Analízis II

Simon László előadása alapján

ELTE, 2009. április

Ajánlott irodalom: Szőkefalvi Nagy Béla: Valós függvények és függvénysorok

Előadó e-mail címe: simonl a ludens.elte.hu-nál

Ez a jegyzet nem szakirodalom s nem garantált, hogy az órai anyagot teljesen lefedi, az előadásokra bejárni ajánlott.

Ha a jegyzetben helyesírási, tartalmi vagy formai hibát találsz, kérlek jelezd az előadónak vagy a tuzesdaniel@gmail.com e-mail címen! Ha a jegyzet nem jelenik meg helyesen, olvasd el az útmutatót, vagy egyszerűen használd a Firefox legújabb böngészőjét!

02. 12.

Binomiális sor

Emlékeztető: ( 1+x ) n = ∑ k=0 n ( n k ) x k ahol n∈ℕ (binomiális tétel alapján).
Legyen f ( x ) := ( 1+x ) α ,α∈ℝ,x>−1 ! Írjuk fel ennek az f függvénynek a 0 körüli Taylor-sorát!

f ( x ) = ( 1+x ) α f ( 0 ) =1 f ′ ( x ) =α ( 1+x ) α−1 f ′ ( 0 ) =α f ″ ( x ) =α ( α−1 ) ( 1+x ) α−2 f ″ ( 0 ) =α ( α−1 ) ⋮ ⋮ f ( j ) ( x ) =α ( α−1 ) ⋅…⋅ ( α−j+1 ) ( 1+x ) α−j f ( j ) ( 0 ) =α ( α−1 ) ⋅…⋅ ( α−j+1 )

Ekkor f függvény Taylor sora 0 körül: ∑ j=0 ∞ f ( j ) ( 0 ) j! x j = ∑ j=0 ∞ α ( α−1 ) ⋅…⋅ ( α−j+1 ) j! x j .
Jelölés: tetszőleges valós α esetén ( α j ) := α ( α−1 ) ⋅…⋅ ( α−j+1 ) j! , ezt használva ∑ j=0 ∞ f ( j ) ( 0 ) j! x j = ∑ j=0 ∞ ( α j ) x j . Most belátjuk, hogy a kapott sor konvergencia sugara 1. Ehhez célszerű használni a hányados kritériumot. a j := ( α j ) x j , ekkor aj+1 aj = α(α-1)·…·(α-j) (j+1)! α(α-1)·…·(α-j+1) j! xj+1 xj = α-j j+1 x⇒| aj+1 aj |= | α-j j+1 | ⏟ →1 ha j→∞ ·|x| , ezért | x | <1 esetén az abszolút értékekből álló sorra valóban teljesül a hányados kritérium, így a sor konvergens, mert abszolút konvergens is.

Állítás: | x | <1 esetén a Taylor sor előállítja f-et, vagyis ( 1+x ) α = ∑ j=0 ∞ ( α j ) x j .

Bizonyítás: legyen f ( x ) := ( 1+x ) α , illetve g ( x ) := ∑ j=0 ∞ ( α j ) x j , így f ′ ( x ) = α 1+x f ( x ) , sőt, mivel g hatványsorról előbb láttuk be, hogy konvergens | x | <1 esetén, így hatványsorról lévén szó, a sor és a tagonkénti deriválással nyert sor egyenletesen konvergens minden 1-nél kisebb sugarú intervallumban, tehát a deriválást és az összegzést felcserélhetjük, vagyis g ′ ( x ) = α 1+x g ( x ) . Látjuk, hogy f ( 0 ) =1 és g ( 0 ) =1 , ebből további átalakításokkal és tételek felhasználásával következik, hogy f ( x ) =g ( x ) : d dx [ lng( x ) ]= g'( x ) g( x ) = α 1+x = d dx [ ln ( 1+x ) α ] MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaWaaSaaaeaacaWGKbaabaGaamizaiaadIhaaaWaamWaaeaaciGGSbGaaiOBaiaadEgadaqadaqaaiaadIhaaiaawIcacaGLPaaaaiaawUfacaGLDbaacqGH9aqpdaWcaaqaaiaadEgacaGGNaWaaeWaaeaacaWG4baacaGLOaGaayzkaaaabaGaam4zamaabmaabaGaamiEaaGaayjkaiaawMcaaaaacqGH9aqpdaWcaaqaaiabeg7aHbqaaiaaigdacqGHRaWkcaWG4baaaiabg2da9maalaaabaGaamizaaqaaiaadsgacaWG4baaamaadmaabaGaciiBaiaac6gadaqadaqaaiaaigdacqGHRaWkcaWG4baacaGLOaGaayzkaaWaaWbaaSqabeaacqaHXoqyaaaakiaawUfacaGLDbaaaaa@782A@ , melyből következik, hogy lng( x )=ln ( 1+x ) α +c MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaciiBaiaac6gacaWGNbWaaeWaaeaacaWG4baacaGLOaGaayzkaaGaeyypa0JaciiBaiaac6gadaqadaqaaiaaigdacqGHRaWkcaWG4baacaGLOaGaayzkaaWaaWbaaSqabeaacqaHXoqyaaGccqGHRaWkcaWGJbaaaa@625E@ . c=0 MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaam4yaiabg2da9iaaicdaaaa@5503@ , mivel az egyenlőség x=1 MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaamiEaiabg2da9iaaigdaaaa@5519@ esetén is fenn kell állnia. Ezekből már következik, hogy g( x )= ( 1+x ) α MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaam4zamaabmaabaGaamiEaaGaayjkaiaawMcaaiabg2da9maabmaabaGaaGymaiabgUcaRiaadIhaaiaawIcacaGLPaaadaahaaWcbeqaaiabeg7aHbaaaaa@5CC2@ .

Alkalmazás:

Taylor formula többváltozós függvényekre

Legyen X normált tér f:X→ℝ és k+1-szer differenciálható az a∈X egy ρ sugarú környezetében. Ekkor egy h∈X, ‖ h ‖ <ρ esetén szeretnénk kifejezni az a+h helyen a függvényértéket az a helyen felvettel: f ( a+h ) =f ( a ) +… . Mi kerül ... helyére? Legyen δ>0,t∈ ( −δ,1+δ ) , g:ℝ→X,g ( t ) =a+t⋅h , ϕ:ℝ→ℝ,ϕ ( t ) = ( f∘g ) ( t ) =f ( a+th )  és  ϕ függvény k+1-szer differenciálható ( −δ,δ+1 ) intervallumon elég kis δ>0 MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaeqiTdqMaeyOpa4JaaGimaaaa@55C2@ esetén. Megjegyezzük, hogy ekkor g ′ ( t ) ∈ L ( ℝ,X ) ︸ t↦th  leképezés ⇔h∈X , sőt, ezt az azonosítást elhagyva: g ′ ( t ) :=h . Alkalmazzuk a Taylor formulát ϕ -re: ϕ ( 1 ) =ϕ ( 0 ) + ϕ ′ ( 0 ) 1! 1+ ϕ ″ ( 0 ) 2! 1 2 +...+ ϕ ( k ) ( 0 ) k! 1 k + ϕ ( k+1 ) ( τ ) ( k+1 ) ! 1 k+1 , ahol 0<τ<1 . Ennek első tagjáról tudjuk, hogy ϕ ( 0 ) =f ( a ) . Mi a többi? ϕ ( t ) =f ( a+th ) , illetve ϕ=f∘g . Ekkor a deriváltja: ϕ ′ ( t ) = f ′ ( g ( t ) ) ︸ ∈L ( X,ℝ ) g ′ ( t ) ︸ ∈L ( ℝ,X ) ∈L ( ℝ,ℝ ) , g ′ ( t ) =h , így ϕ ′ ( t ) = f ′ ( g ( t ) ) g ′ ( t ) = f ′ ( a+th ) ︸ ∈L ( X,ℝ ) h ︸ ∈X ∈ℝ , ezért ϕ ′ ( 0 ) = f ′ ( a ) h∈ℝ . Továbbá ϕ ″ ( t ) = [ f ″ ( a+th ) h ] ︸ ∈L ( X,ℝ ) h= f ″ ( a+th ) ( h,h ) így ϕ ″ ( 0 )= f ″ ( a ) ( h,h ) ︸ ∈X×X ∈ℝ . Tovább folytatva: ϕ ( k ) ( t ) = f ( k ) ( a+th ) ( h,h,...,h ) ∈ℝ , ezért ϕ ( k ) ( 0 ) = f ( k ) ( 0 ) ( h,h,...,h ) . ϕ ( 1 ) =ϕ ( 0 ) + ϕ ′ ( 0 ) 1! 1+ ϕ ″ ( 0 ) 2! 1 2 +...+ ϕ ( k ) ( 0 ) k! 1 k + ϕ ( k+1 ) ( τ ) ( k+1 ) 1 k+1 , így f ( a+h ) =f ( a ) + f ′ ( a ) 1! h+ f ″ ( a ) ( h,h ) 2! +...+ f ( k ) ( a ) ( h,h,...,h ) k! + f ( k+1 ) ( a+τh ) ( h,h,...,h ) ( k+1 ) , ahol 0<τ<1 . Speciális eset, mikor k=1 , X= ℝ n , f: ℝ n →ℝ . Ekkor
f ′ ( a ) = ( ( ∂ 1 f ) ( a ) , ( ∂ 2 f ) ( a ) ,..., ( ∂ n f ) ( a ) ) f ″ ( a ) = ( ( ∂ 1 2 f ) ( a ) ( ∂ 2 ∂ 1 f ) ( a ) ... ( ∂ n ∂ 1 f ) ( a ) ( ∂ 1 ∂ 2 f ) ( a ) ( ∂ 2 2 f ) ( a ) ... ( ∂ n ∂ 2 f ) ( a ) )
f ( a+h ) =f ( a ) + 1 1! ∑ j=1 n ( ∂ j f ) ( a ) h j + 1 2! ∑ j,k=1 n ( ∂ j ∂ k f ) ( a+τh ) h j h k , ahol h= ( h 1 , h 2 ,..., h n ) ∈ ℝ n .

Megjegyzés: legyenek X, Y normált terek! Bebizonyítható, hogy ha f:X→Y és k-szor differenciálható B δ ( a ) -n, akkor a Taylor formula ‖ h ‖ <δ esetén: f ( a+h ) =f ( a ) + f ′ ( a ) 1! h+...+ f ( k ) ( a ) ( h,h,...,h ) k! + R k , ahol R k a maradéktag, amelyre ‖ R k ‖ ≤ ‖ h ‖ k k! ⋅ sup ξ∈ B δ ( a ) ‖ f ( k ) ( ξ ) − f ( k ) ( a ) ‖ .

Többváltozós függvények lokális szélsőértéke

Definíció: legyen X normált tér, f:X→ℝ , és értelmezve van az a∈X pont egy környezetében. Azt mondjuk, hogy f-nek a-ban lokális minimuma van, ha ∃δ>0:x∈ B δ ( a ) ⇒f ( x ) ≥f ( a ) . Ha x∈ B δ ( a ) \ { a } ⇒f ( x ) >f ( a ) , akkor szigorú lokális minimumról beszélünk.

Tétel: tfh f differenciálható az a-ban és f-nek a-ban lokális szélsőértéke van (minimuma vagy maximuma), ⇒ f ′ ( a ) =0 (ahol f ′ ( a ) ∈L ( X,ℝ ) ).

Bizonyítás: legyen h∈X tetszőleges rögzített pont. Belátjuk, hogy f ′ ( a ) ︸ ∈L ( X,ℝ ) h=0∈ℝ . Mivel f differenciálható a-ban, ezért elég kicsi t esetén f ( a+th ) −f ( a ) = f ′ ( a ) ( t⋅h ) +η ( t⋅h ) , ahol lim t→0 | η ( th ) | ‖ th ‖ =0= lim t→0 | η ( th ) | | t | ⋅ ‖ h ‖ , ahol ‖ h ‖ ≠0 , ezért lim t→0 | η ( th ) | | t | =0 . Ha f ′ ( a ) h≠0 lenne, pl. f ′ ( a ) h>0 (h rögzített), akkor lim t→0 f ( a+th ) −f ( a ) t = f ′ ( a ) h>0 . Ekkor ∃ δ 1 >0,0<t< δ 1 ⇒f ( a+th ) −f ( a ) >0 , illetve ∃ δ 2 >0,− δ 2 <t<0⇒f ( a+th ) −f ( a ) <0 , ez utóbbi kettő pedig ellentmondás, merthogy szélsőérték esetén f ( a+th ) −f ( a ) előjele ugyanaz kell, hogy legyen.

