EXAMENSKURS ANALYSIS, FUNKTIONENTHEORIE, KURZE L ...
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<strong>EXAMENSKURS</strong> <strong>ANALYSIS</strong>, <strong>FUNKTIONENTHEORIE</strong>, <strong>KURZE</strong> LÖSUNGEN<br />
ANTONELLA PERUCCA, SOMMERSEMESTER 2012<br />
Literatur<br />
• K. Jänich, Funktionentheorie (essenziell, der beste Inhalt, insbesondere für die berühmte<br />
Sätze und Anwendungen des Residuensatzes)<br />
• K.Fritzsche, Grundkurs Funktionentheorie (einfach, daher vielleicht gut um anzufangen)<br />
• W. Fischer, I. Lieb, Funktionentheorie<br />
• E. Freitag, R. Busam, Funktionentheorie<br />
• R. Remmert, G. Schumacher, Funktionentheorie I<br />
• S. Lang, Complex Analysis<br />
• A. Herz, Repetitorium Funktionentheorie (zu viele trivialen Bemerkungen sind in der Theoriesammlung<br />
präsentiert, die Übungen sind manchmal zu einfach aber trotzdem für das<br />
Staatexaamen nützlich)<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Literatur 1<br />
Herbst 2008 Funktionentheorie 2<br />
08HI Aufgabe 1 2<br />
08HI Aufgabe 2 3<br />
08HI3 3<br />
08HII3 4<br />
08HII4 4<br />
08HII5 5<br />
08HIII4 5<br />
08HIII5 6<br />
Frühling 2008 Funktionentheorie 7<br />
08FI Aufgabe 3 7<br />
08FI Aufgabe 4 7<br />
08FI Aufgabe 5 8<br />
08FII Aufgabe 3 8<br />
08FII Aufgabe 4 9<br />
08FII Aufgabe 5 10<br />
08FIII Aufgabe 1 11<br />
08FIII Aufgabe 2 12<br />
08FIII Aufgabe 3 12<br />
Frühling 2009 Funktionentheorie 13<br />
09FI Aufgabe 1 13<br />
09FI Aufgabe 2 13<br />
1
09FI Aufgabe 3 13<br />
09FII Aufgabe 3 14<br />
09FII Aufgabe 4 14<br />
09FII Aufgabe 5 15<br />
09FIII Aufgabe 4 15<br />
09FIII Aufgabe 5 16<br />
Herbst 2010 Funktionentheorie 17<br />
10HI Aufgabe 3 17<br />
10HI Aufgabe 4 17<br />
10HI Aufgabe 5 17<br />
10HII Aufgabe 1 17<br />
10HII Aufgabe 2 18<br />
10HII Aufgabe 3 18<br />
10HIII Aufgabe 1 19<br />
10HIII Aufgabe 2 19<br />
Herbst 2008 Funktionentheorie<br />
08HI Aufgabe 1. (Singularität, Residuumskalkül)<br />
LÖSUNG i):<br />
• Der Nenner hat in a = i eine einfache Nullstelle: z 2 + 1 = (z + i)(z − i)<br />
• Der Zähler hat in a = i eine einfache Nullstelle: i 3 − 5i + 6i = 0 so (z − i) | z 3 − 5z + 6i;<br />
Polynomdivision: z 3 − 5z + 6i = (z − i)(z 2 + iz − 6) wobei i 2 + ii − 6 = 0.<br />
• Dann ist die Singularität hebbar (wegen der Laurentreihenentwicklung).<br />
• Grenzwert: (z2 +iz−6)(z−i)<br />
(z+i)(z−i)<br />
LÖSUNG ii):<br />
= z2 +iz−6<br />
z+i<br />
in a = i, das ist −8<br />
2i<br />
= 4i.<br />
• Der Nenner hat eine einfache Nullstelle in a = 2πi:<br />
exp(2πi)−1 = 1−1 = 0 aber (exp(z)−1) ′ = exp(z) und exp(2πi) = 1 = 0. (Man kann auch<br />
so argumentieren: die Laurentreihenentwicklung für exp(z) in 0 ist ∞ n=0 zn<br />
z2<br />
n! = 1+z+ 2 . . .,<br />
also eine einfache Nullstelle für exp(z) − 1 in z = 0.) Weil exp periodisch mit Periode 2πi<br />
ist, gilt dasselbe für a = 2πi.<br />
• Der Zähler hat keine Nullstelle in a = 2πi.<br />
• Daher Pol der Ordnung 1 (wegen der Laurentreihenentwicklung).<br />
• Der Hauptteil ist c−1z−1 1<br />
, wobei c−1 das Residuum in a ist. Dies ist (exp(z)−1) ′ = 1<br />
exp(z) in<br />
a = 2πi. Der Hauptteil ist daher z−1 .<br />
LÖSUNG iii):<br />
• Es gibt keinen Grenzwert für cos( 1<br />
z ) für z → 0 weil dasselbe für cos(x) wobei x ∈ R, x → ∞<br />
gilt. Daher ist die Singularität nicht hebbar.<br />
• Wir haben | cos( 1<br />
z )| → ∞ für z → 0 weil | cos(x)| → ∞ wobei x ∈ R, x → ∞. Daher ist die<br />
Singularität kein Pol.
• cos(z) = ∞ (−1)<br />
k=0<br />
k<br />
(2k)! z2k , also cos( 1<br />
z ) = ∞ (−1)<br />
k=0<br />
k<br />
(2k)! z−2k .<br />
• Daher ist der Hauptteil −1<br />
n=−∞ cnz n wobei cn = 0 für n ungerade und cn = (−1)n/2<br />
(−n)! für n<br />
gerade.<br />
08HI Aufgabe 2. (Residuensatz, Null- und Polstellen zählendes Integral)<br />
LÖSUNG i):<br />
• Für r gross genug (sagen wir r ≥ r0) gibt es T ∈ C mit |p(z)| ≤ T |z| m und s ∈ C mit<br />
s|z| n ≤ |q(z)|. Daher max | p(z) T<br />
q(z) | ≤ s |z|m−n .<br />
• Für r ≥ r0 gibt es die Abschätzung<br />
| 1<br />
<br />
<br />
p(z) 1<br />
dz| ≤<br />
2πi q(z) 2πi<br />
δBr(0)<br />
δBr(0)<br />
• Weil 2πi T<br />
s r−1 → 0 für r → ∞, ist limr→∞ | 1<br />
2πi<br />
LÖSUNG ii):<br />
• Bemerke, p(z)<br />
q(z)<br />
| p(z) T<br />
|dz ≤ 2πir<br />
q(z) s rm−n ≤ 2πi T<br />
<br />
δBr(0)<br />
p(z)<br />
q(z) dz| = 0.<br />
hat keinen Pol ausserhalb von Br(0).<br />
Nach dem Residuensatz über Bt(0) \ Br(0), p(z) <br />
δBr(0) q(z) dz = δBt(0) <br />
• Nach (i), 1<br />
2πi<br />
δBr(0)<br />
p(z)<br />
q(z) dz = 0.<br />
s r−1<br />
<br />
1<br />
• Nach dem Satz vom Null- und Polstellen zählenden Integral, ist 2πi δBr(0)<br />
zahl von Nullstellen minus die Anzahl von Polen von q(z) in Br(0).<br />
• Bemerke, q(z) hat keinen Pol in Br(0) und n Nullstellen in Br(0).<br />
<br />
1<br />
q<br />
• Daher 2πi<br />
′ (z)<br />
q(z) dz = n.<br />
δBr(0)<br />
p(z)<br />
q(z) dz für alle t ≥ 0.<br />
q ′ (z)<br />
q(z) dz die An-<br />
• q ′ (z) = nbnz n−1 + . . . und p(z) = an−1<br />
nbn q′ (z) + g(z) mit g Polynom, deg(g) < n − 1.<br />
• Nach (iii),<br />
<br />
1<br />
2πi δBr(0)<br />
an−1<br />
nbn q′ (z)<br />
dz =<br />
q(z)<br />
1<br />
2πi<br />
<br />
δBr(0)<br />
an−1<br />
nbn<br />
q ′ (z) an−1<br />
dz =<br />
q(z) bn<br />
.<br />
• Bemerke, deg(g) ≤ deg(q) − 2 und alle Nullstellen von q(z) sind in Br(0) enthalten. Nach<br />
(ii),<br />
08HI3. (Stammfunktion)<br />
<br />
1 g(z)<br />
= 0<br />
2πi δBr(0) q(z)<br />
LÖSUNG:<br />
IDEE: f(z) = g′ (z)<br />
g(z) , g′ (z) = f(z)g(z), g(z) = e F (z) mit F Stammfunktion von f.<br />
• Sei z0 ∈ G \ A und g(z) = exp( <br />
γ f(t)dt) wobei γ ein stetiger Weg in G \ A von z0 bis z ist.
