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

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\setcounter{section}{22}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ fdz }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $U$. Zeige, dass durch \maabbeledisp {F} {U_\omega} { {\mathbb C} } {(P, G(P))} { G(P) } {,} eine wohldefinierte Funktion auf der \definitionsverweis {Integralüberlagerung}{}{} $U_\omega$ gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ fdz }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf einer \definitionsverweis {offenen Menge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} sei \maabb {} {[a,b]} { U } {} ein \definitionsverweis {stetiger Weg}{}{} und sei \maabb {\theta} {[c,d]} {[a,b] } {} stetig mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \theta(c) }
{ = }{ a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \theta(d) }
{ = }{ b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma \omega }
{ =} { \int_{ \theta \circ \gamma} \omega }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {offene Menge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 0 }
{ \notin }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{.} Zeige, dass $L$ genau dann ein \definitionsverweis {Logarithmus}{}{} ist, wenn $L$ ein \definitionsverweis {Schnitt}{}{} zur \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabbdisp {\exp} {\exp^{-1}(U) } { U } {} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {offene Menge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 0 }
{ \notin }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 1 }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} ein \definitionsverweis {Logarithmus}{}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L (1) }
{ =} { n e \pi { \mathrm i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {offene Menge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 0 }
{ \notin }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} sei \maabb {L} {U} { {\mathbb C} } {} ein \definitionsverweis {Logarithmus}{}{} und sei \maabbdisp {\tilde{L}} {U} { {\mathbb C} } {} eine weitere \definitionsverweis {holomorphe Funktion}{}{.} Zeige, dass $\tilde{L}$ genau dann ein Logarithmus ist, wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \tilde{L} - L }
{ =} { n e \pi { \mathrm i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {komplexen Potenzfunktionen}{}{} zu einem ganzzahligen Exponenten $n$ unabhängig von gewählten \definitionsverweis {Logarithmus}{}{} gleich $z^n$ sind.

}
{} {}

Die folgende Aufgabe ist eine Verallgemeinerung von Korollar 20.13 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)).




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {komplexe Potenzfunktion}{}{} $z^a$ \zusatzklammer {bezüglich eines fixierten \definitionsverweis {Logarithmus}{}{} auf einer offenen Menge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} die Ableitungseigenschaft
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( z^a \right) }' }
{ =} { a z^{a-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} erfüllt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U,V }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offene Teilmengen}{}{} und sei \maabb {\varphi} {U} {V } {} eine \definitionsverweis {holomorphe Abbildung}{}{.} Es sei $\omega$ eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $V$. Zeige, dass für die Auswertung der Fundamentalgruppe zu einer Differentialform ein kommutatives Diagramm
\mathdisp {\begin{matrix}\pi(U) & \stackrel{ \pi(\varphi) }{\longrightarrow} & \pi(V) & \\ & \!\!\! \!\! \Psi_{\varphi^*(\omega) } \searrow & \downarrow \Psi_\omega \!\!\! \!\! & \\ & & {\mathbb C} & \!\!\!\!\! \!\!\! \\ \end{matrix}} { }
vorliegt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Zeige, dass $G$ genau dann \definitionsverweis {kommutativ}{}{} ist, wenn die \definitionsverweis {Kommutatoruntergruppe}{}{}
\mathl{K(G)}{} trivial ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {G} {und} {H} {} \definitionsverweis {Gruppen}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {G} {H } {} ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.} Zeige die Beziehung
\mathl{\varphi (K(G)) \subseteq K(H)}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mathl{K(G)}{} ihre \definitionsverweis {Kommutatorgruppe}{}{.} Zeige die folgenden Aussagen. \aufzaehlungdrei{$K(G)$ ist ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G$. }{Die \definitionsverweis {Restklassengruppe}{}{}
\mathl{G/K(G)}{} ist \definitionsverweis {abelsch}{}{.} }{Die Gruppe $G$ ist genau dann abelsch, wenn
\mathl{K(G)}{} trivial ist. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {\varphi} {X} {Y } {} eine \definitionsverweis {stetige Abbildung}{}{} zwischen den \definitionsverweis {wegzusammenhängenden}{}{} \definitionsverweis {topologischen Räumen}{}{} \mathkor {} {X} {und} {Y} {.} Zeige, dass es einen natürlichen \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbdisp {H(\varphi)} {H_1(X,\Z)} {H_1(Y,\Z) } {} zwischen den zugehörigen \definitionsverweis {Homologiegruppen}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mathl{X,Y,Z}{} \definitionsverweis {wegzusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {topologische Räume}{}{,} es seien \maabb {\varphi} {X} {Y } {} und \maabbdisp {\psi} {Y} {Z } {} \definitionsverweis {stetige Abbildungen}{}{.} Zeige, dass die zugehörigen \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismen}{}{} zwischen den \definitionsverweis {ersten Homologiegruppen}{}{} die folgenden Eigenschaften erfüllen. \aufzaehlungdrei{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ H_1 ( \psi \circ \varphi) }
{ =} { H_1(\psi) \circ H_1 ( \varphi) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Wenn \mathkor {} {\varphi} {und} {\psi} {} invers zueinander sind \zusatzklammer {was
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} voraussetzt} {} {,} so sind \mathkor {} {H_1 (\psi)} {und} {H_1 (\varphi)} {} invers zueinander. }{Wenn $\varphi$ ein \definitionsverweis {Homöomorphismus}{}{} ist, dann ist $H_1 ( \varphi)$ ein \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{.} }