Definíció: legyen X normált tér, g:X×X→ℝ , (folytonos) bilineáris leképezés. Azt mondjuk, hogy

Megjegyzés: ha X= ℝ n , ekkor abból, hogy g pozitív definit, következik, hogy szigorúan pozitív definit. Végtelen dimenziós vektorterekben általában ez nem igaz. Előbbi igazolása: legyen X= ℝ n , ekkor tekintsük az S 1 := { x∈ ℝ n : | x | =1 } halmazt, ekkor ez sorozatkompakt (mert korlátos és zárt). Legyen G ( h ) :=g ( h,h ) ! Ekkor G függvény folytonos. h∈ S 1 , így G: S 1 →ℝ folytonos, S 1 sorozatkompakt, ezért G felveszi az infinimumát (minimumát), vagyis ∃ h 0 ∈ S 1 :G ( h ) ≥G ( h 0 ) ,h∈ S 1 . Mivel g pozitív definit, c:=G ( h 0 ) >0 , ahol h 0 ≠0 . Ekkor x∈X \ { 0 } esetén g ( x,x ) =g ( x ‖ x ‖ ‖ x ‖ , x ‖ x ‖ ‖ x ‖ ) = ‖ x ‖ 2 g ( x ‖ x ‖ , x ‖ x ‖ ) ︸ ≥c>0 ≥c ‖ x ‖ 2 .

Megjegyzés: X= ℝ n esetén egy ℝ n × ℝ n →ℝ bilineáris leképezés egy négyzetes mátrixszal adható meg, A:= ( a 11 a 12 ⋯ a 1n a 21 a 22 ⋯ a 2n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a n1 a n2 ⋯ a nn ) . Ha a jk = a kj – vagyis ha a mátrix szimmetrikus –, akkor ha A összes sajátértéke nagyobb mint 0, akkor A pozitív definit, sőt, szigorúan pozitív definit.

Tétel: tfh f kétszer differenciálható az a∈X egy környezetében (X normált tér) és f ″ ∈C ( a ) .

  1. Ha f-nek a-ban lokális minimuma van ⇒ f ′ ( a ) =0 , és f ″ ( a ) pozitív szemidefinit.
  2. Ha f ′ ( a ) =0 és f ″ ( a ) szigorú pozitív definit, akkor f-nek a-ban szigorú lokális minimuma van.

Bizonyítás: alkalmazzuk a Taylor formulát az f:X→ℝ függvényre a 2. deriváltig. Legyen h∈X,t∈ℝ, | t | elég kicsi, ekkor f ( a+th ) =f ( a ) + f ′ ( a ) 1! th+ f ″ ( a+τth ) 2! ( th,th ) , ahol τ alkalmasan választott, valamilyen 0<τ<1 szám.

  1. tfh f-nek a-ban lokális minimuma van. Tudjuk, hogy ekkor f ′ ( a ) =0 , így 0≤ f ( a+th ) −f ( a ) t 2 = f ″ ( a+τth ) 2! ( h,h ) = f ″ ( a ) 2! ( h,h ) + [ f ″ ( a+τth ) 2! − f ″ ( a ) 2! ] ( h,h ) ︸ bizbe:  →0  ha  t→0 → f ″ ( a ) 2! ( h,h ) , ugyanis ekkor t→0 esetén a+τth→a , f ″ ∈C ( a ) , és | 1 2 [ f ″ ( a+τth ) − f ″ ( a ) ] ( h,h ) | ≤ 1 2 ‖ f ″ ( a+τth ) − f ″ ( a ) ‖ ︸ →0  ha  t→0  mert  f ″ ∈C ( a ) ⋅ ‖ h,h ‖ ︸ rögz ⇒ f ″ ( a ) 2! ( h,h ) ≥0 .
02. 19.
  1. felhasználva, hogy f ′ ( a ) =0 , f( a+th )−f( a ) t 2 = 1 2 f ″ ( a+τth )( h,h )= 1 2 f ″ ( a )( h,h )+ 1 2 [ f ″ a+τth− f ″ ( x ) ]( h,h ) . Legyen h∈X, ‖ h ‖ := c 1 >0 ! Egyrészt f ″ ( a ) ( h,h ) ≥ c 2 ‖ h ‖ 2 = c 1 2 c 2 >0,∀h∈X mert f ″ szigorú pozitív definit, másrészt | [ f ″ ( a+τth ) − f ″ ( a ) ] ( h,h ) | ≤ ‖ f ″ ( a+τth ) − f ″ ( a ) ‖ ︸ →0  ha  t→0,  mert  f ″ ∈C ( a ) ⋅ ‖ h ‖ 2 ︸ rögz , ami tart 0-hoz ha t tart 0-hoz, így f ( a+th ) −f ( a ) t 2 = 1 2 f ″ ( a ) ( h,h ) + 1 2 [ f ″ ( a+τth ) − f ″ ( a ) ] ( h,h ) >0 , ha t elég kicsi.

Implicit függvénytétel

Probléma: adott egy Φ: ℝ 2 →ℝ függvény. Egy Φ ( x,y ) =0 egyenlet milyen feltételek mellet határoz meg egy y=f ( x ) függvényt? Tekintsük a következő példákat!

Tétel: legyen Φ: ℝ n ×ℝ→ℝ -be képező függvény, amely értelmezve van és folytonos valamilyen ( a,b ) ∈ ℝ n ×ℝ pont egy környezetében és Φ ( a,b ) =0 , továbbá ∃ ∂ n+1 Φ és folytonos is ( a,b ) egy környezetében, és ∂ n+1 Φ ( a,b ) ≠0 . Ekkor létezik az a pontnak olyan B r ( a ) , az b pontnak olyan ( b−d,b+d ) környezete és f: B r ( a ) →ℝ folytonos függvény, hogy { ( x,y ) :Φ ( x,y ) =0,x∈ B r ( a ) ,y∈ ( b−d,b+d ) } = { ( x,f ( x ) ) :x∈ B r ( a ) } .

Bizonyítás:

A tétel általánosítása Φ: ℝ n × ℝ m → ℝ m függvényekre:

Tétel: tfh Φ: ℝ n × ℝ m → ℝ m , Φ ( a,b ) =0 , értelmezve van ( a,b ) pont egy környezetében és itt folytonos is, továbbá y↦Φ ( x,y ) folytonosan differenciálható ( a,b ) valamilyen környezetében. Továbbá legyen Φ:= ( Φ 1 , Φ 2 ,..., Φ m ) . ( ∂ y 1 Φ 1 ∂ y 2 Φ 1 ⋯ ∂ y m Φ 1 ∂ y 1 Φ 2 ∂ y 2 Φ 2 ⋯ ∂ y m Φ 2 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ y 1 Φ m ∂ y 2 Φ m ⋯ ∂ y m Φ m ) =:F , és tegyük fel, hogy det ( F ( a,b ) ) ≠0 . Ekkor ∃ ( a,b ) -nek olyan B r ( a ) × B ρ ( b ) környezete, és f: B r ( a ) → B ρ ( b ) ⊂ ℝ m folytonos függvény, hogy { ( x,y ) ∈ B r ( a ) × B ρ ( b ) :Φ ( x,y ) =0 } = { ( x,f ( x ) ) :x∈ B r ( a ) } .

Tétel: tfh teljesülnek az előbbi tétel feltételei és x↦Φ ( x,y ) függvény is folytonosan differenciálható az a környezetében, akkor f: B r ( a ) → ℝ m differenciálható.

Megjegyzés: ha tudjuk, hogy f differencálható, akkor f deriváltja kiszámolható. Φ ( x,f ( x ) ) =0 -t x∈ B r ( a ) szerint deriválva 0= ∂ x Φ ( x,f ( x ) ) + ∂ y Φ ( x,f ( x ) ) f ′ ( x ) ⇒ f ′ ( x ) =− [ ∂ y Φ ( x,f ( x ) ) ] −1 [ ∂ x Φ ( x,f ( x ) ) ] .

Inverz függvény tétel

Tétel: legyen g: ℝ n → ℝ n , mely értelmezve van és folytonosan differenciálható a b∈ ℝ n egy környezetében, továbbá az alábbi mátrix determinánsa nem 0 a b-ben. g:= ( g 1 , g 2 ,..., g n ) , g ′ = ( ∂ 1 g 1 ∂ 2 g 1 ⋯ ∂ n g 1 ∂ 1 g 2 ∂ 2 g 2 ⋯ ∂ n g 2 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ 1 g n ∂ 2 g n ⋯ ∂ n g n ) . Legyen a:=g ( b ) . Ekkor ∃ B r ( a ) , B r ( b ) , g −1 : B r ( b ) → B r ( a ) , folytonosan differenciálható függvény, hogy { ( x,y ) ∈ B r ( a ) × B r ( b ) :x=g ( y ) } = { ( x, g −1 ( x ) ) :x∈ B r ( a ) } .

Megjegyzés: a tétel szerint a g függvénynek létezik lokális inverze, azaz g függvényt a b egy elég kis környezetére leszűkítve, létezik az inverz.

Bizonyítás: legyen Φ ( x,y ) :=x−g ( y ) , ekkor Φ ( a,b ) =a−g ( b ) =0 , ∂ y Φ ( x,y ) =− g ′ ( y ) és det ( g ′ ( b ) ) ≠0 . Az előbbi képlet szerint [ g −1 ] ′ ( x ) = [ g ′ ( g −1 ( x ) ) ] −1 (mátrix inverz).

Feltételes szélsőérték

Definíció: legyen F: ℝ n × ℝ m →ℝ -be képező függvény, Φ: ℝ n × ℝ m → ℝ m és Φ ( a,b ) :=0 . Azt mondjuk, hogy az F függvénynek a Φ ( x,y ) :=0 feltétel mellett lokális minimuma van az ( a,b ) pontban, ha ∃δ>0:x∈ B δ ( a ) ,y∈ B δ ( b ) ,Φ ( x,y ) =0 esetén F ( x,y ) ≥F ( a,b ) .

Kérdés: milyen szükséges feltétel adható a feltételes szélsőérték létezéséhez? Az implicit függvénytétel segítségével a feltételes szélsőérték visszavezethető egy szokásos szélsőértékre (feltétel nélkülire). Feltesszük, hogy implicit függvény differenciálhatóságáról szóló tétel feltételei teljesülnek. A tétel feltételei: Φ folytonosan differenciálható ( a,b ) egy környezetében és det ( ∂ y Φ ( a,b ) ) ≠0 . Tfh ( a,b ) -n F-nek feltételes szélsőértéke van. Tudjuk (az implicit függvénytételből), hogy ekkor ∃ δ 1 >0: { ( x,y ) ∈ B δ 1 ( a ) × B δ 1 ( b ) :Φ ( x,y ) =0 } = { ( x,f ( x ) ) ∈ B δ 1 ( a ) } , ahol f: B δ 1 ( a ) → B δ 1 ( b ) folytonosan differenciálható, δ 2 :=min { δ, δ 1 } jelöléssel x∈ B δ 2 ( a ) esetén F ( x,f ( x ) ) ≥F ( a,f ( a ) ) , tehát az x↦F ( x,f ( x ) ) függvénynek a-ben lokális minimuma van.
g ( x ) =F ( x,f ( x ) ) , g ′ ( x ) = ∂ x F ( x,f ( x ) ) + ∂ y F ( x,f ( x ) ) ⋅ f ′ ( x ) , a lokális minimumból következik, hogy 0= g ′ ( a ) = ∂ x F ( a,b ) + ∂ y F ( a,b ) f ′ ( a ) f ′ ( a ) =− [ ∂ y Φ ( a,b ) ] −1 ⋅ [ ∂ x Φ ( a,b ) ] , ezt az előzőbe visszahelyettesítve g ′ ( a ) = ∂ x F ( a,b ) − ∂ y F ( a,b ) [ ∂ y Φ ( a,b ) ] −1 ︸ :=λ [ ∂ x Φ ( a,b ) ] =0 . Jelölés: G( x,y )=F( x,y )+λΦ( x,y ) MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaam4ramaabmaabaGaamiEaiaacYcacaWG5baacaGLOaGaayzkaaGaeyypa0JaamOramaabmaabaGaamiEaiaacYcacaWG5baacaGLOaGaayzkaaGaey4kaSIaeq4UdWMaeuOPdy0aaeWaaeaacaWG4bGaaiilaiaadMhaaiaawIcacaGLPaaaaaa@65A4@

02. 26.

Észrevétel: 0= g ′ ( a ) = ∂ x F ( a,b ) +λ ∂ x Φ ( a,b ) = ∂ x G ( a,b ) , másrészt λ=− [ ∂ y F ( a,b ) ] [ ∂ y Φ ( a,b ) ] −1 így írható: ∂ y G ( a,b ) =λ [ ∂ y Φ ( a,b ) ] + [ ∂ y F ( a,b ) ] =0 . Ezen kívül tudjuk, hogy Φ ( a,b ) =0 .

