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Kurs:Funktionentheorie (Osnabrück 2023-2024)/Vorlesung 13/latex

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\setcounter{section}{13}






\zwischenueberschrift{Das Lemma von Goursat}

Das Besondere der folgenden Aussagen, beginnend mit dem Lemma von Goursat, ist, im Vergleich zu Satz 12.16, dass die Differentialform
\mathl{fdz}{} bzw. die Funktion $f$ nur als komplex-differenzierbar, aber nicht als stetig komplex differenzierbar vorausgesetzt wird. Letztlich wird sich in Satz 14.2 ergeben, dass die Stetigkeit der Ableitung in diesem Fall automatisch gilt.





\inputfaktbeweis
{Lemma von Goursat/Quadratversion/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{,} \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q }
{ \subseteq }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein achsenparalleles abgeschlossenes Quadrat, und sei \maabbdisp {\gamma} {I} {R } {} der stetige stückweise lineare Weg, der den Rand von $Q$ gleichmäßig durchläuft.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma fdz }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei $L$ die Seitenlänge des Quadrates. Dann ist der Umfang des Quadrates gleich $4L$, und das ist auch die Länge des Intervalls $I$. Wir konstruieren rekursiv eine Folge von Quadraten $Q_n$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q_0 }
{ = }{ Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} als Startquadrat. Dabei zerlegt man $Q_n$ durch Halbierung der Seitenlängen in vier Teilquadrate. Unter diesen wird $Q_{n+1}$ in folgender Weise ausgewählt: Es sei $\gamma_n$ der gleichmäßige \zusatzklammer {stückweise lineare} {} {} Weg entlang des Randes von $Q_n$, der gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen werde und rechts unten anfängt. Es seien
\mathl{\gamma_{n+1,1}, \gamma_{n+1,2}, \gamma_{n+1,3}, \gamma_{n+1,4}}{} die entsprechenden Wege der Ränder der Teilquadrate. Dann gilt
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ \int_{\gamma_n} fdz }
{ =} { \int_{\gamma_{n+1,1} } fdz + \int_{\gamma_{n+1,2} } fdz+ \int_{\gamma_{n+1,3} } fdz+ \int_{\gamma_{n+1,4} } fdz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} da in der Summe rechts die äußeren Seiten der Teilquadrate einfach und die inneren Seiten der Teilquadrate zweifach mit wechselnder Orientierung durchlaufen werden. Wir wählen nun $Q_{n+1}$ als dasjenige Teilquadrat, für das der Betrag von
\mathl{\int_{\gamma_{n+1,i} } fdz}{} unter diesen vier Wegintegralen maximal ist. Dabei gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { \int_{\gamma_n} fdz } }
{ \leq} { 4 \cdot \betrag { \int_{\gamma_{n+1} } fdz } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} und induktiv erhält man die Abschätzung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { \int_{\gamma} fdz } }
{ \leq} { 4^n \cdot \betrag { \int_{\gamma_{n} } fdz } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

Es sei nun $a$ der durch die Folge der Quadrate $Q_n$ bestimmte Punkt der Ebene \zusatzklammer {die Folge der $x$-Seiten und der $y$-Seiten bilden ja jeweils eine Intervallhalbierung, und legen daher nach Satz 7.3 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) einen eindeutigen Punkt fest} {} {.} Aufgrund der komplexen Differenzierbarkeit in $a$ gibt es nach Satz 1.2 ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ \in }{{\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und eine Funktion \maabbdisp {r} {U} { {\mathbb C} } {} mit $r$ \definitionsverweis {stetig}{}{} in $a$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r(a) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(z) }
{ =} { f(a) + s (z-a) + r(z) (z-a) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

Wir möchten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_{\gamma} fdz }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zeigen. Dazu zeigen wir, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { \int_{\gamma} fdz } }
{ \leq} { \epsilon }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für jedes vorgegebene positive $\epsilon$ ist. Es sei also ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ \in }{ \R_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vorgegeben. Aufgrund der Stetigkeit von $r$ gibt es ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \delta }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit der Eigenschaft, dass für $z$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { z-a } }
{ \leq }{ \delta }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Abschätzung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { r(z) } }
{ \leq }{ { \frac{ \epsilon }{ 8L^2 } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.

