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Kurs:Funktionentheorie (Osnabrück 2023-2024)/Arbeitsblatt 3/latex

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\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {komplexe}{}{} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} und es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} eine Abbildung. Zeige, dass $\varphi$ genau dann $\Complex$-\definitionsverweis {antilinear}{}{} ist, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi ( { \mathrm i} v) }
{ = }{ - { \mathrm i} \varphi(v) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme den linearen und den antilinearen Anteil der folgenden reell-linearen Abbildungen. \aufzaehlungvier{Die \definitionsverweis {komplexe Konjugation}{}{} \maabbeledisp {} {\Complex} { \Complex } {z} { \overline{ z } } {.} }{Der \definitionsverweis {Realteil}{}{} \maabbeledisp {} {\Complex} { \Complex } {z} { \operatorname{Re} \, { \left( z \right) } } {.} }{Der \definitionsverweis {Imaginärteil}{}{} \maabbeledisp {} {\Complex} { \Complex } {z} { \operatorname{Im} \, { \left( z \right) } } {.} }{Die \definitionsverweis {Identität}{}{} \maabbeledisp {} {\Complex} { \Complex } {z} { z } {.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {komplexe}{}{} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} und es seien \maabbdisp {\varphi_1, \varphi_2} {V} {W } {} $\Complex$-\definitionsverweis {antilinear}{}{.} Zeige, dass auch
\mathl{\varphi_1 + \varphi_2}{} antilinear ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {komplexe}{}{} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} und es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} eine reell-lineare Abbildung. Zeige, dass $\varphi$ genau dann die Nullabbildung ist, wenn sie sowohl komplex-linear als auch $\Complex$-\definitionsverweis {antilinear}{}{} ist

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $V$ ein $\Complex$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und es seien \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} und \maabbdisp {\psi} {V} {V } {} \definitionsverweis {antilineare}{}{} Abbildungen. Zeige, dass die Verknüpfung
\mathl{\varphi \circ \psi}{} \definitionsverweis {linear}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien $V_1 , \ldots , V_n, V_{n+1}$ \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über ${\mathbb C}$, es seien \maabbdisp {\varphi_i} {V_i} {V_{i+1} } {} \definitionsverweis {lineare}{}{} oder \definitionsverweis {antilineare}{}{} Abbildungen und es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi }
{ =} { \varphi_n \circ \varphi_{n-1} \circ \cdots \circ \varphi_2 \circ \varphi_1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionsverweis {Hintereinanderschaltung}{}{} der Abbildungen. Zeige durch Induktion über $n$ die beiden folgenden Aussagen. \aufzaehlungzwei {Wenn die Anzahl der antilinearen Abbildungen gerade ist, so ist $\varphi$ linear. } {Wenn die Anzahl der antilinearen Abbildungen ungerade ist, so ist $\varphi$ antilinear. }

Gilt von diesen Aussagen auch die Umkehrung?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die Zerlegung in den ${\mathbb C}$-linearen und den ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {antilinearen}{}{} Anteil der $\R$-\definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabb {\varphi} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {,} die bezüglich der reellen \definitionsverweis {Basis}{}{} \mathkor {} {1} {und} {{ \mathrm i}} {} durch die \definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathl{\begin{pmatrix} -5 & 4 \\ 3 & 7 \end{pmatrix}}{} beschrieben wird.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