Tétel: tfh F és Φ folytonosan differenciálható ( a,b ) egy környezetében, továbbá Φ ( a,b ) =0,   ∂ y Φ ( a,b ) mátrix determinánsa nem 0. Ha F: ℝ n × ℝ n →ℝ függvénynek ( a,b ) -ben lokális szélsőértéke van a Φ ( x,y ) =0 feltétel mellett, akkor a G ( x,y ) =F ( x,y ) +λΦ ( x,y ) függvényre 0= ∂ x G ( a,b ) = ∂ x F ( a,b ) +λ ∂ x Φ ( a,b ) és 0= ∂ y G( a,b )= ∂ y F( a,b )+λ ∂ y Φ( a,b ) . Itt λ= ( λ 1 , λ 2 ,..., λ m ) .

Megjegyzés: a fentiek szerint az a∈ ℝ n , b∈ ℝ m és λ∈ ℝ m ismeretlenekre n+2m egyenletet nyertünk. Ennek egyértelmű megoldására van esély.

Vonalintegrál

Rövid összefoglalás a Reimann-integrálról.
Legyen f: [ a,b ] →ℝ korlátos függvény! Tekintsük [ a,b ] egy véges felosztását! a:= x 0 < x 1 < x 2 <...< x k−1 < x k <...< x n :=b . Legyen x k−1 < ξ k < x k , ekkor definiáljuk: t ( τ ) := ∑ k=1 n f ( ξ k ) ( x k − x k−1 ) (ahol τ jelöli a felosztást). Az f függvényt Reimann szerint integrálhatónak nevezzük, ha t ( τ ) →I , ha a felosztást minden határon túl finomítjuk. Ez azt jelenti, hogy ∀ε>∃δ>0 , hogy ha a felosztás δ -nál finomabb (minden részintervallum <δ ), akkor | t ( τ ) −I | <ε . Cél: röviden bizonyítjuk, hogy ha f folytonos, akkor f Reimann integrálható.
Felső összeg: S ( τ ) := ∑ k=1 n M k ( x k − x k−1 ) , ahol M k := sup [ x k−1 , x k ] f , alsó összeg: s ( τ ) := ∑ k=1 n m k ( x k − x k−1 ) , ahol m k := inf [ x k−1 , x k ] f .

Állítás: bármilyen τ felosztáshoz tartozó s ( τ ) alsó összeg ≤ bármely τ' felosztáshoz tartozó S ( τ' ) felső összeg.

Következmény: a felső összegek halmaza alulról korlátos, az alsó összegek halmaza felülről korlátos. Ebből következik, hogy ∃ inf τ S ( τ ) ≥ sup τ s ( τ ) .

Megjegyzés: m k ≤f( ξ k )≤ M k ⇒s( τ )≤t( τ )≤S( τ ) .

Definíció: oszcillációs összeg: O ( τ ) :=S ( τ ) −s ( τ ) .

Tétel: tfh f: [ a,b ] → ℝ n folytonos függvény. Ekkor az O ( τ ) oszcillációs összeg tart 0-hoz, ha a felosztást minden határon túl finomítjuk, azaz ∀ε>0∃δ>0 , hogy ha a felosztást δ -nál finomabb, akkor 0≤O ( τ ) ≤ε .

Bizonyítás: az egyenletes folytonosság tétele (Heine) szerint ( [ a,b ] korlátos és zárt, tehát sorozatkompakt) f egyenletesen folytonos. Ez azt jelenti, hogy ∀ε>0∃δ>0: | x 1 − x 2 | ≤δ⇒ | f ( x 1 ) −f ( x 2 ) | ≤ε . Ezért δ -nál finomabb felosztást választva O ( τ ) =S ( τ ) −s ( τ ) = ∑ k=1 n ( M k − m k ) ︸ ≤ε ( x k − x k−1 ) ≤ε ∑ k=1 n ( x k − x k−1 ) =ε⋅ ( b−a ) .

Következmény: ha f: [ a,b ] →ℝ folytonos, akkor Reimann integrálható, azaz t ( τ ) →I ha a felosztást finomítjuk. Ugyanis a tétel szerint tetszőleges ε>0 számhoz ∃δ>0 , hogy ha a felosztást δ -nál finomabb, akkor 0≤S ( τ ) −s ( τ ) <ε⇒ inf t S ( τ ) = sup τ s ( τ ) :=I . Ekkor s ( τ ) ≤t ( τ ) ≤S ( τ ) , | t ( τ ) −I | <ε , ha τ felosztás δ -nál finomabb.

Megjegyzés: S ( τ ) és s ( τ ) is tart I-hez.

Folytonosan differenciálható út, illetve görbe, ívhossz kiszámítása

Legyen egy ϕ: [ α,β ] → ℝ n folytonosan differenciálható! Ekkor azt mondjuk, hogy ϕ egy folytonosan differenciálható L utat határoz meg az ℝ n térben. t∈ [ α,β ] ,ϕ ( t ) ∈ ℝ n , a mozgó pont a t időben a ϕ ( t ) helyen van.

Állítás: a fönt értelmezett út hossza: ∫ α β | ϕ ˙ ( t ) | dt .

Bizonyítás: a legyen α= t 0 < t 1 < t 2 <...< t k−1 < t k <...< t m =β ! Az ívhossz definíció szerint a felosztáshoz tartozó törött vonal hosszának limesze, miközben a felosztást finomítjuk. A törött vonal hossza ∑ k=1 m | ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) | = ∑ k=1 m | ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) t k − t k−1 | ( t k − t k−1 ) = ∑ k=1 m ∑ j=1 n [ ϕ j ( t k ) − ϕ j ( t k−1 ) t k − t k−1 ] 2 ( t k − t k−1 ) , mely a Lagrange-féle középértéktétellel = ∑ k=1 m ∑ j=1 n ( ϕ ˙ j ( τ jk ) ) 2 ( t k − t k−1 ) , ahol t k−1 ≤ τ jk ≤ t k . Jó lenne, ha e helyett ilyen alakú összeg lenne: ∑ k=1 m ∑ j=1 n ϕ ˙ j ( τ k ) 2 ( t k − t k−1 ) = ∑ k=1 m | ϕ ˙ ( τ k ) | ( t k − t k−1 ) , ez nem mást, mint t↦ | ϕ ˙ ( t ) | integrál közelítő összege. Mivel ez a függvény folytonos, az integrál közelítő összeg tart az integrálhoz. Belátható, hogy a kétféle összeg különbsége tart 0-hoz, ha a felosztást minden határon túl finomítjuk.

Definíció: legyen ϕ:[ α,β ]→ ℝ n folytonosan differenciálható, ϕ injektív, ϕ ˙ ( t ) ≠0,∀t∈ [ α,β ] . Ekkor azt mondjuk, hogy ϕ egyszerű, folytonosan differenciálható L utat határoz meg. Ekkor Γ:= R ϕ ⊂ ℝ n halmazt egyszerű, folytonosan differenciálható görbének nevezzük.

Tétel: ha ϕ és ϕ ˜ olyan [ α,β ]→ ℝ n MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaWaamWaaeaacqaHXoqycaGGSaGaeqOSdigacaGLBbGaayzxaaGaeyOKH4QaeSyhHe6aaWbaaSqabeaacaWGUbaaaaaa@5CBA@ függvények, melyek egyszerű folytonosan differenciálható utat határoznak meg és R ϕ = R ϕ ˜ , továbbá ϕ ( α ) = ϕ ˜ ( α ) és ϕ ( β ) = ϕ ˜ ( β ) , akkor ∫ α β | ϕ ˙ ( t ) | dt = ∫ α β | ϕ ˜ ˙ ( t ˜ ) | d t ˜ . Ezt nevezzük Γ= R ϕ egyszerű folytonosan differenciálható görbe ívhosszának.

Megjegyzés: ha ϕ ( α ) =ϕ ( β ) , akkor egyszerű zárt folytonosan differenciálható útról (illetve görbéről) beszélünk.

Definíció: legyen ϕ: [ α,β ] → ℝ n folytonosan differenciálható! Ez meghatároz egy L folytonosan differenciálható utat. Legyen Γ:= R ϕ és f:Γ→ℝ folytonos függvény. Értelmezni akarjuk az f függvénynek az x k változó szerinti vonalintegrálját. Tekintsük a következő közelítő összeget: ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) [ ϕ j ( t k ) − ϕ j ( t k−1 ) ] , ahol τ∈ [ t k−1 , t k ] ⊂ [ α,β ] . Ha ez tart valamely I véges számhoz, miközben a felosztást finomítjuk, akkor ezt nevezzük f-nek x j szerinti vonalintegráljának, s így jelöljük: ∫ L f ( x ) d x j . Számoljuk ki a limeszt! ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) [ ϕ j ( t k ) − ϕ j ( t k−1 ) ] = ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) ϕ j ( t k ) − ϕ j ( t k−1 ) t k − t k−1 ( t k − t k−1 ) , mely a Lagrange-féle középértéktétel segítségével = ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) ϕ ˙ j ( τ k ∗ ) ( t k − t k−1 ) , ahol t k−1 < τ k ∗ <t . Ha e helyett a következő összeg lenne, az nagyon jó volna: ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) ϕ ˙ j ( τ k ) ( t k − t k−1 ) → ∫ α β f ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ j ( t ) dt ︸ ∫ α β ( f∘ϕ ) ⋅ ϕ ˙ j := ∫ L f ( x ) d x j . Belátható, hogy a két összeg különbsége 0-hoz tart, ha a felosztást minden határon túl finomítjuk.

Állítás: ha Γ egyszerű folytonosan differenciálható görbe, amelyet egy valamely L egyszerű folytonosan differenciálható úttal járunk be, akkor a vonalintegrál értéke független a ϕ paraméterezés megválasztásától, ha rögzítettek a kezdő és végpontok (a bejárás iránya is adott).

Definíció: ϕ: [ α,β ] → ℝ n folytonosan differenciálható, L folytonosan differenciálható út, Γ= R ϕ , g:Γ→ ℝ n folytonos. Tekintsük ∑ k=1 m 〈 g ( ϕ ( τ k ) ) ,ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) 〉 →? Ha a limesz létezik, akkor ezt így jelöljük: ∫ L gdx .

03. 05.

ϕ: [ α,β ] → ℝ n folytonosan differenciálható, ekkor ez egy L folytonosan differenciálható utat határoz meg. Γ:= R ϕ ⊂ ℝ n . Ha ϕ injektív és ϕ ˙ ( t ) ≠0 minden t-re, akkor egyszerű folytonosan differenciálható utat határoz meg, Γ -t egyszerű folytonosan differenciálható görbének nevezzük. (Ekkor a fenti integrált a Γ MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaeu4KdCeaaa@53C3@ görbén vett integrálnak nevezzük.)

  1. Legyen f:Γ→ℝ folytonosan differenciálható függvény. Ekkor nevezzük a lim Δt→0 ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) [ ϕ j ( t k ) − ϕ j ( t k−1 ) ] := ∫ L f ( x ) d x j mennyiséget f-nek j-edik változója szerinti vonalintegráljának. A felosztást finomítva a fenti közelítő összeg tart ∫ α β f ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ j ( t ) dt = ∫ α β ( f∘ϕ ) ϕ ˙ j integrálhoz.
  2. Legyen g:Γ→ ℝ n folytonos függvény. Tekintsük a következő mennyiséget: ∑ k=1 m 〈 g ( ϕ ( τ k ) ) ,ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) 〉 . Kérdés: ennek van-e limesze, miközben a felosztást finomítjuk? A vizsgált mennyiséget átírva: ∑ k=1 m [ ∑ j=1 n g j ( ϕ( τ k ) )( ϕ j ( t k )− ϕ j t k−1 ) ] = ∑ j=1 n [ ∑ k=1 m g j ( ϕ( τ k ) )( ϕ j ( t k )− ϕ j ( t k−1 ) ) ] ︸ → ∫ L g j ( x )d x j = ∫ a b ( g j ∘ϕ ) ϕ ˙ j ahol g= ( g 1 , g 2 ,..., g n ) . Felcserélve az összegzést az integrálással, a vizsgált mennyiség hatáértéke ∫ α β ∑ j=1 n ( g j ∘ϕ ) ϕ ˙ j = ∫ α β 〈 g ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 dt=: ∫ L g ( x ) dx . Ez mennyiség elég fontos fizikai alkalmazásokban, ezért mi is sokat fogunk vele foglalkozni. Szemléletes jelentést társíthatunk hozzá, ha g ( x ) az x pontban ható erő. Ekkor az integrál értéke a görbén végigmozogva az erőtér által végzett munka.
  3. Ívhossz szerinti vonalintegrál. Az előzőhöz képest csak f:Γ→ℝ a változás. Ekkor tekintsük a következő összeget: ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) | ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) | . Ez mihez tart? ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) | ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) | = ∑ k=1 m f ( ϕ ( τ k ) ) | ϕ ( t k ) −ϕ ( t k−1 ) t k − t k−1 | ︸ Lagrange: = ϕ ˙ ( τ k ∗ ) ( t k − t k−1 ) → ∫ α β f ( ϕ ( t ) ) | ϕ ˙ ( t ) | dt := ∫ L f   ds

Megjegyzések: mind a 3 esetben ha Γ egyszerű folytonosan differenciálható görbe, akkor a Γ -n vett integrál a paraméterezéstől függetlenül mindig ugyanaz, ha rögzítjük a kezdő és végpontokat (vagyis a bejárás irányát is megtartjuk). Célszerű értelmezni a szakaszonként folytonosan differenciálható utat (egyszerű szakaszonként folytonosan differenciálható görbét)

Definíció: legyen ϕ: [ α,β ] → ℝ n folytonos és ϕ ˙ szakaszonként folytonos függvény, azaz legyen olyan α< α 1 <...< α l < α l+1 <...< α r =β felosztás, hogy létezzen ϕ ˙ | ( α k−1 , α k ) és folytonos is ∀k∈{ 1,2,...,r } -ra, és a végpontokban létezzen egyoldali határértéke. Ekkor azt mondjuk, hogy ϕ szakaszonként folytonosan differenciálható utat határoz meg. Értelmezhető az egyszerű szakaszonként folytonosan differenciálható út. A fenti 3 definíció és állítások átvihetők erre az esetre. Legyen Γ:= R ϕ és g:Γ→ ℝ n folytonos függvény. ∫ L g ( x ) dx = ∫ α β 〈 g ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 ︸ szakaszonként folytonos dt .