• Nicht abhängig von der Wahl des Weges:<br />
Seien γ, γ ′ Wege. Dann <br />
γ ′ f(t)dt − <br />
f(t)dt ist das Integral von f über den geschlossenen<br />
γ<br />
Weg in G \ A γ ′ (γ) −1 . Nach dem Residuensatz, <br />
2πiZ, wobei νa die Umlaufszahl von γ in a ist. Dann<br />
exp( <br />
γ ′ f(t)dt)<br />
exp( <br />
<br />
<br />
= exp( f(t)dt − f(t)dt) = exp( f(t)dt) = 1<br />
f(t)dt)<br />
γ<br />
γ ′<br />
γ ′<br />
γ ′ (γ) −1 f(t)dt = 2πi <br />
z∈A νaResa(f) ∈<br />
γ ′ (γ) −1<br />
• Sei w ∈ G \ A. Wir wollen beweisen dass g in w holomorph ist und f(w) = g′ (w)<br />
g(w) . Sei der<br />
Konvergenzradius in w von f, R > ɛ. Sei z ∈ Bw(ɛ) ⊆ G \ A.<br />
• Dann g(z) = g(w) exp( <br />
γz f(t)dt) wobei γz ein stetiger Weg von w bis z ist.<br />
• Dann hat f in Bw(ɛ) eine Stammfunktion (siehe Stammfunktion konvergenter Laurentreihen).<br />
Wir wissen <br />
f(t)dt ist so eine Stammfunktion.<br />
γz<br />
• Weil <br />
γz f(t)dt eine Stammfunktion von f in Bw(ɛ) ist, ist es insbesondere holomorph in w<br />
mit Ableitung f(w).<br />
• Wir haben g(w) konstant. Daher ist g(z) in w holomorph, mit Ableitung g ′ (w) = g(w)f(w).<br />
08HII3. (Fundamentalsatz der Algebra)<br />
LÖSUNG a):<br />
• Nach dem Fundamentalsatz der Algebra, P (z) = c n<br />
j=1 (z − ζj) mit c ∈ C.<br />
• P ′ (z)<br />
P (z) = (log P (z))′ = (log c + n<br />
j=1 log(z − ζj)) ′ = n<br />
j=1<br />
1<br />
z−ζj = n j=1<br />
z−ζj<br />
|z−ζj| 2<br />
LÖSUNG b):<br />
• Die Eigenschaft ist trivial für ζ = ζj wobei j = 1, . . . , n. Also sei ζ = ζj, mit P ′ (ζ) = 0.<br />
• 0 = P ′ (ζ)<br />
P (ζ) = n ζ−ζj<br />
j=1 |ζ−ζj| 2 gibt<br />
.<br />
• Setze λ := n<br />
ζ ·<br />
n<br />
j=1<br />
1<br />
=<br />
|ζ − ζj| 2<br />
n<br />
j=1<br />
1<br />
j=1 |ζ−ζj| 2 . Wir haben λ ∈ R>0.<br />
−1 1<br />
1<br />
ζj<br />
|ζ − ζj| 2<br />
• Setze λj := λ |ζ−ζj| 2 . Dann ist <br />
j λj = 1 und λj ∈ R > 0.<br />
• Dann ζ · n 1<br />
j=1 |ζ−ζj| 2 = n 1<br />
j=1 |ζ−ζj| 2 ζj sagt ζ = <br />
j λjζj.<br />
08HII4. (Residuensatz)<br />
LÖSUNG:<br />
1 • z4 +1 hat keinen Pol auf R und verschwindet mindestens zweiter Ordnung (vierter Ordnung).<br />
Dann ist das Integral 2πi die Summe der Residuen in der obenen Halbebene, nach dem<br />
Residuensatz.<br />
• z4 +1 hat Nullstellen in e t<br />
8 2πi mit t = 1, 3, 5, 7 und t = 1, 3 sind die in der obenen Halbebene.<br />
Sie sind einfache Nullstellen der Nenner. Daher ist das Residuum gleich 1<br />
4z3 in dem Punkt.<br />
• Res 1 2πi = −<br />
e 8 e 1 8 2πi<br />
4 und Res 3 2πi = −<br />
e 8 e 3 8 2πi<br />
4 Dann ist das erste Integral gleich π √ .<br />
2
• Die Funktion im zweiten Integral hat kein Pol auf R und zweiter Ordnung verschwindet.<br />
Dann ist das Integral 2πi die Summe der Residuen in der obenen Halbebene, beim Residuensatz.<br />
z • Bei der Partialbruchzerlegung ist<br />
4 −z 2<br />
z6 +z4 +z2 1<br />
+1 = z2 1<br />
+1 − z4 +1 .<br />
1<br />
• Die Funktion z2 +1 hat keinen Pol in R und verschwindet zweiter Ordnung. Daher ist das<br />
Integral 2πi die Summe der Residuen in der oberen Halbebene, nach dem Residuensatz.<br />
• z2 + 1 hat ±i als Nullstellen, und i ist die einzige in der oberen Halbebene. Das ist eine<br />
einfache Nullstelle. Also ist das Residuum 1<br />
1<br />
2z in z = i. Das ist 2i . Daher ist das Integral<br />
gleich π.<br />
• Zusammenfassung: Das Integral ist π − ( π √ 2 ) = π(1 − 1 √ 2 ).<br />
08HII5. (Rouché)<br />
LÖSUNG a):<br />
• z 4 und 6z + 3 sind auf C holomorph; δB2 (üblicher Weg) ist ein Zykel der B2 berandet. Wir<br />
haben |6z + 3| < |z 4 | auf δB2<br />
• Nach dem Satz von Rouché haben p(z) und z 4 dieselbe Anzahl von Nullstellen in B2, d.h.<br />
4 Nullstellen.<br />
• Nach dem Fundamentalsatz der Algebra hat p(z) 4 Nullstellen in C. Daher sind sie alle in<br />
B2 enthalten.<br />
LÖSUNG b):<br />
• z 4 + 3 und 6z sind auf C holomorph; δB1 (üblicher Weg) ist ein Zykel der B1 berandet.<br />
Wir haben |z 4 + 3| < |6z| auf δB1<br />
• Nach dem Satz von Rouché haben p(z) und 6z + 3 die selbe Anzahl von Nullstellen in B1,<br />
d.h. 1 Nullstelle.<br />
LÖSUNG c):<br />
• p(z) hat reelle Koeffizienten, also p(z) = p(z).<br />
• Daher sind die Nullstellen reell oder konjugiert-komplexes Paar.<br />
• Weil p(−1) < 0 und p(0) > 0 hat p auf R mindestens eine Nullstelle.<br />
• Weil p ′ (x) nur eine reelle Nullstelle hat (p ′ (x) = 4x3 + 6 = 0, x = − 3<br />
<br />
3<br />
2<br />
) hat p(x) nach dem<br />
Mittelwertsatz höchstens zwei verschiedene reelle Nullstellen.<br />
• Daher sind die Nullstellen genau 2 auf R, eine in der oberen Halbebene und eine in der<br />
unteren Halbebene.<br />
• Doppelte Nullstellen können nur in R liegen (siehe Anzahl). Aber p(x) = p ′ (x) = 0 hat<br />
keine reelle Lösung auf R also keine doppelte Nullstelle.<br />
08HIII4. (Cauchy-Produkt, Binomialreihe)<br />
LÖSUNG a):<br />
• F (z) 2 = ∞ n=0 bn wobei bn = n k=0 ckcn−k nach dem Cauchy-Produkt.<br />
• Das ist n−1 k=1 ckcn−k weil c0 = 0.<br />
• z = ∞ n=0 an und an = 0 für n = 1, a1 = 1.