\aufzaehlungzwei {Drücke die Abbildungen \maabbeledisp {} {{\mathbb C}} {{\mathbb C} } {z} {z^k } {} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ = }{ 0 , \ldots , 5 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in reellen Koordinaten aus. } {Drücke die Abbildungen \maabbeledisp {} {{\mathbb C} \setminus \{ 0 \}} {{\mathbb C} } {z} {z^k } {} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ = }{ -1,-2,-3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in reellen Koordinaten aus. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Drücke die Abbildung \maabbeledisp {} {{\mathbb C}} {{\mathbb C} } {z} {2z^3-z^2+3z+2- { \mathrm i} } {,} in reellen Koordinaten aus. Berechne das reelle \definitionsverweis {totale Differential}{}{} dieser Abbildung.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Beschreibe die \definitionsverweis {Abbildung}{}{} \maabbeledisp {\psi} { \Complex \setminus \{1\} } { \Complex } {w} { { \frac{ (w+1) { \mathrm i} }{ 1-w } } } {} in reellen Koordinaten.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {partiellen Ableitungen}{}{} der \definitionsverweis {Abbildung}{}{} \maabbeledisp {\psi} { \R^2 \setminus \{ (1,0 )\} } { \R^2 } { \begin{pmatrix} a \\b \end{pmatrix} } { { \frac{ 1 }{ -2a+1+a^2+b^2 } } \begin{pmatrix} -2b \\1-a^2-b^2 \end{pmatrix} } {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Beschreibe eine \definitionsverweis {gebrochen-lineare Funktion}{}{}
\mathl{{ \frac{ az+b }{ cz+d } }}{} als eine reelle Funktion von \zusatzklammer {einer offenen Teilmenge von} {} {} $\R^2$ nach $\R^2$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die Funktion \maabbeledisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {(x+y { \mathrm i}) } { 2x-3y +xy^2+ { \left( x^2-xy- y^5 \right) } { \mathrm i} } {.} \aufzaehlungzwei {Bestimme das \definitionsverweis {totale Differential}{}{} $\left(Df\right)_{P}$ von $f$ bezüglich der \definitionsverweis {Basis}{}{} \mathkor {} {1} {und} {{ \mathrm i}} {} in einem beliebigen Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} } {Bestimme die Zerlegung des totalen Differentials $\left(Df\right)_{P}$ in den ${\mathbb C}$-linearen und den ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {antilinearen}{}{} Anteil. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die Funktion \maabbeledisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {(x+y { \mathrm i}) } { \sin \left( xy \right) + { \left( x^3-xy^2 +2 y^4 \right) } { \mathrm i} } {.} \aufzaehlungzwei {Bestimme das \definitionsverweis {totale Differential}{}{} $\left(Df\right)_{P}$ von $f$ bezüglich der \definitionsverweis {Basis}{}{} \mathkor {} {1} {und} {{ \mathrm i}} {} in einem beliebigen Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} } {Bestimme die Zerlegung des totalen Differentials $\left(Df\right)_{P}$ in den ${\mathbb C}$-linearen und den ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {antilinearen}{}{} Anteil. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Betrachte die Abbildung \maabbdisp {} {{\mathbb C} \cong \R^2 } { \R^2 \cong {\mathbb C} } {,} welche in reellen Koordinaten durch
\mathl{(x,y) \mapsto (x^3-xy^2,5x^2y^2-y)=(g,h)}{} gegeben ist. Berechne das reelle totale Differential und überprüfe, ob die Cauchy-Riemann Differentialgleichungen gelten.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbeledisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } { z } { f(z) } {,} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbar}{}{} Funktion mit der Eigenschaft, dass der Wertebereich reell ist. Zeige, dass $f$ konstant ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Realteil}{}{,} also die Funktion \maabbeledisp {} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } { z } { \operatorname{Re} \, { \left( z \right) } } {,} in keinem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {differenzierbar}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die reell \definitionsverweis {total differenzierbare}{}{} Abbildung \maabbeledisp {\varphi} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {x+ y { \mathrm i} } { x^2-y^2+xy + { \left( x^3-xy+y \right) } { \mathrm i} } {.} Bestimme die Punkte, in denen $\varphi$ \definitionsverweis {komplex differenzierbar}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Charakterisiere diejenigen \definitionsverweis {komplex differenzierbaren}{}{} Abbildungen \maabbdisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {} mit der Eigenschaft, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Re} \, { \left( f(z) \right) } }
{ =} { \operatorname{Re} \, { \left( z \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Charakterisiere diejenigen zweifach \definitionsverweis {komplex differenzierbaren}{}{} Abbildungen \maabbdisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {,} die \definitionsverweis {flächentreu}{}{} sind \zusatzklammer {das bedeutet, dass die Determinante der reellen Jacobimatrix konstant gleich $1$ ist} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion auf einer \definitionsverweis {offenen Teilmenge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit der Zerlegung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ = }{ g+h { \mathrm i} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Funktionaldeterminante}{}{} der reellen \definitionsverweis {Jacobimatrix}{}{} zu $f$ nur von $g$ abhängt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion auf einer \definitionsverweis {offenen Teilmenge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit der Zerlegung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ = }{ g+h { \mathrm i} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Funktionaldeterminante}{}{} der reellen \definitionsverweis {Jacobimatrix}{}{} zu $f$ nur von $h$ abhängt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass man in Korollar 3.8 nicht auf die Voraussetzung, dass $G$ ein \definitionsverweis {Gebiet}{}{} ist, verzichten kann.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{3}
{