A vonalintegrál alaptulajdonságai

  1. Legyen ϕ: [ α,β ] → ℝ n (szakaszonként) folytonosan differenciálható függvény, Γ:= R ϕ és g,h:Γ→ ℝ n folytonos függvények. Ekkor λ,μ∈ℝ esetén ∫ L ( λg+μh ) ( x ) dx =λ ∫ L g ( x ) dx +μ ∫ L h ( x ) dx
  2. Legyenek ϕ 1 : [ α,β ] → ℝ n és ϕ 2 : [ β,γ ] → ℝ n szakaszonként folytonosan differenciálható függvények, és legyen ϕ 1 ( β ) = ϕ 2 ( β ) . Ekkor legyen ϕ ( t ) := { ϕ 1 ( t ) t∈ [ α,β ] ϕ 2 ( t ) t∈ [ β,γ ] , vagyis ϕ: [ α,γ ] → ℝ n . Ekkor ϕ is szakaszonként folytonosan differenciálható függvény lesz. Γ:= R ϕ illetve legyen g:Γ→ ℝ n függvény folytonos! Ekkor ∫ L g ( x ) dx = ∫ L 1 g ( x ) dx + ∫ L 2 g ( x ) dx
  3. Legyen ϕ: [ α,β ] → ℝ n (szakaszonként) folytonosan differenciálható függvény, ez meghatároz egy L szakaszonként folytonosan differenciálható utat, Γ:= R ϕ ⊂ ℝ n , g:Γ→ ℝ n . Ekkor | ∫ L g ( x ) dx | = | ∫ L 〈 g ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 dt | ≤ ∫ α β | 〈 g ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 | dt ≤ ∫ α β | g ( ϕ ( t ) ) | ︸ ≤ sup Γ | g | ⋅ | ϕ ˙ ( t ) | dt , azaz | ∫ L g ( x ) dx | ≤ sup Γ | g | ⋅ ∫ α β | ϕ ˙ ( t ) | dt = sup Γ | g | ⋅ [ L  ívhossza ] .

A vonalintegrál úttól való függetlensége

Adott valamilyen Ω⊂ ℝ n tartomány (nyílt és összefüggő). Legyen f:Ω→ ℝ n folytonos függvény.

Kérdés: milyen feltételek mellet lesz igaz, hogy az Ω két tetszőleges pontját összekötő szakaszonként folytonosan differenciálható út mentén vett ∫ L f ( x ) dx integrálja f-nek nem függ az úttól egészében, csak annak végpontjaitól?

Tétel: tfh f:Ω→ ℝ n folytonos függvény és ∫ L f ( x ) dx értéke csak a kezdő és végpontoktól függ bármely Ω -ban haladó L út esetén. Legyen a∈Ω és ξ∈Ω tetszőleges pontok, a rögzített. Tekintsünk egy tetszőleges, olyan Ω -ban haladó szakaszonként folytonosan differenciálható utat, amely a-t összeköti ξ -vel. (Mi az, hogy összeköti? Azt jelenti ez, hogy ∃ϕ: [ α,β ] → ℝ n , mely szakaszonként folytonosan differenciálható és ϕ ( t ) ∈Ω,∀t∈ [ α,β ] , ϕ ( α ) =a és ϕ ( β ) =ξ .) Legyen F ( ξ ) := ∫ L f ( x ) dx = ∫ a ξ f ( x ) dx . Ekkor ∂ j F ( ξ ) = f j ( ξ ) , azaz F ′ ( ξ ) =f ( ξ ) .

Bizonyítás: legyen h∈ℝ \ { 0 } , h ( j ) := ( 0,0,...h,0,...,0 ) ∈ ℝ n (a j-edik komponense a h). Az a-tól a ξ+ h ( j ) -ig terjedő utat definiálja a következő függvény: ψ ( t ) := { ϕ ( t ) α≤t≤β ( ξ 1 ,..., ξ j +t−β,..., ξ n ) β≤t≤β+h ! Ekkor β≤t≤β+h esetén ψ ˙ ( t ) = ( 0,...,1,...,0 ) . Ekkor F ( ξ+ h ( j ) ) −F ( ξ ) h = 1 h [ ∫ a ξ+ h ( j ) f ( x ) dx − ∫ a ξ f ( x ) dx ] = 1 h ∫ ξ ξ+ h ( j ) f ( x ) dx = 1 h ∫ β β+h 〈 f ( ψ ( t ) ) , ψ ˙ ( t ) 〉 dt = = 1 h ∫ β β+h f j ( ξ 1 ,..., ξ j +t−β,..., ξ n ) dt = f j ( ξ 1 ,..., ξ j +τ−β,..., ξ n ) → f j ( ξ 1 ,..., ξ j ,..., ξ n ) ahol τ valamilyen alkalmasan választott β<τ<β+h szám (az egyenlőség az integrálszámítás középérték tételéből következik).

Definíció: legyen f:Ω→ ℝ n (egyszerűség kedvéért) folytonos, Ω⊂ ℝ n tartomány. Ha Φ:Ω→ℝ függvényre Φ ′ =f , akkor Φ -t f primitív függvényének nevezzük.

Megjegyzés:

  1. ha f folytonos, akkor Φ ′ =f az Ω -n azzal ekvivalens, hogy ∂ j Φ= f j ,∀j . Az állítás fordítottja is igaz, mert ha ∂ j Φ létezik és folytonos Ω -n ⇒Φ differenciálható Ω -n, f= [ ∂ 1 Φ,..., ∂ n Φ ] . (Ha ∂ j Φ létezik Ω -n ⇒ Φ MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaWaaqIaaeaacqGHshI3aaGaeuOPdyeaaa@565C@ diffható, csak ha folytonos is ∂ j Φ,∀j )
  2. A fenti tétel úgy is fogalmazható, hogy ha f:Ω→ ℝ n folytonos függvényre ∫ L f ( x ) dx csak L kezdő és végpontjától függ, akkor f-nek létezik primitív függvénye, mégpedig F, amelyre F ( ξ ) = ∫ a ξ f ( x ) dx .
  3. Ha Φ függvény f-nek primitív függvénye ⇒Φ+c is primitív függvénye, ahol c∈ℝ .

Tétel: tfh f:Ω→ ℝ n folytonos és Φ ′ =f (vagyis f-nek létezik primitív függvénye). Ekkor ∫ L f ( x ) dx értéke csak L kezdő és végpontjától függ, minden Ω -n haladó szakaszonként folytonosan differenciálható L út esetén.

Bizonyítás: egyszerűség kedvéért először tfh L folytonosan differenciálható, ϕ: [ α,β ] →Ω folytonosan differenciálható, ϕ ( α ) =a és ϕ ( β ) =b . ∫ L f ( x ) dx = ∫ α β 〈 f ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 dt = ∫ α β ∑ j=1 n f j ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ j ( t ) dt = = ∫ α β ∑ j=1 n ∂ j Φ ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ j ( t ) dt = ∫ α β dΦ ( ϕ ( t ) ) dt dt , mely a Newton-Leibniz formula felhasználásával =Φ ( ϕ ( β ) ) −Φ ( ϕ ( α ) ) =Φ ( b ) −Φ ( a ) .

Tétel: legyen Ω⊂ ℝ n tetszőleges tartomány, f:Ω→ ℝ n folytonos függvény. Ekkor ∫ L f ( x ) dx értéke csak L-nek kezdő és végpontjától függ bármely Ω -ban haladó, szakaszonként folytonosan differenciálható L út esetén ⇔f -nek létezik primitív függvénye.

Megjegyzés: ∫ L f ( x ) dx értéke csak a kezdő és végpontoktól függ ⇔ bármely szakaszonként folytonosan differenciálható zárt út mentén az integrál értéke 0.

Állítás: legyen Φ az f folytonos függvény primitív függvénye és F ( ξ ) := ∫ a ξ f ( x ) dx . Ekkor Φ−F=áll az Ω -n.

Bizonyítás: az előbbi bizonyítás szerint Φ ′ =f esetén ha ϕ ( β ) =ξ , ϕ ( α ) =a , F ( ξ ) = ∫ a ξ f ( x ) dx = ∫ α β dΦ ( ϕ ( t ) ) dt dt=Φ ( ξ ) −Φ ( a ) , vagyis Φ ( ξ ) −F ( ξ ) =Φ ( a ) konstans.

Kérdés: milyen jól használható feltételt tudunk mondani a primitív függvény létezésére? Tfh f:Ω→ ℝ n folytonosan differenciálható (vagyis ∂ k f j folytonos minden k,j -re). Ekkor ∃Φ , hogy Φ ′ =f , azaz f j = ∂ j Φ⇒ ∂ k f j = ∂ k ( ∂ j Φ ) , mely a Young tétel szerint = ∂ j ( ∂ k Φ ) = ∂ j f k .

Tétel: tfh f:Ω→ ℝ n folytonosan differenciálható függvény. Ha f-nek létezik primitív függvénye ⇒ ∂ k f j = ∂ j f k az Ω -n.

Kérdés: a feltétel elegendő-e, azaz ha ∂ k f j = ∂ j f k MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaeyOaIy7aaSbaaSqaaiaadUgaaeqaaOGaamOzamaaBaaaleaacaWGQbaabeaakiabg2da9iabgkGi2oaaBaaaleaacaWGQbaabeaakiaadAgadaWgaaWcbaGaam4Aaaqabaaaaa@5C8F@ , abból következik-e, hogy létezik f-nek primitív függvénye? Általában nem. Tekintsük a következő példát: Ω:= { ( x 1 , x 2 ) ∈ ℝ 2 :0< | x | <2 } . Legyen f:= ( f 1 , f 2 ) , f 1 ( x 1 , x 2 ) := − x 2 x 1 2 + x 2 2 és f 2 ( x 1 , x 2 ) = x 1 x 1 2 + x 2 2 . Belátjuk, hogy ∂ 2 f 1 = ∂ 1 f 2 , ugyanis ∂ 2 f 1 ( x 1 , x 2 ) = − ( x 1 2 + x 2 2 ) +2 x 2 2 ( x 1 2 + x 2 2 ) 2 = x 2 2 − x 1 2 ( x 1 2 + x 2 2 ) 2 . ∂ 1 f 2 ( x 1 , x 2 ) = x 1 2 + x 2 2 −2 x 1 2 ( x 1 2 + x 2 2 ) 2 = x 2 2 − x 1 2 ( x 1 2 + x 2 2 ) 2 , de ∫ S 1 f ( x ) dx ≠0 , ahol S 1 az egységkör, ami egy [ 0,2π )→ ℝ 2 ,t↦( cost,sint ) MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaWaaKGeaeaacaaIWaGaaiilaiaaikdacqaHapaCaiaawUfacaGLPaaacqGHsgIRcqWIDesOdaahaaWcbeqaaiaaikdaaaGccaGGSaGaamiDaiablAAiHnaabmaabaGaci4yaiaac+gacaGGZbGaamiDaiaacYcaciGGZbGaaiyAaiaac6gacaWG0baacaGLOaGaayzkaaaaaa@6999@ függvény által meghatározott út.

03. 12.