• Dann für n = 2 gilt die Gleichung weil cn = n−1 k=1 ckcn−k = an + bn.<br />
• Für n = 0 ist b0 = 0 k=0 ckcn−k = 0 = a0 + c0.<br />
• Für n = 1 ist b1 = c0c1 + c1c0 = 0, also c1 = 1 = a1 + b1.<br />
LÖSUNG b):<br />
• F (z) = z + F (z) 2 gibt x2 − x − z = 0 wobei x = F (z). Daher x = 1±√1−4z 2 .<br />
• c0 = 0 gibt F (z) = 1−√1−4z 2 .<br />
• Der Konvergenzradius von F ist derselbe wie der von √ 1 − 4z, und das ist 1<br />
4<br />
08HIII5. (Casorati-Weierstrass)<br />
, Binomialreihe.<br />
LÖSUNG:<br />
• Kein Grenzwert für f in z = 0 weil es zwei Folgen un und vn gibt mit Häufungspunkt 0<br />
aber mit verschiedenen Grenzwerte für f(un), f(vn). Also keine hebbare Singularität.<br />
• |f(z)| geht nicht nach ∞ in z = 0, weil es auf einer Folge mit Häufungspunkt 0 nach 0 geht.<br />
Also kein Pol.<br />
• Daher ist die Singularität wesentlich.<br />
• Nach dem Satz von Casorati-Weierstrass ist f(B 1<br />
n<br />
(0) \ {0}) für alle n > 0 in C dicht, also<br />
gibt es inB 1<br />
n (0) \ {0} einen Punkt zn mit |f(zn) − e π | ≤ 1<br />
n . Daher strebt f(zn) → e π .<br />
• sin 2 ( π<br />
2z<br />
) ist holomorph auf C \ {0};<br />
sin 2 ( π<br />
2 1<br />
2n<br />
) = sin 2 (πn) = 0 sin 2 ( π<br />
2 1<br />
2n+1<br />
) = sin 2 (πn + π<br />
) = 1<br />
2
Frühling 2008 Funktionentheorie<br />
08FI Aufgabe 3. (Singularität, Laurententwicklung, Residuensatz)<br />
LÖSUNG a):<br />
1 ist wesentlich, zwei Folgen mit Häufungspunkt 1 und verschiedenen endlichen Grenzwerten<br />
un = 1 + 1<br />
nπ mit f(un) = 0<br />
vn =<br />
<br />
1 +<br />
1<br />
2nπ+π/2 mit f(vn) = 1<br />
−1 ist wesentlich, zwei Folgen mit Häufungspunkt −1 und verschiedenen endlichen Grenzwerten<br />
un = − 1 + 1<br />
nπ mit f(un) = 0<br />
<br />
1<br />
vn = − 1 + 2nπ+π/2 mit f(vn) = 1<br />
LÖSUNG b):<br />
f(z) = f(−z)<br />
Sei U eine Umgebung von 1. Auf U \ {1} und −U \ {−1} konvergieren die Reihen:<br />
f(−z) =<br />
∞<br />
j=−∞<br />
f(z) =<br />
bj((−z) + 1) j =<br />
∞<br />
j=−∞<br />
∞<br />
j=−∞<br />
aj(z − 1) j<br />
bj(−(z − 1)) j =<br />
∞<br />
j=−∞<br />
Also ∞<br />
j=−∞ aj(z − 1) j = ∞<br />
j=−∞ bj(−1) j (z − 1) j für alle z ∈ U<br />
Wegen der Eindeutigkeit der Laurentreihenentwicklung, bj = (−1) j aj.<br />
LÖSUNG c):<br />
Nach dem Residuensatz ist das Integral 2πiRes1 + 2πiRes−1<br />
Res1 = a−1 = −b−1 = −Res−1<br />
Daher <br />
|z|=2<br />
f(z)dz = 0<br />
08FI Aufgabe 4. (Rouché)<br />
Rouché g(z) = z5 − 1, h(z) = − 1<br />
2ez , g, h : C → C<br />
g hat 2 einfache Nullstellen in H, e 2<br />
5 2πi und e 3<br />
5 2πi<br />
Probieren wir |h(z)| < |g(z)|:<br />
|h(z)| = 1<br />
2 eℜ(z) ≤ 1<br />
2 auf ¯ H<br />
|g(z)| > 1<br />
2 für |z| ≥ 2 (|z5 | ≥ 32, |1| = 1 also |z 5 − 1| > 30)<br />
Auf iR = {iy}:<br />
bj(−1) j (z − 1) j<br />
|g(z)| = |(iy) 5 − 1| = |iy 5 − 1| = y 10 + 1 ≥ 1 > 1<br />
2<br />
Wir wählen als Zykeln: linker halb-Kreis mit Zentrum 0 und Radius r ≥ 2 und Stück von iR.<br />
Immer 2 Nullstellen (mit Vielfachen) in so einer Halb-Kreisscheibe, also auch auf H (mit r → ∞).