Es sei $n$ derart, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 2^n } } }
{ \leq} { { \frac{ \delta }{ 2 L } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt. Das Quadrat $Q_n$ hat die Seitenlänge ${ \frac{ L }{ 2^n } }$ und den Umfang ${ \frac{ 4L }{ 2^n } }$, und es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Q_n }
{ \subseteq} { U { \left( a,{ \frac{ 2 L }{ 2^n } } \right) } }
{ \subseteq} { U { \left( a, \delta \right) } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist auf alle Punkte $z$ aus $Q_n$ und insbesondere auf seinen Rand die Abschätzung für $r(z)$ anwendbar. Daher ist \zusatzklammer {die Wegintegrale zu den beiden vorderen Summanden \mathkor {} {f(a)} {und} {s (z-a)} {} sind nach Korollar 12.12 gleich $0$, da sie eine Stammfunktion besitzen} {} {}
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ \betrag { \int_{\gamma_n} f(z) dz } }
{ =} { \betrag { \int_{\gamma_n} f(a) + s (z-a) + r(z) (z-a) dz } }
{ =} { \betrag { \int_{\gamma_n} r(z ) ( z -a) dz } }
{ =} { \betrag { \int_{I_n} r( \gamma_n(t) ) ( \gamma_n(t) -a) \gamma'_n(t) dt } }
{ \leq} { \int_{I_n} \betrag { r( \gamma_n(t) ) ( \gamma_n(t) -a) \gamma'_n(t) } dt }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ \leq} { \int_{I_n} { \frac{ \epsilon }{ 8L^2 } } \cdot { \frac{ 2 L }{ 2^n } } dt }
{ =} { { \frac{ 4L }{ 2^n } } \cdot { \frac{ \epsilon }{ 8L^2 } } \cdot { \frac{ 2 L }{ 2^n } } }
{ =} { { \frac{ \epsilon }{ 4^n } } }
{ } {}
} {}{.} Es folgt
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ \betrag { \int_{\gamma} fdz } }
{ \leq} { 4^n \cdot \betrag { \int_{\gamma_{n} } fdz } }
{ =} { 4^n \cdot { \frac{ \epsilon }{ 4^n } } }
{ =} { \epsilon }
{ } { }
} {} {}{.}

}


\inputfaktbeweis
{Lemma von Goursat/Dreieckversion/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{,} \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion, sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ D }
{ \subseteq }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Dreieck, und sei \maabbdisp {\gamma} {I} {D } {} der stetige, stückweise lineare Weg, der den Rand von $D$ gleichmäßig durchläuft.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma fdz }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{Dies wird ähnlich wie Satz 13.1 bewiesen.}


Die folgenden Sätze nennt man Integralsatz von Cauchy \zusatzklammer {für sternförmige Mengen, für Kreisscheiben} {} {.}





\inputfaktbeweis
{Integralsatz von Cauchy/Sternförmig/Stammform/Geschlossener Weg/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {sternförmige}{}{} \definitionsverweis {offene Menge}{}{,} \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion und sei \maabb {\gamma} {[a,b]} { U } {} ein stetig differenzierbarer geschlossener Weg.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma fdz }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Ohne Einschränkung sei $U$ sternförmig bezüglich des Punktes $0$. Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definieren wir
\mathl{\varphi(Q)}{} über das \definitionsverweis {Wegintegral}{}{} zur Differentialform $fdz$ zum linearen Verbindungsweg von $0$ nach $Q$, den wir mit
\mathl{[0,Q]}{} bezeichnen \zusatzklammer {die Durchlaufgeschwindigkeit ist irrelevant} {} {,} also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi (Q) }
{ \defeq} { \int_{[0,Q]} fdz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. Für eine hinreichend kleine Kreisscheibenumgebung
\mathl{B \left( P,r \right)}{} \zusatzklammer {in $U$} {} {} von $P$ ist für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q }
{ \in }{ B \left( P,r \right) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} das Dreieck mit den Ecken
\mathl{0,P,Q}{} ganz in $U$ und wegen Satz 13.2 gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(Q) }
{ =} { \varphi(P) + \int_{[P,Q]} fdz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wir betrachten den \definitionsverweis {Differenzenquotienten}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \psi(Q) }
{ =} { { \frac{ \varphi(Q)- \varphi(P) }{ Q-P } } }
{ =} { { \frac{ \int_{[P,Q]} fdz }{ Q-P } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Unter Verwendung von Lemma 12.10 ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \betrag { \psi(Q) -f(P) } }
{ =} { \betrag { { \frac{ \int_{[P,Q]} fdz }{ Q-P } } - f(P) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ \betrag { Q-P } } } \betrag { \int_{[P,Q]} fdz -f(P) (Q-P) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ \betrag { Q-P } } } \betrag { \int_{[P,Q]} ( fdz -f(P) ) } }
{ \leq} { { \frac{ 1 }{ \betrag { Q-P } } } \Vert {f-f(P)} \Vert_{[P,Q]} \cdot \betrag { Q-P } }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ \leq} { \Vert {f-f(P)} \Vert_{B \left( P,r \right) } }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.} Wegen der Stetigkeit von $f$ folgt, dass der Funktionslimes von $\psi(Q)$ für $Q \rightarrow P$ gleich $f(P)$ ist. D.h., dass der Differentialquotient existiert und somit ist $\varphi$ komplex differenzierbar. Die Aussage folgt daher aus Korollar 12.12.