Előző óráról: ∫ L f ( x ) dx = ∫ α β 〈 f ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 dt . Azt vizsgáltuk, hogy mi volt a feltétele, hogy az integrál értéke csak a kezdő és végpontoktól függjön, azaz a=ϕ ( α ) és b=ϕ ( β ) értékektől. Azt tudtuk mondani, hogy akkor függ csak a kezdő és végpontoktól, hogyha ∃ Φ ′ =f⇔ ∂ j Φ= f j és ∂ j Φ folytonos (minden j-re).

Tétel: tfh f : Ω → &reals; n folytonosan differenciálható függvény. Ha f-nek létezik primitív függvénye ⇒ ∂ k f j = ∂ j f k az Ω -n.

Kérdés: abból, hogy ∂ j f k = ∂ k f j az Ω -n, következik-e, hogy f-nek van primitív függvénye (azaz az integráljának értéke csak a kezdő és végpontoktól függ)? Általában nem. Példa: legyen Ω:= { x∈ ℝ 2 :0<x<2 } , f 1 ( x 1 , x 2 ) := − x 2 x 1 2 + x 2 2 , f 2 := x 1 x 1 2 + x 2 2 . Láttuk már, hogy ∂ 2 f 1 = ∂ 1 f 2 . Most belátjuk, hogy az egységkörvonalon az integrál értéke nem 0 (ami ellentmond annak, hogy az integrál értéke csak a kezdő és végpontokból függ, ami azt jelentené, hogy létezik f-nek primitív függvénye). ϕ= ( ϕ 1 , ϕ 2 ) , ϕ 1 ( t ) :=cost,t∈ [ 0,2π ) , ϕ 2 ( t ) :=sint,t∈ [ 0,2π ) . Ekkor ϕ ˙ 1 ( t ) =−sint és ϕ ˙ 2 ( t ) =cost . ∫ S 1 f ( x ) dx = ∫ 0 2π 〈 f ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 dt = ∫ 0 2π [ −sint cos 2 t+ sin 2 t ( −sint ) + cost cos 2 t+ sin 2 t cost ] dt =2π≠0 .

Kvázi definíció: egy Ω⊂ ℝ 2 tartományt egyszeresen összefüggőnek nevezünk, ha tetszőleges, a tartományban levő egyszerű zárt (szakaszosan) folytonos differenciálható görbét folytonos mozgatással ponttá lehet húzni úgy, hogy végig a tartományban maradjunk.

Definíció: egy Ω⊂ ℝ n tartományt csillagszerűnek nevezzük, ha ∃a∈Ω , hogy ∀x∈Ω esetén az a-t x-szel összekötő egyenes szakasz végig benne van Ω -ban. (Egyenes szakasz a és x pontok között: L a,x = { a+t ( x−a ) :t∈ [ 0,1 ] } )

Tétel: legyen Ω⊂ ℝ n csillagszerű tartomány, f:Ω→ ℝ n folytonosan differenciálható. Ha ∂ j f k = ∂ k f j ,∀j,k⇒f -nek létezik primitív függvénye.

Megjegyzés: a tétel kiterjeszthető egyszeresen összefüggő tartományokra is.

Paraméteres integrálok

Definíció: tfh f: [ a,b ] × [ c,d ] →ℝ adott legalább folytonos függvény. Értelmezzük a g függvényt: g ( x ) := ∫ c d f ( x,y ) dy . Ezt nevezzük f paraméteres integráljának. Miket tud ez?

Tétel: ha f∈C ( [ a,b ] × [ c,d ] ) ⇒g∈C [ a,b ] .

Bizonyítás: legyen x 0 ∈ [ a,b ] tetszőleges rögzített! | g ( x ) −g ( x 0 ) | = | ∫ c d f ( x,y ) dy − ∫ c d f ( x 0 ,y ) dy | = | ∫ c d ( f ( x,y ) −f ( x 0 ,y ) ) dy | ≤ ∫ c d | f ( x,y ) −f ( x 0 ,y ) | dy . Mivel f folytonos, D f = [ a,b ] × [ c,d ] korlátos és zárt halmaz (ezért sorozatkompakt is), ezért f egyenletesen folytonos (Heine tétel). Véve egy tetszőleges ε>0 számot, ehhez ∃δ>0: | ( x,y ) − ( x ∗ , y ∗ ) | <δ⇒ | f ( x,y ) −f ( x ∗ , y ∗ ) | <ε . Speciel x ∗ = x 0 , y ∗ =y . Tehát | x− x 0 | <δ⇒ | f ( x,y ) −f ( x 0 ,y ) | <ε,∀y∈ [ c,d ] ⇒ | g ( x ) −g ( x 0 ) | ≤ε ( d−c ) .

Tétel: ha f folytonos [ a,b ] × [ c,d ] -n és ∃ ∂ 1 f az ( a,b ) × ( c,d ) -n és létezik folytonos kiterjesztése [ a,b ] × [ c,d ] -re, akkor g függvény folytonosan differenciálható [ a,b ] -n, és g ′ ( x ) = ∫ c d ∂ 1 f ( x,y ) dy (vagyis felcserélhetjük a deriválást és az integrálást).

Bizonyítás: legyen x 0 ∈ ( a,b ) ∍x≠ x 0 ! g ( x ) −g ( x 0 ) x− x 0 = ∫ c d f ( x,y ) −f ( x 0 ,y ) x− x 0 dy = a Lagrange-féle középérték-tétel felhasználásával = ∫ c d ∂ 1 f ( ξ y ,y ) dy , ahol ξ y x és x 0 között van. | g ( x ) −g ( x 0 ) x− x 0 − ∫ c d ∂ 1 f ( x 0 ,y ) dy | = | ∫ c d ( ∂ 1 f ( ξ y ,y ) − ∂ 1 f ( x 0 ,y ) ) dy | ≤ ∫ c d | ∂ 1 f ( ξ y ,y ) − ∂ 1 f ( x 0 ,y ) | dy →0 , mert ∂ 1 f egyenletesen folytonos.

A vonalintegrálról szóló tétel bizonyítása

Tfh Ω⊂ ℝ n csillagszerű tartomány, f:Ω→ ℝ n folytonosan differenciálható, továbbá ∂ j f k = ∂ k f j ,∀j,k -ra az Ω -n. Belátjuk, hogy f-nek van primitív függvénye. Célszerű feltétel, hogy legyen a=0 , válasszunk egy x∈Ω -t, ekkor L a,x = { t⋅x:t∈ [ 0,1 ] } . Az a-t x-szel összekötő, folytonosan differenciálható utat a következő ϕ:ℝ→ ℝ n függvény határozhatja meg: ϕ ( t ) :=t⋅x,t∈ [ 0,1 ] ,x∈Ω⊂ ℝ n . Legyen F ( x ) := ∫ L 0,x f ( ξ ) dξ = ∫ 0 1 〈 f ( ϕ ( t ) ) , ϕ ˙ ( t ) 〉 dt = ∫ 0 1 ( ∑ k=1 n f k ( ϕ ( t ) ) ⋅ x k ) dt = ∫ 0 1 ( ∑ k=1 n f k ( t⋅x ) ⋅ x k ) dt . Belátjuk, hogy ∂ j F ( x ) = f j ( x ) . Most F ( x ) -et differenciáljuk x j paraméter szerint. F ( x ) = ∑ k=1 n ∫ 0 1 f k ( t⋅x ) x k dt .
j≠k esetén ∂ j ∫ 0 1 f k ( t⋅x ) x k dt = ∫ 0 1 ∂ j f k ( t⋅x ) t⋅ x k dt ,
j=k esetén ∂ k ∫ 0 1 f k ( t⋅x ) x k dt = ∫ 0 1 [ ∂ k f k ( t⋅x ) t⋅ x k + f k ( t⋅x ) ] dt
Ezért ∂ j F ( x ) = ∫ 0 1 [ ∑ k=1 n ∂ j f k ( t⋅x ) t⋅ x k + f j ( t⋅x ) ] dt = ∫ 0 1 [ ∑ k=1 n ∂ k f j ( t⋅x ) t⋅ x k + f j ( t⋅x ) ] dt . Legyen g j ( t ) := f j ( t⋅x ) t , ekkor g ˙ j ( t ) = ∑ k=1 n ∂ k f j ( t⋅x ) x k ⋅t + f j ( t⋅x ) , így ∂ j F ( x ) = ∫ 0 1 g ˙ j ( t ) dt = g j ( 1 ) − g j ( 0 ) = f j ( x ) −0= f j ( x ) .

Komplex függvénytan

Definíció: tfh f:ℂ→ℂ értelmezve van egy z 0 ∈ℂ pont egy környezetében. Azt monjduk, hogy f differenciálható z 0 -ban, ha ∃ lim z→ z 0 f ( z ) −f ( z 0 ) z− z 0 és véges. A limeszt a valós függvények deriváláshoz hasonlóan így jelöljük: f ′ ( z 0 ) . A komplex differenciálhatóságnak van geometriai szemléletes jelentése is. f ′ ( z 0 ) ∈ℂ , és a komplex számok trigonometrikus jelölésével legyen ez f ′ ( z 0 ) :=r ( cosϕ+isinϕ ) . Tfh ez nem 0. lim z→ z 0 f ( z ) −f ( z 0 ) z− z 0 =r ( cosϕ+isinϕ ) , így z 0 környezetében | f ( z ) −f ( z 0 ) z− z 0 | ≈r , másképp: | f ( z ) −f ( z 0 ) | ≈r | z− z 0 | . Erre azt mondjuk, hogy f leképezés limeszben körtartó. Másrészt arg f ( z ) −f ( z 0 ) z− z 0 ≈ϕ , arg [ f ( z ) −f ( z 0 ) ] −arg ( z− z 0 ) ≈ϕ , arg [ f ( z ) −f ( z 0 ) ] ≈ϕ+arg ( z− z 0 ) , ez egy z 0 körüli ϕ szögű forgatás.

A komplex differenciálhatóság szükséges feltétele

Nézzük meg, hogy mit jelent az, hogy g komplex változós függvény differenciálható egy z∈ℂ pontban! Így definiáltuk: lim h→0 g ( z+h ) −g ( z ) h = g ′ ( z ) . Két esetet vizsgálunk, h:= h 1 ∈ℝ \ { 0 } az első esetben illetve h:=i h 2 , h 2 ∈ℝ \ { 0 } a második esetben. Tehát lim h 1 →0 g( z+ h 1 )−g( z ) h 1 = lim h 2 →0 g( z+i h 2 )−g( z ) i h 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=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@7D70@ . Tudunk ℂ és ℝ 2 között egy bijekciót létesíteni: J:ℂ→ ℝ 2 ,x+iy↦ ( x,y ) ahol x,y∈ℝ . Bizonyítható, hogy J lineáris bijekció. Mint definiáltuk, g:ℂ→ℂ , és legyen z:= x 1 +i x 2 ahol x 1 és x 2 ∈ℝ , továbbá g ( x 1 +i x 2 ) := g 1 ( x 1 +i x 2 ) +i g 2 ( x 1 +i x 2 ) , ahol g 1 :ℂ→ℝ és g 2 :ℂ→ℝ . A korábbi J bijekció alapján legyen g ˜ 1 ( x 1 , x 2 ) := g 1 ( x 1 +i x 2 ) és g ˜ 2 ( x 1 , x 2 ) := g 2 ( x 1 +i x 2 ) , így g ˜ 1 : ℝ 2 →ℝ és g ˜ 2 : ℝ 2 →ℝ . g(z+ h 1 )−g(z) h 1 = g ˜ 1 ( x 1 + h 1 , x 2 )− g ˜ 1 ( x 1 , x 2 ) h 1 +i g ˜ 2 ( x 1 + h 1 , x 2 )− g ˜ 2 ( x 1 , x 2 ) h 1 → → ∂ 1 g ˜ 1 ( x 1 , x 2 )+i ∂ 1 g ˜ 2 ( x 1 , x 2 ) , g(z+i h 2 )−g(z) i h 2 = g ˜ 1 ( x 1 , x 2 + h 2 )− g ˜ 1 ( x 1 , x 2 ) i h 2 +i g ˜ 2 ( x 1 , x 2 + h 2 )− g ˜ 2 ( x 1 , x 2 ) i h 2 → →−i ∂ 2 g ˜ 1 ( x 1 , x 2 )+ ∂ 2 g ˜ 2 ( x 1 , x 2 ) Ezért kell, hogy ∂ 1 g ˜ 1 = ∂ 2 g ˜ 2 ,− ∂ 2 g ˜ 1 = ∂ 1 g ˜ 2 legyen. Ezek a Cauchy-Riemann (parciális differenciál) egyenletek.

Cauchy-alaptétel: tfh Ω⊂ℂ egyszeresen összefüggő és g:Ω→ℂ differenciálható Ω -n. Ekkor g integrálja bármely szakaszonként folytonosan differenciálható, Ω -ban haladó egyszerű zárt görbén 0.

