition
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {zusammenhängender}{}{} \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{.} Man nennt einen \definitionsverweis {geschlossenen}{}{} \definitionsverweis {stetigen Weg}{}{} \maabbdisp {\gamma} {[a,b]} {X } {} \definitionswort {nullhomolog}{,} wenn seine Klasse in der ersten \definitionsverweis {Homologiegruppe}{}{} gleich $0$ ist.

} Dies bedeutet einfach, dass die Homotopieklasse in der Kommutatoruntergruppe der Fundamentalgruppe liegt.





\inputfaktbeweis
{Offene Menge/C/Holomorphe Funktion/Nullhomologer Weg/Triviales Wegintegral/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine auf einer \definitionsverweis {offenen Menge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definierte \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{} und sei \maabbdisp {\gamma} {[a,b]} {U } {} ein}
\faktvoraussetzung {\definitionsverweis {nullhomologer}{}{} stetiger \definitionsverweis {geschlossener Weg}{}{} in $U$.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma f(z)dz }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Zur \definitionsverweis {holomorphen Differentialform}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \omega }
{ =} { f dz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} betrachten wir die Wegauswertung \maabbeledisp {\Psi_\omega} {\pi_1(U)} { {\mathbb C} } {\gamma} { \int_\gamma \omega } {,} die nach Lemma 22.11 ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} ist. Da die Gruppe
\mathl{( {\mathbb C} , +,0)}{} \definitionsverweis {kommutativ}{}{} ist, besitzt
\mathl{\Psi_\omega}{} nach dem Homomorphiesatz eine Faktorisierung
\mathdisp {\pi_1(U) \stackrel{}{\longrightarrow} H_1(U, \Z) = \pi_1(U)/[ \pi_1(U), \pi_1(U)] \longrightarrow {\mathbb C}} { . }
Die Nullhomologie von $\gamma$ bedeutet, dass die Klasse von $\gamma$ in
\mathl{H_1(U,\Z)}{} gleich $0$ ist, somit ist auch der Wert rechts gleich $0$.

}