08FI Aufgabe 5. (Möbiustransformationen und Automorphismen der Einheitskreisscheibe,<br />
Singularität, Schwarzsches Lemma, Maximumprinzip, Gebietstreue)<br />
LÖSUNG a):<br />
Sei k > 0. Die Nullstellen von f ∈ R sind in E weil f(δE) ⊆ δE ∋ 0<br />
Falls 0 eine Nullstelle ist, nehmen wir q = idĒ. Sei 0 also keine Nullstelle, dann nehme q :<br />
stetig bijektiv so dass q(0) = z1:<br />
Ē ↦→ Ē<br />
q = z1 − z<br />
1 − ¯z1z<br />
(q |E ist ein Automorphism von E)<br />
q ist bijektiv daher hat f ◦ q noch k verschiedene Nullstellen<br />
Jetzt ist 0 eine Nullstelle. Sei m = ord0(f ◦ q). Dann ist 0 hebbare Singularität und keine Nullstelle<br />
mehr (man kann dass an der Potenzreihenentwicklung sehen). Es bleiben k − 1 verschiedene Nullstellen.<br />
∈ R.<br />
f1(δE) ⊆ δE weil q(δE) ⊆ δE, f(δE) ⊆ δE und |z| = 1 auf δE<br />
f ◦ q( Ē) ⊆ Ē weil f : Ē → Ē und q(Ē) = Ē<br />
f ◦ q(E) ⊆ E nach dem Maximumprinzip<br />
f ◦ q(0) = 0<br />
|f ◦ q| ≤ |z|, nach dem Schwarzschen Lemma<br />
Wir müssen noch beweisen dass f1 = f◦q(z)<br />
zm Daher f◦q<br />
z ist auch in R.<br />
Sei f◦q<br />
zn in R für 1 ≤ n < m. Wir beweisen f◦q<br />
zn+1 in R:<br />
f◦q<br />
zn (0) = 0 weil n < m.<br />
f◦q<br />
zn (E) ⊆ E weil ⊆ Ē (bei ∈ R) und wegen des Maximumprinzips<br />
| f◦q<br />
z n | ≤ |z|, nach dem Schwarzschen Lemma<br />
Daher f◦q<br />
z n+1 ist auch in R. Mit dieser Iteration, ist f◦q<br />
z m in R.<br />
LÖSUNG b):<br />
f(δE) ⊆ δE impliziert |f(z)| = 1 für alle z ∈ δE<br />
1<br />
f ist holomorph in E weil f keine Nullstelle hat<br />
1<br />
1<br />
f ist stetig auf Ē und f (δE) ⊆ δE<br />
| 1<br />
f (z)| = 1 auf δE<br />
Sei f nicht konstant. Dann auch 1<br />
f nicht konstant<br />
Nach dem Maximumprinzip sind max |f| und max | 1<br />
f<br />
| = min f auf δE<br />
Also max |f| = min |f| = 1<br />
f(E) ⊆ δ(E): Widerspruch zur Gebietstreue. Also f konstant<br />
08FII Aufgabe 3. (Korvengenzradius, Cauchys Integralformel)<br />
LÖSUNG a):<br />
Sei f holomorph in B1+a. Sei f(z) = <br />
n≥0 cnz n die Potenzreihenentwicklung in 0<br />
|cn| = | f n (0)<br />
n! | > 1<br />
n k
Der Konvergenzradius von f(z) ist dann kleiner als der von <br />
n≥1 1<br />
n k z n . Für z = α ∈ R, α > 1 kon-<br />
vergiert <br />
n≥1 1<br />
n k z n nicht, der Term 1<br />
n k α n geht nach ∞ (Extra Kommentar: weil e n log(α)−k log(n) →<br />
e ∞ ).<br />
Also ist der Konvergenzradius von f nun ≤ 1 < 1 + a, Widerspruch zu f auf B1+a holomorph.<br />
LÖSUNG b):<br />
f(z) = <br />
n≥0 cnz n die Potenzreihenentwicklung in 0<br />
Wir müssen (äquivalent) beweisen: |cn| = | f n (0)<br />
n! | ≤ 1<br />
r n (1−r)<br />
Konvergenzradius ≥ 1, dann Cauchy-Integralformel:<br />
cn = 1<br />
<br />
f(z)<br />
dz<br />
2π |z|=r zn+1 |cn| ≤ 1<br />
2π |<br />
<br />
|<br />
|z|=r<br />
f(z)<br />
<br />
<br />
1 |f(z)| 1<br />
|dz = |dz ≤<br />
zn+1 2π |z|=r rn+1 2π<br />
|z|=r<br />
1<br />
1<br />
dz =<br />
(1 − r)rn+1 rn (1 − r)<br />
Wir mussen (äquivalent) beweisen: |cn| = | f n (0)<br />
n! | ≤ e(n + 1)<br />
Die beste Abschätzung bekommen wir, wenn r n (1 − r) ist maximal, also falls die Ableitung 0 ist:<br />
nr n−1 − (n + 1)r n = 0 also r = n<br />
n+1 .<br />
|cn| ≤<br />
1<br />
( n<br />
n+1 )n (1 − n<br />
n+1<br />
) = (n + 1) ·<br />
08FII Aufgabe 4. (Residuenkalkul, Residuensatz)<br />
LÖSUNG a):<br />
1<br />
( n<br />
(n + 1)n<br />
= (n + 1) ·<br />
n+1<br />
)n nn = (n + 1) · (1 + 1<br />
n )n < (n + 1) · e<br />
z = e iθ über dem Kreis γ : [0, 2π) → S 1 θ ↦→ e iθ , also dz = ie iθ dθ dθ = (iz) −1 dz<br />
Int :=<br />
2π<br />
0<br />
2 + ei3θ +e −i3θ<br />
2<br />
2 + eiθ +e−iθ 2<br />
γ<br />
dθ =<br />
2π<br />
0<br />
2 + (eiθ ) 3 +(e iθ ) −3<br />
2<br />
2 + eiθ +(eiθ ) −1<br />
2<br />
<br />
dθ =<br />
γ<br />
2 + z3 +z −3<br />
2<br />
2 + z+z−1<br />
2<br />
<br />
4 + z<br />
=<br />
γ<br />
3 + z−3 (4 + z + z−1 <br />
4z<br />
dz =<br />
)(iz) γ<br />
3 + z6 + 1<br />
(4z + z2 + 1)(iz3 ) dz<br />
<br />
4z<br />
=<br />
3 + z6 + 1<br />
(z − (−2 + √ 3))(z − (−2 − √ 3))(iz3 ) dz<br />
Die Pole des Nenners innerhalb des Einheitskreises sind z = 0 und z = √ 3 − 2.<br />
· 1<br />
dz =<br />
iz<br />
1<br />
In z = 0, 4z+z2 +1 = 1 − 4z − z2 + 16z2 + O(z3 ) = 1 − 4z + 15z2 + O(z3 ) (geometrische Reihe<br />
mit x = −4z − z2 ).<br />
4z<br />
f(z) =<br />
3 + z6 + 1<br />
(4z + z2 + 1)(iz3 1<br />
=<br />
) z3 · (−i) · (4z3 + z 6 + 1)(1 − 4z + 15z 2 + O(z 3 ))<br />
Weil der Koeffizient von z2 in (4z3 + z6 + 1)(1 − 4z + 15z2 + O(z3 )) 15 ist, folgt:<br />
Res0(f) = −15i
In z = √ 3 − 2:<br />
f(z) =<br />
4z 3 + z 6 + 1<br />
(z − (−2 + √ 3))(z − (−2 − √ 3))(iz 3 ) =<br />
Das Residuum ist der Grenzwert von<br />
1<br />
4z 3 + z 6 + 1<br />
(z − (−2 + √ 3)) (z − (−2 − √ 3))(iz3 )<br />
4z 3 +z 6 +1<br />
(z−(−2− √ 3))(iz 3 ) in (√ 3 − 2), also:<br />
4( √ 3 − 2) 3 + ( √ 3 − 2) 6 + 1<br />
(( √ 3 − 2) − (−2 − √ 3))(i( √ 3 − 2) 3 ) = 4(√3 − 2) 3 + ( √ 3 − 2) 6 + 1<br />
2i √ 3( √ 3 − 2) 3<br />
= 8(26√3 − 45)<br />
i( √ 3 − 2) 3<br />
Nach dem Residuensatz, Int = 2πi(Res0(f) + Res√ 3−2 (f)) = 30π + 16π(26√3−45) ( √ 3−2) 3 .<br />
LÖSUNG b):<br />
Int := +∞<br />
−∞<br />
1<br />
1+x4 dx = <br />
γ<br />
1<br />
z 4 + 1 =<br />
1<br />
1+z 4 dz (wobei γ hat Bild R und γ ′ (z) = 1)<br />
1<br />
(z 2 + i)(z 2 − i) =<br />
1<br />
(z + e 1<br />
8 2πi )(z − e 1<br />
8 2πi )(z + e 3<br />
8 2πi )(z − e 3<br />