Bizonyítás: legyen ϕ: [ α,β ] →ℂ szakaszonként folytonosan differenciálható függvény, mely egy egyszerű szakaszonként folytonosan differenciálható zárt Γ görbét határoz meg, ϕ ( α ) =ϕ ( β ) , ϕ ( t ) ∈Ω,∀t∈ [ α,β ] . Definíció szerint ∫ Γ g ( z ) dz := ∫ α β g ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) dt (itt az integrandus komplex értékű). ϕ ( t ) = ϕ 1 ( t ) +i ϕ 2 ( t ) (ahol ϕ 1 ,   ϕ 2 valós-valós függvények), g ( x 1 +i x 2 ) = g 1 ( x 1 +i x 2 ) +i g 2 ( x 1 +i x 2 ) . Ezek alapján ∫ α β g ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) dt = ∫ α β [ g 1 ( ϕ 1 ( t ) +i ϕ 2 ( t ) ) +i g 2 ( ϕ 1 ( t ) +i ϕ 2 ( t ) ) ] ⋅ [ ϕ ˙ 1 ( t ) +i ϕ ˙ 2 ( t ) ] dt . Definiáljuk ψ függvényt-t a következőképp: J ( ϕ ( t ) ) =J ( ϕ 1 ( t ) +i ϕ 2 ( t ) ) = ( ϕ 1 ( t ) , ϕ 2 ( t ) ) :=ψ ( t ) :ℝ→ ℝ 2 ,t↦ ( ϕ 1 ( t ) , ϕ 2 ( t ) ) , így az előző integrálban a szorzást elvégezve ∫ Γ g ( z ) dz = ∫ α β [ g 1 ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) − g 2 ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ( t ) ] dt +i ∫ α β [ g 1 ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ( t ) + g 2 ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) ] dt = = ∫ α β [ g ˜ 1 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) − g ˜ 2 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ( t ) ] dt +i ∫ α β [ g ˜ 1 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ( t ) + g ˜ 2 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) ] dt .
Belátjuk, hogy mindkét tag 0.
f:= ( f 1 , f 2 ) : ℝ 2 → ℝ 2 . Először legyen f 1 := g ˜ 1 , f 2 :=− g ˜ 2 . Ekkor ∂ 2 f 1 = ∂ 2 g ˜ 1 és ∂ 1 f 2 =− ∂ 1 g ˜ 2 , (a Cauchy-Riemann egyenletekből pedig) ∂ 2 g ˜ 1 =− ∂ 1 g ˜ 2 , azaz ∂ 2 f 1 = ∂ 1 f 2 . Így a valós vonalintegrálokról szóló tétel szerint 0= ∫ L f ( x ) dx = ∫ α β [ f 1 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) + f 2 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ( t ) ] dt = ∫ α β [ g ˜ 1 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) − g ˜ 2 ( ψ ( t ) ) ] ϕ ˙ 2 dt . Másodszor f 1 := g ˜ 2 , f 2 := g ˜ 1 , ebből kapjuk, hogy a második integrál is 0. A Cauchy-Riemann egyenletekből most ∂ 1 g ˜ 1 = ∂ 2 g ˜ 2 illetve − ∂ 2 g ˜ 1 = ∂ 1 g ˜ 2 . Ekkor ∂ 1 f 2 = ∂ 2 f 1 , így 0= ∫ L f ( x ) dx = ∫ α β [ f 1 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) + f 2 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ] dt = ∫ α β [ g ˜ 2 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 1 ( t ) + g ˜ 1 ( ψ ( t ) ) ϕ ˙ 2 ] dt .

Megjegyzés: a bizonyításokban felhasználtuk, hogy g folytonosan differenciálható, így felhasználtuk a valós vonalintegrálról szóló tételt és megjegyzését.

03. 19.

A Cauchy alaptétel közvetlen következményei

Tfh ϕ: [ α,β ] →ℂ szakaszonként folytonosan differenciálható függvény egyszerű zárt utat határoz meg, Γ:= R ϕ egy egyszerű zárt szakaszonként folytonosan differencálható görbe ℂ -n.

Tétel: egy ℂ \ Γ nyílt halmaz két összefüggő komponensből (részből) áll, a két komponens közül az egyik korlátos, a másik nem. A korlátos komponenst nevezzük Γ belsejének, a nem korlátos komponenst Γ külsejének.

Megjegyzés: a tétel állítása triviálisnak tűnhet, bizonyítása mégsem könnyű.

Tétel: legyen Γ, Γ 1 ⊂ℂ egyszerű zárt szakaszonként folytonosan differenciálható görbe, legyen Γ 1 a Γ görbe belsejében. Tfh Ω⊃ ( Γ∪ Γ 1 ∪ ( belseje ( Γ ) \ ( Γ 1 ∪belseje ( Γ 1 ) ) ) ) , vagyis hogy Ω tartalmazza Γ, Γ 1 -t és a kettejük közötti tartományt. Legyen g:Ω→ℂ differenciálható függvény. Ekkor ∫ Γ f ( z ) dz = ∫ Γ 1 f ( z ) dz .

Bizonyítás: a Cauchy alaptételt alkalmazva a Γ, Γ 2 ,− Γ 1 , Γ 3 utakból álló szakaszonként folytonosan differenciálható zárt görbére: 0= ∫ Γ f ( z ) dz + ∫ Γ 2 f ( z ) dz − ∫ Γ 1 f ( z ) dz + ∫ Γ 3 f ( z ) dz , mely limeszben ( Γ 2 → Γ 3 ) 0= ∫ Γ f ( z ) dz − ∫ Γ 1 f ( z ) dz . (Az ábrán a körüljárást láthatjuk, Γ, Γ 1 irányítása azonos, óramutató járásával ellentétes irányú. Ez a bizonyítás csupán vázlatos, szemléletes.)

Tétel: legyenek Γ, Γ 1 , Γ 2 ,..., Γ k egyszerű zárt szakaszonként folytonosan differenciálható görbék, Γ j ⊂belseje ( Γ ) és Γ l ⊂külseje ( Γ j ) ha l≠j , ∀j,l∈ { 0,1,...,k } . Legyen g függvény differenciálható egy olyan tartományban, mely tartalmazza Γ, Γ 1 , Γ 2 ,..., Γ k -t és belseje ( Γ ) \ ( ∪ j=1 k belseje ( Γ j ) ) -t is. Ekkor ∫ Γ f ( z ) dz = ∑ j=1 k ∫ Γ j f ( z ) dz .

Cauchy-féle integrálformula

Tétel: legyen Ω⊂ℂ egyszeresen összefüggő tartomány és Γ⊂Ω egyszerű zárt szakaszonként folytonosan differenciálható görbe (ekkor belseje ( Γ ) ⊂Ω ) és g diffható Ω -n. Ekkor Γ belsejében fekvő bármely z esetén g ( z ) = 1 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z dζ .

Bizonyítás: legyen K ρ := { ζ∈ℝ: | ζ−z | =ρ } a z középpontú, ρ sugarú körvonal. ρ -t olyan kicsinek választjuk, hogy K ρ ⊂Γ belseje lesz már. Ekkor a Cauchy alaptétel közvetlen következménye szerint ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z dζ = ∫ K ρ g ( ζ ) ζ−z dζ , másrészt ∫ K ρ 1 ζ−z dζ =2πi , ugyanis ζ=z+ρcost+iρsint paraméterezés mellett ζ−z=ρcost+iρsint – erre valóban teljesül a K ρ = { ζ∈ℝ: | ζ−z | =ρ } kitétel –, így K ρ előáll a ϕ: [ 0,2π ] →ℂ , ϕ ( t ) =z+ρcost+iρsint függvény segítségével (ekkor ϕ ′ ( t ) =−ρsint+iρcost ): K ρ = R ϕ , továbbá ∫ K ρ 1 ζ−z dζ = ∫ 0 2π 1 ρcost+iρsint [ −ρsint+iρcost ] dt = ∫ 0 2π idt =2πi . Ezek szerint g ( z ) = 1 2πi g ( z ) 2πi= 1 2πi g ( z ) ∫ K ρ 1 ζ−z dζ = 1 2πi ∫ K ρ g ( z ) ζ−z dζ . Vizsgáljuk a következő mennyiséget: | 1 2πi ∫ K ρ g ( ζ ) ζ−z dζ −g ( z ) | ≤ 1 2π | ∫ K ρ g ( ζ ) ζ−z dζ − ∫ K ρ g ( z ) ζ−z dζ | = 1 2π | ∫ K ρ g ( ζ ) −g ( z ) ζ−z dζ | ≤ ≤ 1 2π kerület ( K ρ ) ⋅ sup ζ∈ K ρ | g ( ζ ) −g ( z ) ζ−z | <ε ugyanis | g ( ζ ) −g ( z ) | <ε ha ρ< ρ 0 , | ζ−z | =ρ=állandó , kerület ( K ρ ) =2πρ , tehát | 1 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z dζ −g ( z ) | <ε,∀ε>0⇒ 1 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z dζ =g ( z ) .

Cauchy-típusú integrál

Definíció: legyen Γ egyszerű (nem feltételen zárt) szakaszonként folytonosan differenciálható görbe. Legyen g:Γ→ℂ folytonos függvény! Legyen G(z):= 1 2πi ∫ Γ g( ζ ) ζ−z dζ , ezt nevezzük Cauchy-típusú integrálnak, ha z∈ℂ \ Γ .

Tétel: G függvény a ℂ \ Γ nyílt halmazon akárhányszor differenciálható és G ( k ) ( z ) = k! 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ( ζ−z ) k+1 dζ .

Bizonyítás: csak a k=1 esetet látjuk be, teljes indukcióval a tétel igazolható. Tehát ezt szeretnénk igazolni: G ′ ( z ) = 1 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ( ζ−z ) 2 dζ . G ( z+h ) −G ( z ) h = 1 h 1 2πi [ ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z−h dζ− ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z dζ ] = 1 2πi ∫ Γ 1 h [ g ( ζ ) ζ−z−h − g ( ζ ) ζ−z ] dζ = = 1 2πi ∫ Γ g( ζ ) ( ζ−z )−( ζ−z−h ) h( ζ−z−h )( ζ−z ) dζ = 1 2πi ∫ G g( ζ ) ( ζ−z−h )( ζ−z ) .
Vizsgáljuk: I=| G( z+h )−G( z ) h − 1 2πi ∫ Γ g( ζ ) ( ζ−z ) 2 dζ |= 1 2π | ∫ γ g( ζ )[ 1 ( ζ−z−h )( ζ−z ) − 1 ( ζ−z ) 2 ]dζ |= MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=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@A137@ = 1 2π | ∫ Γ g( ζ ) ( ζ−z )−( ζ−z−h ) ( ζ−z−h ) ( ζ−z ) 2 dζ |= | h | 2π | ∫ Γ g( ζ ) ( ζ−z−h ) ( ζ−z ) 2 dζ |≤ | h | 2π ⋅ívhossz( Γ )⋅ sup ζ∈Γ 1 | ζ−z−h |⋅ | ζ−z | 2 . Γ⊂ℂ korlátos és zárt, ezért sorozatkompakt is, így a ζ↦ | ζ−z | ,ζ∈Γ folytonos függvényhez ∃ ζ 0 ∈Γ:0< | ζ 0 −z | ︸ :=2d = inf ζ∈Γ | ζ−z | ⇒ | ζ−z | ≥2d ha ζ∈Γ . Ha | h | ≤d⇒ | ζ−z−h | ≥d , ugyanis ζ−z= ( ζ−z−h ) +h⇒ | ζ−z | ≤ | ζ−z−h | + | h | ⇒ | ζ−z−h | ≥ | ζ−z | − | h | =d . I≤ | h | 2π ⋅ívhossz( Γ ) 1 d( 2 d 2 ) →0 MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaamysaiabgsMiJoaalaaabaWaaqWaaeaacaWGObaacaGLhWUaayjcSdaabaGaaGOmaiabec8aWbaacqGHflY1ciGGTdGaaiODaiaacIgacaGGVbGaai4CaiaacohacaGG6bWaaeWaaeaacqqHtoWraiaawIcacaGLPaaadaWcaaqaaiaaigdaaeaacaWGKbWaaeWaaeaacaaIYaGaamizamaaCaaaleqabaGaaGOmaaaaaOGaayjkaiaawMcaaaaacqGHsgIRcaaIWaaaaa@7065@ , ha h→0 . Tehát G ( z+h ) −G ( z ) h → 1 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ( ζ−z ) 2 dζ = G ′ ( z ) .

