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実変数複素数値関数の微積分

ドキュメント内 複素関数論 (ページ 40-43)

4 線積分とコーシーの積分定理

複素関数の曲線に沿っての積分(線積分)を定義し,正則関数の閉曲線に沿っての積分 が 0 になるというコーシーの積分定理を証明する.

を得る.これより α̸= 0 ならば任意の c, d∈R に対して

d c

eαtdt = [1

αeαt ]d

c

= 1

α(eαd−eαc) が成立する.

命題 4.1 f(z) を C の開集合 D で定義された複素関数として,u(x, y) = Ref(x+iy), v(x, y) = Imf(x+iy) とおく.u(x, y) と v(x, y) は DC1 級であるとする.y を固定 して f(x+iy) を実変数 x の複素数値関数とみなすと,

∂xf(x+iy) =

∂xu(x, y) +i

∂xv(x, y) =ux(x, y) +ivx(x, y), x を固定して f(x+iy) を実変数 y の複素数値関数とみなすと,

∂yf(x+iy) =

∂yu(x, y) +i

∂yv(x, y) =uy(x, y) +ivy(x, y) となる.このとき Cauchy-Riemannの方程式は

∂xf(x+iy) +i

∂yf(x+iy) = 0 と同値である.

証明: fxfyuv の偏導関数を用いて表すと

∂xf(x+iy) +i

∂yf(x+iy) =ux(x, y) +ivx(x, y) +i{uy(x, y) +ivy(x, y)}

=ux(x, y)−vy(x, y) +i{uy(x, y) +vx(x, y)}

となり,この式の実部と虚部が共に 0となることが Cauchy-Riemannの方程式である.□ 例 4.2 αβ を複素数の定数として f(z) =αz+βz が C で正則になるための条件を考 察しよう.

∂xf(x+iy) =α

∂x(x+iy) +β

∂x(x−iy) =α+β,

∂yf(x+iy) =α

∂y(x+iy) +β

∂y(x−iy) =iα−iβ より

∂xf(x+iy) +i

∂yf(x+iy) = (α+β) + (−α+β) = 2β よって f(z) が正則となるための条件は β = 0 である.

補題 4.1 f(t) を区間 [a, b] で定義された連続な複素数値関数,h(s) を区間 [c, d] で定義 された実数値の単調増加な C1級関数でh(c) =ah(d) =b を満たすものとすると,

b a

f(t)dt=

d c

f(h(s))h(s)ds

が成立する.また,h(s) が単調減少で h(c) =b, h(d) =a を満たせば

b a

f(t)dt=

d c

f(h(s))h(s)ds が成立する.

証明: f(t) =u(t) +iv(t) (u(t), v(t) は実数値)として u(t), v(t) について置換積分の公式 を適用すればよい.□

補題 4.2 f(t) を区間 [a, b] で定義された複素数値関数とすると ∫ b

a

f(t)dt

b a

|f(t)|dt が成立する.

証明: α=

b a

f(t)dt とおく.α= 0 ならば補題の不等式は成立するから α̸= 0 としてよ い.このとき θ= argα とおくと,α =|α|e より eα= |α| は実数であるから,

b a

f(t)dt

=|α| = eα=

b a

ef(t)dt= Re (∫ b

a

ef(t)dt )

=

b a

Re (

ef(t)) dt

b a

ef(t) dt=

b a

|f(t)| dt

命題 4.2 f(z) を C の開集合 D で定義された正則関数,φ(t) を区間 [a, b] で定義された 微分可能関数(t = a, b では片側微分可能とする)で任意の t [a, b] に対して φ(t) D をみたすものとする.このとき d

dtf(φ(t)) = f(φ(t))φ(t) が任意の t∈[a, b] について成 立する.

証明: u(x, y) = Ref(x+iy), v(x, y) = Imf(x+iy), φ1(t) = Reφ(t), φ2(t) = Imφ(t) と おくと合成関数の微分の公式とCauchy-Riemannの方程式より

d

dtf(φ(t)) = d

dtu(φ1(t), φ2(t)) +i d

dtv(φ1(t), φ2(t))

=ux(φ1(t), φ2(t))φ1(t) +uy(φ1(t), φ2(t))φ2(t) +ivx(φ1(t), φ2(t))φ1(t) +ivy(φ1(t), φ2(t))φ2(t)

=ux(φ1(t), φ2(t))φ1(t)−vx(φ1(t), φ2(t))φ2(t) +ivx(φ1(t), φ2(t))φ1(t) +iux(φ1(t), φ2(t))φ2(t)

={ux(φ1(t), φ2(t)) +ivx(φ1(t), φ2(t))} {φ1(t) +2(t)}

=f(φ(t))φ(t)

4.3 nを自然数として f(z) =zn とおく.g(z) =zn は Cで正則で,f(z) =g(z) とな る.φ(x, y) =x−iy を実変数 x (または y)の関数とみなして命題4.2を適用すると,

∂xf(x+iy) =

∂xg(φ(x, y)) =g(φ(x, y))

∂xφ(x, y) =g(x−iy)

∂x(x−iy) =g(x−iy),

∂yf(x+iy) =

∂yg(φ(x, y)) =g(φ(x, y))

∂yφ(x, y) =g(x−iy)

∂y(x−iy) =−ig(x−iy) よって f に対する Cauchy-Riemannの方程式は

0 =

∂xf(x+iy) +i

∂yf(x+iy) = 2g(x−iy) = 2n(x−iy)n1= 2nzn1

となる.これは n = 1 ならば成立しない.n 2 ならば z = 0 のときのみ成立する.以 上により f(z) =znn= 1 ならばどの点でも複素微分不能であり,n≥2 ならば z = 0 でのみ複素微分可能であることがわかった.

問題 4.1 α, β を複素数の定数,z = x+iy (x, y R)とするとき,

f(z) =ex(αcosy+βsiny)

が C で正則となるためのα, β に対する必要十分条件を求めよ.また,そのとき f(z) と f(z) を z で表せ.

問題 4.2 α,β, γ を複素数の定数とするとき,f(z) =αz2+βzz+γz2 が Cで正則となる ための α, β, γ に対する必要十分条件を求めよ.また,そのときf(z) と f(z) を求めよ.

問題 4.3 t を実数の変数として F(t) = exp(eit) とおく.

(1) F(t) を求めよ.

(2)

π 0

exp(eit)eitdt の値を求めよ.

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