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ fdz }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $U$. Zeige, dass $f$ genau dann eine Stammfunktion auf $U$ besitzt, wenn die \definitionsverweis {Integralüberlagerung}{}{} $U_\omega$ \definitionsverweis {trivial}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mathl{U_\omega}{} die \definitionsverweis {Integralüberlagerung}{}{} zur \definitionsverweis {holomorphen Differentialform}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ { \frac{ dz }{ z } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ = }{ {\mathbb C} \setminus \{0\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass es eine Abbildung \maabb {G} { {\mathbb C} } { U_\omega } {} derart gibt, dass das Diagramm
\mathdisp {\begin{matrix} {\mathbb C} & \stackrel{ G }{\longrightarrow} & U_\omega & \\ & \!\!\! \!\! \exp \searrow & \downarrow p \!\!\! \!\! & \\ & & U & \!\!\!\!\! \!\!\! \\ \end{matrix}} { }
kommutiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Zeige, dass
\mathl{{ \mathrm i}^{ \mathrm i}}{} reell ist und bestimme diese Zahl mit einer Genauigkeit von drei Nachkommastellen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{6 (2+2+2)}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Gebiet}{}{,} es bezeichne
\mathl{H(U,\Omega)}{} den Vektorraum aller \definitionsverweis {holomorphen Differentialformen}{}{} auf $U$ und
\mathl{H(U,\Omega)_{\text{exakt} }}{} den Untervektorraum der \definitionsverweis {exakten}{}{} Differentialformen. Zeige die folgenden Aussagen. \aufzaehlungdrei{Die Abbildung \zusatzklammer {vergleiche Lemma 22.11} {} {} \maabbeledisp {\Psi} {H(U,\Omega) } { \operatorname{Hom} { \left( H_1(U,\Z), {\mathbb C} \right) } } { \omega} { \Psi_\omega } {,} ist ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {linear}{}{.} }{Die Abbildung $\Psi$ aus (1) induziert eine lineare Abbildung \maabbdisp {\Psi} {H(U,\Omega)/H(U,\Omega)_{\text{exakt} } } { \operatorname{Hom} { \left( H_1(U,\Z), {\mathbb C} \right) } } {,} }{Die Abbildung aus (2) ist \definitionsverweis {injektiv}{}{.} }

}
{} {}