Spec eset: Γ⊂ℂ egyszerű zárt szakaszonként folytonosan differenciálható görbe, z∈belseje ( Γ ) , g differenciálható egy Γ -t tartalmazó egyszeresen összefüggő tartományon. Ekkor g ( z ) = 1 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ζ−z dζ , az utóbbi tétel szerint pedig ∃ g ( k ) ( z ) = k! 2πi ∫ Γ g ( ζ ) ( ζ−z ) k+1 dζ . Eszerint ha egy komplex függvény egyszer differenciálható, akkor akárhányszor differenciálható.

A primitív függvény és a vonalintegrál kapcsolata

Tétel: tfh g folytonos egy Ω⊂ℂ tartományon, továbbá ∫ Γ g ( z ) dz vonalintegrál értéke tetszőleges Ω -ban haladó egyszerű szakaszonként folytonosan differenciálható görbe esetén annak csak a kezdő és végpontjaitól függ. Legyen a∈Ω rögzített, z∈Ω változó pont, Φ ( z ) := ∫ a z g ( ζ ) dζ . Ekkor Φ ′ ( z ) =g ( z ) .

Bizonyítás: Φ ( z+h ) −Φ ( z ) h = 1 h [ ∫ a z+h g ( ζ ) dζ − ∫ a z g ( ζ ) dζ ] = 1 h ∫ z z+h g ( ζ ) dζ . Vizsgáljuk: | Φ(z+h)−Φ(z) h −g(z) |= =| 1 h ∫ z z+h g( ζ )dζ − 1 h ∫ z z+h g( z )dζ |= 1 | h | | ∫ z z+h ( g( ζ )−g( z ) )dζ |≤ 1 | h | | h | sup ζ∈L( z,z+h ) | g( ζ )−g( z ) | , mely 0-hoz tart, ha | h | is.

Következmény: (Morera tétele) tfh g egy Ω tartományon értelmezett folytonos függvény, amelynek az Ω -ban haladó egyszerű szakaszonként folytonosan differenciálható görbéken vett integrálja csak a kezdő és végpontoktól függ. Ekkor g differenciálható Ω -n (vagyis akárhányszor differenciálható). Ugyanis előbbi tétel szerint a Φ ( z ) = ∫ a z g ( ζ ) dζ függvényre Φ differenciálható és Φ ′ ( z ) =g ( z ) ,tehát Φ egyszer differenciálható, ezért akárhányszor, így g is akárhányszor.

03. 26.

Definíció: ha f az Ω⊂ℂ tartomány minden pontjában differenciálható, akkor f-et holomorfnak nevezzük Ω -n.

Taylor-sorfejtés komplex függvényeken

Lemma: legyen Γ⊂ℂ egyszerű, szakaszonként folytonosan differenciálható görbe, s legyenek f k :Γ→ℂ folytonos függvények, k∈ℕ . Tfh a ∑ k=1 ∞ f k =f sor egyenletesen konvergens. Ekkor f is folytonos (valósban bizonyítottuk, de állítás, hogy komplexben is így van). Ekkor ∫ f ( z ) dz = ∑ k=1 ∞ ∫ f k ( z ) dz , vagyis az integrálás és az összegzés felcserélhető.

Bizonyítás: legyen ϕ: [ α,β ] →ℂ , R ϕ =Γ , ϕ szakaszonként folytonosan differenciálható. Ekkor ∫ Γ f ( z ) dz = ∫ α β f ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) és ∫ Γ f k ( z ) dz = ∫ α β f k ( ϕ ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) , így ∫ Γ f( z ) dz= ∫ α β [ f( ϕ( t ) ) ] ϕ ˙ ( t ) dt= ∫ α β [ ∑ k=1 ∞ f k ( ϕ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) ] ︸ szakaszonként folytonos dt= ∑ k=1 ∞ ∫ α β f k ( ϕ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) dt= ∑ k=1 ∞ ∫ Γ f k ( z ) dz .

Egyenletes konvergencia

Weierstrass-tétele komplex függvényekre

Definíció: legyen f k :Ω→ℂ, f k ∈C ( D f k ) ,Ω⊂ℂ tartomány. Azt mondjuk, hogy a ∑ k=1 ∞ f k =f az Ω belsejében egyenletesen konvergens, ha ∀K⊂Ω sorozatkompakt halmaz esetén a sor K-n egyenletesen konvergens.

Weierstrass tétele: legyen Ω⊂ℂ tartomány, f k :Ω→ℂ függvények holomorfak, továbbá ∑ k=1 ∞ f k sor a Ω belsejében egyenletesen konvergens. Ekkor

  1. f:= ∑ k=1 ∞ f k is holomorf
  2. f ′ = ∑ k=1 ∞ f k ′
  3. az utóbbi sor is egyenletesen konvergens Ω belsejében

Következmény: f ( j ) = ∑ k=1 ∞ f k ( j ) is egyenletesen konvergens Ω belsejében.

Bizonyítás:

  1. egyrészt tudjuk, hogy f= ∑ k=1 ∞ f k folytonos Ω -n (hiszen a sor Ω belsejében egyenletesen konvergens). Legyen z 0 ∈Ω rögzített pontja. Belátjuk, hogy f differenciálható z 0 egy kis K r ( z 0 ) környezetében. Vegyünk egy K r ( z 0 ) -ban haladó, egyszerű szakaszonként folytonosan differenciálható zárt Γ görbét. Belátjuk, hogy ∫ Γ f ( z ) dz =0⇒f holomorf K r ( z 0 ) -n (Morera tétele miatt). Az előbbi lemma alapján ∫ Γ f ( z ) dz = ∫ Γ ∑ k=1 ∞ f k ( z ) ︸ Γ -n egyenl . konv . dz = ∑ k=1 ∞ ∫ Γ f k ( z ) dz =0 .
  2. a Cauchy-féle integrálformula szerint ha z a K r ( z 0 ) := { z: | z− z 0 | =r } körvonal belsejében van, akkor f ( z ) = 1 2π ∫ K r ( z 0 ) f ( ζ ) ζ−z dζ . Ekkor f ′ ( z ) = 1 2πi ∫ K r ( z 0 ) f ( ζ ) ( ζ−z ) 2 dζ = 1 2πi ∫ K r ( z 0 ) ∑ k=1 ∞ f k ( ζ ) ( ζ−z ) 2 dζ = ∑ k=1 ∞ 1 2πi ∫ K r ( z 0 ) f k ( ζ ) ( ζ−z ) 2 dζ = ∑ k=1 ∞ f k ′ ( z ) (itt is felhasználtuk a sor egyenletes konvergenciáját K r ( z 0 ) -n).

További következmény: tekintsük a ∑ k=0 ∞ c k ( z− z 0 ) k hatványsort! Tfh ennek konvergencia sugara R>0 . Tudjuk, hogy | z− z 0 | <R esetén a sor konvergens, ill minden R-nél kisebb sugarú, z 0 középpontú körben a hatványsor egyenletesen konvergens. Mivel f k ( z ) = c k ( z− z 0 ) k holomorf függvény, és az f k függvényekből álló sor a konvergencia sugár belsejében egyenletesen konvergens, így a Weierstrass tételből következően a sor összege is holomorf, és a sor tagonként akárhányszor deriválható. Továbbá f ( z ) := ∑ k=0 ∞ c k ( z− z 0 ) k , mivel a sor most is (komplex értelemben) tagonként differenciálható, ezért egyszerű számolással kapjuk: c k = f ( k ) ( z 0 ) k! .

Definíció: tfh f holomorf függvény z 0 egy környezetében. Ekkor az f függvény Taylor sorát így értelmezzük: ∑ k=1 ∞ f ( k ) ( z 0 ) k! ( z− z 0 ) k .

Tétel: legyen Ω⊂ℂ tartomány, tfh f holomorf Ω -n, z 0 ∈Ω . Tekintsük az f függvény Taylor-sorát z 0 körül! Ekkor f ( z ) = ∑ k=0 ∞ f ( k ) ( z 0 ) k! ( z− z 0 ) k , ahol z∈ B R ( z 0 ) , B R ( z 0 ) := { z: | z− z 0 | <R } az a maximális sugarú z 0 középpontú kör, amely B R ( z 0 ) ⊂Ω .

Példa: legyen f ( z ) := 1 1−z , ekkor f holomorf az ℂ\ { 1 } tartományon. Fejtsük Taylor-sorba f-t a z 0 =0 körül! Ekkor 1 1−z = ∑ k=1 ∞ z k . A sor | z | <1 esetén konvergens, | z | ≥1 esetén divergens, tehát csak akkor igaz az előbbi egyenlőség, ha | z | <1 .

Bizonyítás: legyen z∈ B R ( z 0 ) , ekkor r-t úgy választjuk, hogy | z− z 0 | <r<R . Jelöljük: K r ( z 0 ) := { z: | z− z 0 | =r } . Alkalmazzuk a Cauchy- féle integrálformulát K r ( z 0 ) -ra és z-re: f ( z ) = 1 2πi ∫ K r ( z 0 ) f ( ζ ) ζ−z dζ . A nevező: 1 ζ−z = 1 ( ζ− z 0 ) − ( z− z 0 ) = 1 ζ− z 0 1 1− z− z 0 ζ− z 0 (ez azért jó, mert | z− z 0 ζ− z 0 | <1 , ugyanis | z− z 0 | <r= | ζ− z 0 | ). Tehát 1 ζ−z = 1 ζ− z 0 ∑ k=0 ∞ ( z− z 0 ζ− z 0 ) k = ∑ k=0 ∞ ( z− z 0 ) k ( ζ− z 0 ) k+1 . A sor egyenletesen konvergens, ha ζ∈ K r ( z 0 ) a Weierstrass kritérium szerint. Így f ( z ) = 1 2πi ∫ K r ( z 0 ) f ( ζ ) ∑ k=0 ∞ ( z− z 0 ) k ( ζ− z 0 ) k+1 dζ = ∑ k=0 ∞ ( z− z 0 ) k 1 2πi ∫ K r ( z 0 ) f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) k+1 dζ ︸ := c k = ∑ k=0 ∞ c k ( z− z 0 ) k . Ugyanis tudjuk, hogy f ( k ) ( z 0 ) = k! 2πi ∫ K r ( z 0 ) f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) k+1 dζ ⇒ c k = f ( k ) ( z 0 ) k! .

Következmény: tfh f, g holomorf függvények Ω⊂ℂ tartományon és ∃ z j ,j∈ ℤ + , z j ∈Ω \ { z 0 } :f ( z j ) =g ( z j ) , ahol lim z j = z 0 ∈Ω . Ekkor f ( z ) =g ( z ) ,∀z∈Ω .

Bizonyítás:

  1. először belátjuk, hogy f ( z ) =g ( z ) ,z∈ B R ( z 0 ) ⊂Ω . Fejtsük Taylor-sorba mindkét függvény, f-t és g-t is z 0 körül. f ( z ) = ∑ k=1 ∞ c k ( z− z 0 ) k ,g ( z ) = ∑ k=0 ∞ d k ( z− z 0 ) k , f ( z j ) =g ( z j ) , így f ( z j ) = c 0 + c 1 ( z j − z 0 ) + c 2 ( z j − z 0 ) 2 +... ︸ →0  ha  z j → z 0 , mivel a  f∈C ( z 0 ) = d 0 + d 1 ( z j − z 0 ) + d 2 ( z j − z 0 ) 2 +... ︸ →0 =g ( z j ) ⇒ c 0 = d 0 , így c 1 ( z j − z 0 ) + c 2 ( z j − z 0 ) 2 +..,= d 1 ( z j − z 0 ) + d 2 ( z j − z 0 ) 2 +... Mivel z j ≠ z 0 , ezért oszthatunk z j − z 0 -lal: c 1 +c 2 ( z j − z 0 ) +... ︸ folytonos ,  → 0 = d 1 + d 2 ( z j − z 0 ) +... ︸ folytonos ,  →0 ⇒ c 1 = d 1 , és így tovább, tehát c k = d k ,∀k∈ℕ⇒f ( z ) =g ( z ) ,∀z∈ B R ( z 0 ) .
  2. legyen z∈Ω tetszőleges! Kössük össze z 0 -t és z-t egy véges sok egyenes szakaszból álló Γ törött vonallal. inf { ρ ( ζ,∂Ω ) :ζ∈Γ } :=β>0 . Most z-t és z 0 -t összekötjük egy β sugarú körökből álló körlánccal, ezeken f ( z ) =g ( z ) , az egymás utáni körökön. Spec eset: g ( z ) ≡0 , f ( z j ) =0, z j ∈Ω\ { z 0 } ,j∈ ℤ + ,lim z j = z 0 ∈Ω⇒f ( z ) =0,∀z .

Definíció: legyen f holomorf függvény Ω tartományon, z 0 ∈Ω Azt mondjuk, hogy z 0 az f függvénynek n-szeres gyöke, ha f ( z 0 ) = f ′ ( z 0 ) =...= f ( n−1 ) ( z 0 ) =0, f ( n ) ( z 0 ) ≠0 .