Betrachte die komplex-lineare Abbildung \maabb {L} {{\mathbb C}^2} {{\mathbb C}^2 } {,} die durch die
\mathl{2 \times 2}{-}Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 5 & 3+4 { \mathrm i} \\ 2-2 { \mathrm i} & { \mathrm i} \end{pmatrix}} { }
gegeben ist. Bestimme die zugehörige Matrix, welche die gleiche lineare Abbildung \maabb {} { \R^4 } { \R^4 } {} beschreibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über den \definitionsverweis {komplexen Zahlen}{}{} ${\mathbb C}$, es sei $V$ \definitionsverweis {endlichdimensional}{}{} und es sei
\mathbed {v_j} {}
{j \in J} {}
{} {} {} {,} eine \definitionsverweis {Basis}{}{} von $V$. Es seien
\mathbed {w_j} {}
{j \in J} {}
{} {} {} {,} Elemente in $W$. Zeige, dass es eine eindeutig bestimmte $\Complex$-\definitionsverweis {antilineare}{}{} Abbildung \maabbdisp {f} {V} {W } {} mit
\mathdisp {f(v_j)= w_j \text { für alle } j\in J} { }
gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über den \definitionsverweis {komplexen Zahlen}{}{} ${\mathbb C}$ und es bezeichne
\mathl{\operatorname{Hom}_{ \R } { \left( V, W \right) }}{} die Menge der reell-linearen Abbildungen,
\mathl{\operatorname{Hom}_{ \Complex } { \left( V, W \right) }}{} die Menge der komplex-linearen Abbildungen und
\mathl{\operatorname{Hom}_{ \text{ anti} } { \left( V, W \right) }}{} die Menge der antilinearen Abbildungen. Zeige, dass die Abbildungen \maabbdisp {} { \operatorname{Hom}_{ \R } { \left( V, W \right) } } {\operatorname{Hom}_{ \Complex } { \left( V, W \right) } } {} und \maabbdisp {} { \operatorname{Hom}_{ \R } { \left( V, W \right) } } {\operatorname{Hom}_{ \text{anti} } { \left( V, W \right) } } {,} die eine reell-lineare Abbildung auf ihren $\Complex$-linearen bzw. $\Complex$-antilinearen Anteil abbilden, reell-linear sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Zeige, dass es eine \zusatzklammer {reell} {} {} \definitionsverweis {stetig differenzierbare}{}{} Abbildung \maabbdisp {f} {\R^2} { \R^2 } {} derart gibt, dass das \definitionsverweis {Bild}{}{} von $f$ gleich der eindimensionalen \definitionsverweis {Sphäre}{}{} $S^1$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Wir betrachten die reell \definitionsverweis {total differenzierbare}{}{} Abbildung \maabbeledisp {\varphi} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {x+ y { \mathrm i} } { x^2y-y^3+xy^2 + { \left( x^2-3xy-2y^2 \right) } { \mathrm i} } {.} Bestimme die Punkte, in denen $\varphi$ komplex-differenzierbar ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei \maabb {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare}{}{} Funktion mit der Eigenschaft
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { f(z) } }
{ =} { \betrag { z } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass $f$ eine Drehung um den Nullpunkt ist.

}
{} {}