}





\inputfaktbeweis
{Integralsatz von Cauchy/Kreisscheibe/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{,} \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ B \left( P,r \right) }
{ \subseteq }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {abgeschlossene Kreisscheibe}{}{} und es sei \maabbdisp {\gamma} {I} {B } {} der stetige Weg, der den Rand von $B$ gleichmäßig durchläuft.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma fdz }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies ist ein Spezialfall von Satz 13.3 unter Berücksichtigung von Aufgabe 13.2.

}





\inputfaktbeweis
{Integralsatz von Cauchy/Nichtkonzentrische Kreisringe/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P,Q }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und seien Radien $r,s$ gegeben mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ B \left( P,r \right) }
{ \subseteq }{ B \left( Q,s \right) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{,} die
\mathl{B \left( Q,s \right) \setminus U { \left( P,r \right) }}{} umfasst. Es sei \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion.}
\faktfolgerung {Dann gilt für die gegen den Uhrzeigersinn durchlaufenen Randwege \mathkor {} {\gamma} {bzw.} {\delta} {} der beiden Kreise die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma fdz }
{ =} { \int_\delta fdz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Man kann die beiden ineinander liegenden Kreisränder durch eine endliche Familie von Geradenstücken verbinden \zusatzklammer {beispielsweise vom kleinen Kreis radial nach außen} {} {} derart, dass benachbarte Geradenstücke mit den anliegenden Kreisbögen eine sternförmige Menge bilden \zusatzklammer {und auch in einer offenen sternförmigen Menge innerhalb von $U$ liegen} {} {.} Nach Satz 13.3 ist das Wegintegral über einen solchen \zusatzklammer {gegen den Uhrzeigersinn durchlaufenen} {} {} Weg gleich $0$. Aufsummieren dieser Wegintegrale ergibt die Behauptung, da dabei die Geradenstücke insgesamt in beide Richtungen einmal durchlaufen werden.

}





\inputbeispiel{}
{

Für die \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{}
\mathl{{ \frac{ dz }{ z } }}{} auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ = }{ {\mathbb C} \setminus \{0\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} kann man Korollar 13.5 für jeden einfach gegen den Uhrzeigersinn durchlaufenen Kreis $\gamma$ anwenden, der $0$ umrundet, und erhält
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma { \frac{ dz }{ z } } }
{ =} { 2 \pi { \mathrm i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Beispiel 12.6. Siehe auch Aufgabe 13.4.


}






\zwischenueberschrift{Die Integralformel von Cauchy}

Das Erstaunliche an der folgenden Aussage, der Integralformel von Cauchy, ist, dass man den Wert einer komplexe differenzierbaren Funktion $f$ in einem Punkt $a$ bestimmen kann, indem man das Wegintegral zu
\mathl{{ \frac{ f(z) }{ z-a } }}{} über einen Kreisweg auswertet, der gar nicht durch $a$ läuft.





\inputfaktbeweis
{Integralformel/Cauchy/Kreisscheibe/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Menge}{}{,} \maabb {f} {U} { {\mathbb C} } {} eine \definitionsverweis {komplex differenzierbare}{}{} Funktion. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ B \left( P,r \right) }
{ \subseteq }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {abgeschlossene Kreisscheibe}{}{} und es sei \maabbdisp {\gamma} {I} {B } {} der stetige Weg, der den Rand von $B$ gleichmäßig durchläuft. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ U { \left( P,r \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(a) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 \pi { \mathrm i} } } \int_\gamma { \frac{ f(z) }{ z-a } } dz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ B \left( a,s \right) }
{ \subseteq} { B \left( P,r \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist. Die Funktion
\mathl{{ \frac{ f(z) }{ z-a } }}{} ist dann auf $U \setminus \{a\}$ definiert und holomorph. Wir können daher Korollar 13.5 anwenden und erhalten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\int_\gamma { \frac{ f(z) }{ z-a } } dz }
{ =} { \int_{\delta_s} { \frac{ f(z) }{ z-a } } dz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei $\delta_s$ der Kreisweg um $a$ mit Radius $s$ sei. Man beachte, dass diese Gleichung für jedes positive hinreichend kleine $s$ gilt, und insbesondere der Term rechts unabhängig von einem solchen $s$ ist. Wir schreiben
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_{\delta_s} { \frac{ f(z) }{ z-a } } dz }
{ =} { \int_{\delta_s} { \frac{ f(z)-f(a) }{ z-a } } dz + \int_{\delta_s} { \frac{ f(a) }{ z-a } } dz }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Der Differenzenquotient
\mathl{{ \frac{ f(z)-f(a) }{ z-a } }}{} konvergiert für $s$ gegen $0$ gegen die Ableitung $f'(a)$. Insbesondere ist dieser Term beschränkt in einer Umgebung von $a$ und daher konvergiert das linke Integral auf der rechten Seite nach Lemma 12.10 gegen $0$, da ja die Länge des Weges beliebig klein wird. Das rechte Integral auf der linken Seite ist unabhängig von $s$ wegen Beispiel 12.6 gleich
\mathl{2 \pi { \mathrm i} f(a)}{.}

}