8 2πi )<br />
1<br />
(z − e 1<br />
8 2πi )(z − e 3<br />
8 2πi )(z − e 5<br />
8 2πi )(z − e 7<br />
8 2πi )<br />
Vier einfache Pole in den vier vierten Wurzeln von −1 (ζ8, ζ 3 8, ζ 5 8, ζ 7 8).<br />
In der oberen Halbebene liegen ζ8 und ζ 3 8, wobei ζ8 := e 1<br />
8 2πi .<br />
Residuum in ζ8: 1<br />
ζ 3 8<br />
Residuum in ζ 3 8: 1<br />
ζ 9 8<br />
1<br />
(1+1)(1−i)(1+i) = ζ5 8 1<br />
4<br />
1<br />
(1+1)(1−i)(1+i) = ζ7 8 1<br />
4<br />
1 5<br />
= 4e 8 2πi = −1−i<br />
4 √ 2<br />
= 1<br />
4<br />
e 7<br />
8 2πi = 1−i<br />
4 √ 2<br />
Direkter geht es mit Residuembestimmung bei einfachen Nennernullstellen:<br />
1<br />
Residuum in ζ8: 4z3 = 1 5<br />
4e 8 2πi = −1−i<br />
4 √ 2 Residuum in ζ3 1<br />
8: 4z3 = 1 7<br />
4e 8 2πi = 1−i<br />
4 √ 2<br />
Nach dem Residuensatz (Halbkreis mit Durchmesser auf der reellen Achse, weil keine Pole auf R<br />
und die Funktion mindestens zweiter Ordnung in ∞ verschwindet):<br />
Int = 2πi(Resζ8 + Resζ3 8 ) = π √<br />
2<br />
Bemerke: für diese Funktion sollte der Wert des Integrales in R>0 sein!<br />
08FII Aufgabe 5. (Potenreihenentwicklung, Exponentialreihe)<br />
LÖSUNG:<br />
a0 = f(0) = 1 a1 = f ′<br />
(0) = 1<br />
Die Differenzialgleichung gibt:<br />
z 2 ∞<br />
+ z − 1 = z n(n + 1)an+1z n−1 ∞<br />
− anz n ∞<br />
= (n(n + 1)an+1 − an)z n<br />
n=0<br />
n=0<br />
n=0
für n = 0: −a0 = −1 OK; für n = 1: 2a2 − a1 = 1 also a2 = 1; für n = 2: 6a3 − a2 = 1 also a3 = 1<br />
3 ;<br />
für n ≥ 3: n(n + 1)an+1 − an = 0, an+1 = an<br />
n(n+1)<br />
Daher<br />
Also<br />
a4 = a3<br />
3 · 4<br />
a5 =<br />
a3<br />
4 · 3 · 5 · 4<br />
f(z) = 1 + z + z 2 + 1<br />
3 z3 +<br />
∞<br />
n=4<br />
an = a3 · 2!3!<br />
(n − 1)! · n! =<br />
4<br />
(n − 1)!n! zn = 1 + z + z 2 +<br />
4<br />
(n − 1)! · n!<br />
∞<br />
n=3<br />
für n ≥ 4<br />
4<br />
(n − 1)!n! zn<br />
|an| kleiner als der Betrag des Koeffizienten der Exponentialreihe, also Konvergenzradius= ∞<br />
08FIII Aufgabe 1. (Einheitswurzeln, Singularität, Residuensatz)<br />
LÖSUNG a):<br />
Wegen der Symmetrie, Int := ∞ dx<br />
0 1+x2 +x4 = 1<br />
∞ dx<br />
2 −∞ 1+x2 +x4 .<br />
1<br />
Sei f(z) = 1+z2 +z4 . Nach dem Residuensatz (Standardanwendung, Summe der Residuen von f in<br />
der oberen Halbebene, weil keine Pole in R und die gegebene Funktion mindestens zweiter Ordnung<br />
in ∞ verschwindet)<br />
2 (sie sind die primitiven dritten Einheitswurzeln e 1<br />
3 2πi<br />
und e 2<br />
3 2πi ). Daher sind die Nullstellen von 1+z 2 +z 4 die primitiven sechsten Einheitswurzeln e 1<br />
6 2πi ,<br />
Die Wurzeln von t 4 + t 2 + 1 sind −1±i√ 3<br />
e 7<br />
6 2πi , e 2<br />
6 2πi = e 1<br />
3 2πi , e 2<br />
3 2πi . In der oberen Halbebene haben wir e 1<br />
6 2πi und e 1<br />
3 2πi . z1,2 = ±1+i√ 3<br />
(ζ6 = e 1<br />
6 2πi und ζ2 6 = e 1<br />
3 2πi ).<br />
1<br />
Residuen gegeben durch (1+z2 +z4 ) ′ = 1<br />
2z+4z3 in z1,2.<br />
π<br />
2 √ 3<br />
Int := 1<br />
2<br />
LÖSUNG b):<br />
1<br />
z 2 +1 =<br />
1<br />
· 2πi · ( 4(ζ6) 3 +2(ζ6) +<br />
1<br />
(z−i)(z+i)<br />
1<br />
4(ζ 2 6 )3 +2(ζ 2 6<br />
)) = πi · (<br />
1<br />
−4+1+i √ 3 +<br />
1<br />
4−1+i √ 3 ) = πi · ( 1<br />
−3+i √ 1 +<br />
3 3+i √ ) =<br />
3<br />
Singularitäten in z = 0, z = ±i, holomorph ausserhalb dieser Punkte (weil Summe von Kompositionen<br />
von holomorphen Funktionen).<br />
z = ±i Pole der ersten Ordnung<br />
z = 0 wesentlich: schreibe die Laurententwicklungen cos(z) = ∞ ∞ z−2n<br />
n=0 (−1)n (2n!) und z3 cos(1/z) = ∞ z−2n+3<br />
n=0 (−1)n (2n!) wesentlich weil unendlicher Hauptteil. Nach<br />
Addition einer holomorphen Funktion immer noch wesentlich. (Alternativ: finde zwei Folgen mit<br />
verschiedenen Häufungspunkte, auch genug für f(x) = x3 cos(1/x) + 1<br />
x2 +1 für x → ∞).<br />
n=0 (−1)n z2n 1<br />
(2n!) , dann cos( z ) =<br />
Integral mit Residuum Satz Int := 2πi(Summe Residuen in dem Kreis) = 2πi(Res0(f)+Resi(f)+<br />
Res−i(f))<br />
Residuum in ±i: einfach (weil z3 1<br />
cos(1/z) ist dort holomorph so mit Residuum 0), ±2i Residuum<br />
in 0: aus der Cosinus-Entwicklung z3 cos(1/z) = ∞ z−2n+3<br />
n=0 (−1)n (2n!) (der Rest ist holomorph und<br />
2
zählt nicht), 1<br />
1 πi<br />
24 . So Int := 2πi 24 = 12<br />
08FIII Aufgabe 2. (Rouché)<br />
LÖSUNG:<br />
Rouché:<br />
3z 3 hat genau 3 Nullstellen in dem Kreis.<br />
Auf δB1: |e z | = e ℜ(z) ≤ e während |3z 3 | = 3. Also |e z | < |z 3 |, und δB1 berandet das Gebiet...<br />
f(¯z) = e ¯z + 3¯z 3 = e z + 3z 3 also ist für jede Nullstelle das komplex Konjugierte auch eine Nullstelle.<br />
Höchstens eine reelle Nullstelle da e x + 3x 3 monoton ist<br />
Mindestens eine reelle Nullstelle da für jede Nullstelle (in dem Kreis) ist das komplex Konjugierte<br />
auch eine Nullstelle (in dem Kreis). Diese sind eine gerade Anzahl, also < 3.<br />
08FIII Aufgabe 3. (Idee aus dem Text, Riemannschen Hebbarkeitssatz, Liouville)<br />
LÖSUNG:<br />
ez = 0 also auch f(z) = 0<br />
| ez<br />
f(z) | ≤ 1<br />
e Riemannschen Hebbarkeitssatz für z<br />
, alle hebbaren Singularitäten.<br />
e z<br />
f(z)<br />
f(z)<br />
ist holomorph auf C und mit beschränkten Betrag, also nach Liouville konstant (sei C die<br />
Konstante).<br />
e Weil z<br />
f(z) = C auf C ist (und f(z) = 0 aus C \ Z ), ist f(z) = Cez aus C \ Z.<br />
Weil Cez holomorph auf C ist, sind alle Singularitäten von f hebbar.
Frühling 2009 Funktionentheorie<br />
09FI Aufgabe 1. (Möbiustransformationen)<br />
LÖSUNG a):<br />
• f ist eine Möbiustransformation az+b<br />
cz+d mit ad − bc = 0.<br />
• Kreise und Geraden werden auf Kreise und Geraden abgebildet. Daher ist es genug das Bild<br />
von drei verschiedenen Punkten zu bestimmen.<br />
• f(1) = 1, f(−1) = 0, f(i) = 1<br />
2 (1 − i)<br />
• Durch 0, 1, 1<br />
1<br />
1<br />
1 1<br />
2 (1−i) geht der Kreis mit Zentrum 2 und Radius 2 . Das ist {z ∈ C : |z− 2 | = 2 }.<br />
LÖSUNG b):<br />
• Die offene Einheitskreisscheibe wird auf die offene Kreisscheibe mit Zentrum 1<br />
2 und Radius<br />
1<br />
1<br />
2 oder auf das Komplement (in C ∪ {∞}) der geschlossenen Kreisscheibe mit Zentrum 2<br />
und Radius 1<br />
2 abgebildet.<br />
• Weil f( 1 3<br />
2 ) = 2 , oder weil f(0) = ∞, ist dieses Bild das Komplement (in C ∪ {∞}) der<br />
geschlossenen Kreisscheibe mit Zentrum 1<br />
1<br />
2 und Radius 2 .<br />
• Weil f(0) = ∞, ist das Bild der punktierten offenen Kreisscheibe unter f das Komplement<br />
(in C) der geschlossenen Kreisscheibe mit Zentrum 1<br />
1<br />
2 und Radius 2 .<br />
09FI Aufgabe 2. (Riemannsche Hebbarkeitssatz, Casorati-Weierstrass)<br />
LÖSUNG a):<br />
• g mit einer hebbaren Singularität impliziert |g| beschränkt in einer Umgebung von z0<br />
• |g| beschränkt impliziert |f| beschränkt in einer Umgebung von z0 (ohne z0).<br />
• |f| beschränkt in einer Umgebung von z0 (ohne z0) impliziert f eine hebbare Singularität<br />
in z0 hat, nach dem Riemannschen Hebbarkeitssatz.<br />
LÖSUNG b):<br />
• f hat einen Pol in z0 impliziert |f(z)| → ∞ für z → z0<br />
• |f(z)| → ∞ für z → z0 impliziert |g(z)| → ∞ für z → z0, wegen der Ungleichung |f| ≤ c|g|.<br />
• |g(z)| → ∞ für z → z0 impliziert dass g einen Pol hat (natürlich keine hebbare Singularität,<br />
und nach dem Satz von Casorati-Weierstrass keine wesentliche Singularität).<br />
09FI Aufgabe 3. (Möbiustransformationen, Riemannsche Abbildungsatz)<br />
LÖSUNG a):<br />
• G ist offen in C, weil {iy : y ∈ R>0} abgeschlossen ist.<br />
• G ist einfach zusammenhängend: ziehen Sie den Weg θ(t) auf {iy : y ∈ R0 biholomorph mit z ↦→ (−i)z (Umkehrfunktion: z ↦→ iz)<br />
• C \ R>0 → H biholomorph mit z ↦→ √ z mit Arg( √ z) ∈ (0, π) (Umkehrfunktion: z ↦→ z2 )
• H → B1(0) biholomorph mit der Möbiustransformation z ↦→ i−z<br />
i+z<br />
also R → δB1(0); i ↦→ 0 also H → B1(0)).<br />
LÖSUNG b):<br />
• Das Gebiet ist nicht einfach zusammenhängend (genau wie C ∗ = C \ {0}).<br />
• Daher kann das gegebene Gebiet nicht biholomorph zu diesem sein.<br />
09FII Aufgabe 3. (Liouville)<br />
LÖSUNG:<br />
i−1 i+1<br />
(0 ↦→ 1, 1 ↦→ i+1 , 1 ↦→ i−1<br />
• Falls nicht, sei ɛ > 0 und a ∈ C mit Bɛ(a) ausserhalb von f(C).<br />
• Sei g(z) = 1<br />
f(z)−a . Weil f(z) = a für alle z ∈ C ist g : C → C holomorph.<br />
• Weil Bɛ(a) ∩ f(C) = ∅ ist g(C) ⊆ B1/ɛ(0) • Nach dem Satz von Liouville für g (g ist auf C holomorph und beschränkt), ist g konstant.<br />
• Daher ist f konstant.<br />
09FII Aufgabe 4. (bekannte Anwendung Residuensatz)<br />
LÖSUNG a):<br />
• R(z) = 1<br />
z2 +4 ist eine Rationale Funktion ohne Pole auf R, und es verschwindet in ∞.<br />
• Dann ist nach einer bekannten Anwendung des Residuensatzes: ∞<br />
R(x) cos(x)dx ist der<br />
−∞<br />
Realteil von ∞<br />
−∞ R(x)eixdx, und wir haben:<br />
∞<br />
R(x)e ix dx = 2πi( <br />
ResaR(z)e iz )<br />
−∞<br />
wobei a genau alle Pole von R(z) in der obenen Halbebene durchläuft.<br />
• R(z) = 1<br />
z2 +4 hat Pole in z = ±2i also haben wir in der obenen Halbebene nur a = 2i.<br />
• 2i ist einfache Nullstelle für z2 + 4 also Res2iR(z)eiz e ist iz<br />
in z = 2i. Das ist<br />
e −2<br />
4i .<br />
• Dann ist ∞<br />
−∞ R(x)eixdx = 2πi e−2<br />
4i<br />
• Weil ℜ( π<br />
2e 2 ) = π<br />
2e 2 , haben wir:<br />
LÖSUNG b):<br />
∞<br />
−∞<br />
cos x<br />
x2 dx =<br />
+ 4<br />
= π<br />
2e 2 .<br />
∞<br />
−∞<br />
a<br />
R(x) cos(x)dx = π<br />
2e 2<br />
(z2 +4) ′ = eiz<br />
2z<br />
• Setze λ = 1<br />
2 , R(x) = x2 + 4. Dann ist λ ∈ (0, 1). Die Funktion R(z) hat keine Pole auf<br />
R>0, sie hat eine doppelte Nullstelle in ∞, und ist in 0 holomorph. Dann ist nach einer<br />
bekannten Anwendung des Residuensatzes:<br />
∞<br />
0<br />
x λ R(x)dx =<br />
2πi<br />
1 − e 2πiλ<br />
<br />
Resaz λ R(z)<br />
a=0
wobei a ∈ C \ {0} durch alle Pole von R(z) läuft.<br />
• Bemerke: Wir definieren zλ auf C \ R≥0 als zλ = eλ ln z , wobei ln(reiθ ) = ln r + iθ (r > 0,<br />
θ ∈ (0, 2π)).<br />
• Die Pole von z2 + 4 sind bei z = ±2i.<br />
• 2i ist einfache Nullstelle für z2 + 4 also Res2izλR(z) ist √ z<br />
(z2 +4) ′ = √ z<br />
2z in z = 2i. Das ist √ 2i<br />
4i .<br />
• −2i ist einfache Nullstelle für z2 + 4 also Res−2izλR(z) ist √ z<br />
(z2 +4) ′ = √ z<br />
2z in z = −2i. Das<br />
ist − √ −2i<br />
4i .<br />
• Dann<br />
∞<br />
0<br />
x λ R(x)dx = 2πi<br />
(<br />
1 − eπi 09FII Aufgabe 5. (Reihen)<br />
LÖSUNG:<br />
√<br />
2i<br />
4i −<br />
√<br />
−2i<br />
) =<br />
4i<br />
π√2 4 (√i − √ −i) = π√2 4<br />
+ i −1 + i<br />
(1 √ − √ ) =<br />
2 2 π<br />
2<br />
• Die Entwicklung in z = 0 für e z ist e z = 1+z +. . . = <br />
n≥0 1<br />
n! zn . Daher ist e z −1 = z +. . .,<br />
also Nullstelle erster Ordnung in z = 0. Daher hat f(z) ein Pol erster Ordnung in z = 0.<br />
• Weil Pol der ersten Ordnung, ist die Laurentreihenentwicklung für f der Form <br />
n≥−1 anz n ,<br />
mit a−1 = 0.<br />
• Sei dann e z − 1 = <br />
n≥1 bnz n , mit bn = 1<br />
n! .<br />
• Die Gleichung f(z) = 1<br />
e z −1 gibt f(z)(ez − 1) = 1 also<br />
( <br />
n≥−1<br />
anz n )( <br />
bnz n ) = 1<br />
n≥1<br />
• Sei 1 = <br />
n≥0 cnz n , wobei c0 = 1 und cn = 0 für n > 0.<br />
• Also c0 = a−1b1 = 1. Weil b1 = 1, ist a−1 = 1.<br />
• Also c1 = a−1b2 + a0b1 = 0. Weil b1 = 1, a−1 = 1 und b2 = 1<br />
2 , haben wir a0 = − 1<br />
2 .<br />
• Also c2 = a−1b3 + a0b2 + a1b0 = 0. Weil b1 = 1, a−1 = 1,b2 = 1<br />
2 , a0 = − 1<br />
wir a1 = 1<br />
12 .<br />
09FIII Aufgabe 4. (Identitätssatz, Maximumprinzip)<br />
LÖSUNG a):<br />
2 , b3 = 1<br />
6<br />
, haben<br />
• Nein: 0 ∈ E ist Nullstelle von z 2 , der Ordnung 2; f(z) 3 hat in z = 0 eine Nullstelle der Ordnung<br />
3t, wobei t die Ordnung von 0 als Nullstelle von f ist; 2 = 3t also kann die Gleichung<br />
nicht gelten.<br />
LÖSUNG b):<br />
• f(z) = 1<br />
z4 auf einer Folge mit Häufungspunkt 0 ( 1<br />
n<br />
nach dem Identitätssatz.<br />
• f(z) = −1<br />
z4 f(z) = −1<br />
z4 nach dem Identitätssatz.<br />
auf einer Folge mit Häufungspunkt 0 ( 1<br />
n<br />
mit n gerade), und 0 ∈ E also f(z) = 1<br />
z 4<br />
mit n ungerade), und 0 ∈ E also
• −1<br />
z4 = 1<br />
z4 auf z = 1<br />
2 ∈ E liefert Widerspruch.<br />
LÖSUNG c):<br />
• Sei ɛ > 0 so dass |f(z)| < 3<br />
4 auf δB1−ɛ ist.<br />
• Nach dem Maximumprinzip auf der geschlossenen Kreisscheibe B1−ɛ haben wir |f(z)| < 3<br />
4<br />
auf B1.<br />
• Widerspruch zu |f(0)| = |2i| = 2.<br />
09FIII Aufgabe 5. (Casorati-Weierstrass, Laurententreihen in 0 und ∞)<br />
LÖSUNG:<br />
• Sei g = f( 1<br />
z ). Dann ist g : C \ {0} → C holomorph.<br />
• f injektiv impliziert g injektiv<br />
• Dann kann nach dem Satz von Casorati-Weierstrass 0 keine wesentliche Singularität für g<br />
sein.<br />
• Also ist ∞ für f keine wesentliche Singularität.<br />
• Die Nebenteil (ohne den konstanten Term) der Laurentreihenentwicklung von f in 0 ist<br />
die Hauptteil der Laurentreihenentwicklung von f in ∞. Dieser ist endlich weil f keine<br />
wesentliche Singularität in ∞ hat.<br />
• Weil f ist in 0 holomorph, gibt es keinen Hauptteil in 0.<br />
• Dann ist f ein Polynom (kein Hauptteil, endlicher Nebenteil).<br />
• Weil f ein injektives Polynom ist, hat es Grad 1 (insbesondere, nicht konstant und von der<br />
Form az + b mit a, b ∈ C, a = 0).
Herbst 2010 Funktionentheorie<br />
10HI Aufgabe 3. (Möbiustransformationen)<br />
• Die Möbiustransformation z ↦→ z + 1, K → B2(0) ist bijektiv.<br />
Die Möbiustransformation z ↦→ 1<br />
2z, B2(0) → B1(0) ist bijektiv.<br />
Wir haben schon eine bijektive Möbiustransformation B1(0) → H gesehen.<br />
Da Komposition von Möbiustransformationen wieder eine Möbiustransformationist, gibt es<br />
eine Möbiustransformation K → H die bijektiv ist.<br />
• Nicht eindeutig, denn wir mit τ ∈ Aut(H) = {idH} komponieren können.<br />
10HI Aufgabe 4. (bekannte Anwendung des Residuensatzes)<br />
• Setzen wir: z = eit ; cos(t) = eit +e −it<br />
2 = z+z−1<br />
2<br />
• Int = <br />
2<br />
δB1(0) 10+3z+3z−1 (zi) −1dz = <br />
−2i<br />
δB1(0) 3z2 <br />
+10z+3dz = δB1(0)<br />
• Pole: {−3, − 1<br />
3 }; Pole in B1: {− 1<br />
3 }<br />
• Residuum in − 1<br />
−2i<br />
3 : das ist 3(z+3)<br />
1 −i<br />
in z = − 3 , also 4 .<br />
π<br />
• Nach dem Residuensatz, ist Int = (2πi)Res 1 − =<br />
3 2 .<br />
10HI Aufgabe 5. (Identitätssatz)<br />
; dz = it · e it · dt, also dt = (zi) −1 dz.<br />
−2i<br />
3(z+3)(z+ 1<br />
3 )dz<br />
• Sei G ein Gebiet (offene zusammenhängende Teilmenge von C) und f, g : G → C zwei<br />
holomorphe Funktionen, die auf einer Teilmenge von G, welche in G einen Häufungspunkt<br />
besitzt, übereinstimmen. Dann gilt f ≡ g auf ganz G.<br />
• Wir haben: Dr Gebiet, { 1 1<br />
n : n > r } ist eine Teilmenge von Dr mit Häufungspunkt 0 ∈ Dr.<br />
• Sei r ≤ 1. Dann ist g(z) = z<br />
1−z auf Dr holomorph.<br />
• Wir haben f( 1<br />
n<br />
) = 1<br />
n<br />
1− 1<br />
n<br />
= g( 1<br />
n ) also nach dem Identitätssatz f = g auf Dr.<br />
z<br />
• Für Dr mit r > 1 wissen wir dass f |D1 = 1−z also |f(1)| sollte ∞ sein (x ∈ R, x → 1− ).<br />
Widerspruch zu f in 1 holomorph.<br />
10HII Aufgabe 1. (Möbiustransformation)<br />
• δB1(0) wird auf die Gerade x = − 1<br />
2<br />
• δB 1<br />
2<br />
( 1<br />
2<br />
abgebildet, denn 1 ↦→ ∞, −1 ↦→ − 1<br />
2<br />
) wird auf die Gerade x = −1 abgebildet, denn 1 ↦→ ∞, 0 ↦→ −1, 1<br />
2<br />
• Welche Halbebene ist das Bild von B1(0) bzw. B 1<br />
2<br />
nen. Andere Methode (speziell für diese Übung): B1(0) ⊇ B 1<br />
2<br />
Bilder. Dann sind die Bilder H −<br />
− 1<br />
2<br />
• Das Bild von E \ K ist dann H −<br />
− 1<br />
2<br />
bzw. H − −1 .<br />
( 1<br />
2<br />
, i ↦→ − 1<br />
2<br />
+ 1<br />
2<br />
)? Genügt, das Bild von 1<br />
2<br />
( 1<br />
2<br />
\ H − 1<br />
−1 , der offene Streifen −1 < x < − 2 .<br />
− 1<br />
2 i<br />
i ↦→ −1 − i<br />
zu bereche-<br />
), dann dassselbe für die
10HII Aufgabe 2. (Maximumprinzip)<br />
• Falls f konstant ist, ist auch |f(z)| = |f(0)| < 1 für alle z mit |z| < 1. Also sei f nicht<br />
konstant.<br />
• Das Maximum von |f| auf Ē ist ≥ 1 (wegen der Stetigkeit von f).<br />
• Falls dieses Maximum < 1 ist, OK. Also sei dieses Maximum = 1.<br />
• Nach dem Maximumprinzip, f nicht konstant impliziert |f| = 1 auf E. Dann ist |f(z)| < 1<br />
für alle z mit |z| < 1.<br />
10HII Aufgabe 3. (Laurentreihenentwicklung)<br />
• f(z) =<br />
z<br />
−1 2<br />
(z−1)(z−2) = z−1 + z−2<br />
• Für |z| < 1 (geometrische Reihe) ist −1<br />
z−1<br />
• Für |z| < 2 (geometrische Reihe) ist 1<br />
1− z<br />
2<br />
• Dann ist für |z| < 1:<br />
−1 2 1<br />
+ = + (−1) ·<br />
z − 1 z − 2 1 − z<br />
1<br />
1 − z<br />
2<br />
= 1<br />
1−z = ∞<br />
n=0 zn .<br />
= ∞<br />
n=0 2−n z n .<br />
∞<br />
= z n ∞<br />
−<br />
n=0<br />
• Für |z| > 2 sollen wir f( 1<br />
1<br />
z ) in |z| < 2 entwicklen:<br />
f(z −1 ) = −1<br />
z −1 − 1 +<br />
n=0<br />
2 −n z n =<br />
2<br />
z−1 −z 2z<br />
= +<br />
− 2 1 − z 1 − 2z<br />
• Für |z| < 1<br />
2 (geometrische Reihe) ist 1<br />
1−2z = ∞ n=0 2nzn .<br />
• Dann ist für |z| < 1<br />
2 :<br />
f(z −1 ∞<br />
) = −z( z n ∞<br />
) + 2z( 2 n z n ∞<br />
) =<br />
n=0<br />
n=0<br />
n=1<br />
∞<br />
n=0<br />
(−1 + 2 n )z n<br />
• Laurententwicklung in dem Kreisring: Für |z| < 2 (siehe oben) ist<br />
∞<br />
2<br />
= −( 2<br />
z − 2 −n z n ∞<br />
) = (−2 −n )z n<br />
n=0<br />
Sei g(z) = −1<br />
z−1 . Wir hatten gesehen:<br />
n=0<br />
n=0<br />
g(z −1 ∞<br />
) = −z( z n ∞<br />
) = (−1)z n<br />
n=1<br />
und das gilt für |z−1 | < 1 (d.h. |z| > 1). Dann ist in dem Kreisring<br />
f(z) =<br />
−1<br />
(−1)z n ∞<br />
+ (−2 −n )z n<br />
n=−∞<br />
n=0<br />
(1 − 2 −n )z n<br />
• Extra Frage: Schreiben wir die Potenzreihe von f in einem Punkt z0 des Kreisrings. Wir<br />
schreiben ζ = (z − z0), α = −(z0 − 1), β = −(z0 − 2):<br />
f(z) =<br />
−1<br />
(z − z0) + z0 − 1 +<br />
2<br />
−1 2<br />
= +<br />
(z − z0) + z0 − 2 ζ − α ζ − β<br />
= α−1<br />
1 − ( ζ<br />
−2β−1<br />
+<br />
α ) 1 − ( ζ<br />
β )
Dann ist für 1 < |z0| < 2<br />
f(z) = α −1<br />
∞<br />
=<br />
n=0<br />
∞<br />
n=0<br />
α −n ζ n − 2β −1<br />
∞<br />
n=0<br />
10HIII Aufgabe 1. (Cauchy-Integralformel)<br />
β −n ζ n =<br />
∞<br />
n=0<br />
(α −(n+1) − 2β −(n+1) )ζ n<br />
<br />
(1 − z0) −(n+1) − 2(2 − z0) −(n+1)<br />
(z − z0) n .<br />
• Sei |z0| < 1 und nehmen wir die Entwicklung in B1(z0):<br />
f(z) = <br />
cn(z − z0) n<br />
n≥0<br />
• Wir sollen zeigen |c2| = | f ′′ (z0)<br />
2 | ≤ 2<br />
• Nach der Cauchy-Integralformel ist<br />
|c2| ≤ | 1<br />
2πi |<br />
<br />
<br />
f(z) 1<br />
| |dz =<br />
(z − z0) 3 2π<br />
|z−z0|=1<br />
|z−z0|=1<br />
10HIII Aufgabe 2. (Riemannscher Hebbarkeitssatz, Liouville)<br />
|f(z)|dz ≤ 1<br />
<br />
1 · dz = 1 ≤ 2<br />
2π |z−z0|=1<br />
• Die Singularität 1<br />
n für n ≥ 1 ist isoliert.<br />
• Nach dem Riemannschen Hebbarkeitssatz ist diese Singularität hebbar.<br />
• Dann ist die Funktion auch auf C \ {0} holomorph, und ausserdem beschränkt.<br />
• Jetzt ist 0 eine isolierte Singularität. Nach dem Riemannschen Hebbarkeitssatz ist diese<br />
Singularität hebbar.<br />
• Dann ist die Funktion auch auf C holomorph und beschränkt. Nach dem Satz von Liouville<br />
ist die Funktion konstant.