Állítás: z 0 az f-nek n-szeres gyöke ⇔f ( z ) = ( z− z 0 ) n g ( z ) , ahol g holomorf z 0 egy környezetében és g ( z 0 ) ≠0 .

Bizonyítás:

Egész függvények, Liouville tétele

Definíció: ha f függvény holmorf ℂ -n, akkor f-t egész függvénynek nevezzük.

Liouville tétele: ha f egész függvény korlátos ⇒f állandó.

Bizonyítás: tudjuk, hogy f holomorf ℂ -n. Fejtsük Taylor-sorba z 0 =0 körül! Legyen K r := { z∈ℂ: | z | =r } , M r :=sup { | f ( ζ ) | , | ζ | =r } , ekkor ∀z∈ℂ -re f ( z ) = ∑ k=0 ∞ c k z k , c k = f ( k ) ( 0 ) k! = 1 2πi ∫ K r f( ζ ) ζ k+1 dζ ⇒| c k |= 1 2π | ∫ K r f( ζ ) z k+1 dζ |≤ 1 2π 2πr M r r k+1 = M r r k . Ha speciel f korlátos, M r ≤M (r-től függetlenül), így | c k | ≤ M r k ,∀r⇒k≥1 esetén c k =0 , f ( z ) = c 0 .

04. 02.

Az algebra alaptétele

Tétel: legyen P egy legalább elsőfokú, komplex együtthatós polinom! Ekkor mindig ∃ z 0 ∈ℂ:P ( z 0 ) =0 .

Bizonyítás: indirekt feltesszük, hogy P( z )≠0,∀z∈ℂ . Ekkor 1 P holomorf függvény. Belátjuk, hogy korlátos is. P ( z ) = a n z n + a n−1 z n−1 +...+ a 1 z+ a 0 ,n≥1, a n ≠0 . | 1 P ( z ) | = 1 | P ( z ) | = 1 z n | a n + a n−1 z −1 +...+ a 1 z −n+1 + a 0 z −n | ︸ → | a n |  ha  z→∞ , így ∃r , hogy | a n + a n−1 z +...+ a 1 z n−1 + a 0 z n | ≥ | a n | 2 ha | z | ≥r , tehát ∃ρ>0: | z | >ρ⇒ 1 | P ( z ) | ≤1 . | z | ≤ρ esetén | 1 P ( z ) | korlátos a Weierstrass-tétel miatt, hiszen | 1 P | folytonos, a ρ sugarú kör sorozatkompakt. 1 P korlátos, másrészt holomorf ⇒ (Liouvielle-tétel) 1 P =áll.⇒P=áll. , de ez meg ellentmond annak, hogy n≥1 .

Az exponenciális, a szinusz és koszinusz függvények komplex változókon

(Kalkuluson szó volt az exponenciális, a szinusz és koszinusz hatványsoráról a valósban. Ezeket kaptuk: e x = ∑ k=0 ∞ x k k! ,∀x∈ℝ , a konvergencia sugár végtelen. sinx=x− x 3 3! + x 5 5! −...+,− illetve cosx=1− x 2 2! + x 4 4! −...+,− Akkoriban lehetett volna így is definiálni a függvényeket, és az akkori definíciókat meg igazolni. Ha így tettük volna, a komplexes általánosítás könnyebb volna.)

Legyen definíció szerint e z := ∑ k=0 ∞ z k k! ,∀z∈ℂ , a konvergencia sugár ugyanaz, mint valósban, valamint sinz:=z− z 3 3! + z 5 5! −...+,− továbbá cosz:=1− z 2 2! + z 4 4! −...+,− . A hatványsoros definíciós segítségével belátható, hogy e z 1 + z 2 = e z 1 e z 2 = ∑ k=0 ∞ z 1 k k! ⋅ ∑ l=0 ∞ z 2 l l! . A sor abszolút konvergens, így szabadon cserélgethetők a szorzótényezők:. e z 1 + z 2 = ∑ n=0 ∞ ( z 1 + z 2 ) n n! = ∑ n=0 ∞ 1 n! ∑ k=0 n [ ( n k ) z 1 k z 2 n−k ] = ∑ n=0 ∞ [ ∑ k=0 n z 1 k k! z 2 n−k ( n−k )! ] , ahol felhasználtuk a binomiális tételt.

Következmény: legyen z∈ℂ, ( x,y ) ∈ ℝ 2 ,z:=x+iy . Ekkor e z = e x+iy = e x e iy , e iy =1+ iy 1! + ( iy ) 2 2! + ( iy ) 3 3! +...= ( 1− y 2 2! + y 4 4! −...+,− ) +i ( y 1! − y 3 3! + y 5 5! −...+,− ) =cosy+isiny , így e z = e x ( cosy+isiny ) , valamint | e z | = e x = e ℜ ( z ) , arg e z =y=ℑ ( z ) , e iz = ( 1− z 2 2! + z 4 4! −...+,− ) +i ( z 1! − z 3 3! + z 5 5! −...+,− ) , e −iz = ( 1− z 2 2! + z 4 4! −...+,− ) +i ( − z 1! + z 3 3! − z 5 5! +...−,+ ) , így e iz + e −iz 2 =1− z 2 2! + z 4 4! −...+,−=cosz , valamint e iz − e −iz 2i = z 1! − z 3 3! + z 5 5! −...+,−=sinz . Ezek igazak ∀z∈ℂ . Komplexben is igaz, hogy sin 2 z+ cos 2 z=1 , merthogy sin 2 z+ cos 2 z= [ e iz + e −iz 2 ] 2 + [ e iz − e −iz 2i ] 2 = e 2iz + e −2iz +2 4 + e 2iz + e −2iz −2 −4 = 2+2 4 =1 , valamint az összes többi formula, ami valósban is igaz volt (periodicitás, paritás). e z periodikus 2πi szerint, ugyanis e z+2πi = e z e 2πi = e z ( cos ( 2π ) +isin ( 2π ) ) = e z . Ami másképp van: valósban | sinx | ≤1≥ | cosx | , mert sin 2 x+ cos 2 x=1 és sin 2 x≥0 , cos 2 x≥0 , de komplexben ez így nem igaz. Megemlítendő, hogy e z ≠0,∀z∈ℂ , mert e z = e ︸ >0 x ( cosy+isiny ) ︸ abszolút értéke  1 .

Izolált szinguláris pontok, Laurent-sorfejtés

Definíció: ha Ω⊂ℂ tartomány, f:Ω→ℂ holomorf egy z 0 ∈Ω pont kivételével, akkor z 0 −t izolált szinguláris pontnak nevezzük. Cél: f-et szeretnénk valamilyen sorba fejteni z 0 körül.

Tfh z 0 egy izolált szinguláris pont, f holomorf a Ω:= { z∈ℂ:0< | z 0 −z | <R } tartományon, ahol 0<R≤∞ . Válasszuk r 1 , r 2 számokat: 0< r 1 < r 2 <R . z∈Ω esetén r 1 , r 2 megválasztható úgy, hogy 0< r 1 < | z− z 0 | < r 2 <R . Nem nehéz belátni, hogy a Cauchy-féle integrálformula szerint f ( z ) = 1 2πi ∫ S r 2 f ( ζ ) ζ−z dζ − 1 2πi ∫ S r 1 f ( ζ ) ζ−z dζ . ζ∈ S r 2 esetén 1 ζ−z = 1 ( ζ− z 0 ) − ( z− z 0 ) = 1 ζ− z 0 1 1− z− z 0 ζ− z 0 = 1 ζ− z 0 ∑ n=0 ∞ ( z− z 0 ζ− z 0 ) n = ∑ n=0 ∞ ( z− z 0 ) n ( ζ− z 0 ) n+1 , a sor egyenletesen konvergens ζ∈ S r 2 esetén. Ha ζ∈ S r 1 , 1 ζ−z = 1 ( ζ− z 0 ) − ( z− z 0 ) =− 1 z− z 0 1 1− ζ− z 0 z− z 0 =− 1 z− z 0 ∑ m=0 ∞ ( ζ− z 0 z− z 0 ) m =− ∑ m=0 ∞ ( ζ− z 0 ) m ( z− z 0 ) m+1 . Vezessük be az m+1=:−n⇔m=:−n−1 új indexváltozót, így 1 ζ−z =− ∑ n=−1 −∞ ( z− z 0 ) n ( ζ− z 0 ) n+1 . Ekkor f ( z ) = 1 2πi ∫ S r 2 f ( ζ ) ∑ n=0 ∞ ( z− z 0 ) n ( ζ− z 0 ) n+1 dζ + 1 2πi ∫ S r 1 f ( ζ ) ∑ n=−1 −∞ ( z− z 0 ) n ( ζ− z 0 ) n+1 dζ = = ∑ n=0 ∞ ( z− z 0 ) n 1 2πi ∫ S r 2 f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) n+1 dζ + ∑ n=−1 −∞ ( z− z 0 ) n 1 2πi ∫ S r 1 f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) n+1 dζ = = ∑ n=−∞ ∞ ( z− z 0 ) n 1 2πi ∫ S r f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) n+1 dζ =: ∑ n=−∞ ∞ c n ( z− z 0 ) n , ahol c n := 1 2πi ∫ S r f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) n+1 dζ ,0<r<R . (A Cauchy-alaptétel következménye miatt vehetünk S r 1 , S r 2 helyett S r -et.)

Tétel: tfh f holomorf az Ω:= { z∈ℂ:0< | z− z 0 | <R } tartományon, ( 0<R≤∞ ). Ekkor ∀z∈Ω esetén f ( z ) = ∑ n=−∞ ∞ c n ( z− z 0 ) n , ahol c n = 1 2πi ∫ S r f ( ζ ) ( ζ− z 0 ) n+1 dζ . Ezt nevezzük f Laurent sorfejtésének.

Megjegyzés: a Laurent sorfejtés egyértelmű. Ugyanis nem nehéz belátni, hogy ha f ( z ) = ∑ n=−∞ ∞ c n ( z− z 0 ) n = ∑ n=−∞ ∞ d n ( z− z 0 ) n ⇒ d n = c n . A Laurent sorfejtés egyenletesen konvergens belseje( Ω ) -n, azaz minden Ω -ban fekvő sorozatkompakt halmazon.

Az izolált szinguláris pontok osztályozása

f ( z ) = ∑ n=−∞ ∞ c n ( z− z 0 ) n = ∑ n=−∞ −1 c n ( z− z 0 ) n ︸ főrész + ∑ n=0 ∞ c n ( z− z 0 ) n ︸ reguláris rész .

  1. Ha c n =0,∀n∈ ℤ − esetén, akkor z 0 megszüntethető szingularitás, f ( z 0 ) := c 0 <∞ .
  2. Ha véges sok negatív indexű együttható nem 0, akkor z 0 -t pólusnak nevezzük (az ilyen együtthatók száma a pólus rendje).
  3. Ha végtelen sok negatív indexre az együttható nem 0, akkor z 0 -t lényeges szingularitásnak nevezzük.

Definíció: a Laurent sorfejtésben a c −1 együtthatót a függvény z 0 -beli reziduumának nevezzük. Rez z 0 f:= c −1 = 1 2πi ∫ S r f ( ζ ) dζ

Megjegyzés: ∫ S r f ( ζ ) dζ =2πi⋅ Rez z 0 f .

Reziduum-tétel: tfh f holomorf az Ω tartományon a z 1 , z 2 ,..., z k izolált szinguláris pontok kivételével. Ekkor véve olyan egyszerű zárt szakaszonként folytonosan differenciálható Γ görbét, amely Ω -ban van a belsejével együtt, z 1 , z 2 ,..., z k ∈belseje ( Γ ) ⇒ ∫ Γ f ( ζ ) dζ = 1 2πi ∑ j=1 k Rez z j f . Bizonyítás: ∫ Γ f( ζ )dζ = ∑ j=1 k ∫ S j f( ζ )dζ = ∑ j=1 k 2πiRe z z j f .

Reziduum kiszámítása pólus esetén

Tfh f függvénynek z 0 -ban m-edrendű pólusa van: f ( z ) = c −m ( z− z 0 ) m + c −m+1 ( z− z 0 ) m−1 +...+ c −1 z− z 0 + c 0 + c 1 ( z− z 0 ) +...⇒ ⇒f ( z ) ( z− z 0 ) m = c −m + c −m+1 ( z− z 0 ) +...+ c −1 ( z− z 0 ) m−1 + c 0 ( z− z 0 ) m + c 1 ( z− z 0 ) m+1 +... Ez már hatványsor. [ d m−1 d z m−1 ( f ( z ) ( z− z 0 ) m ) ] z= z 0 = c −1 ( m−1 ) !⇒ Rez z 0 f= c −1 = 1 ( m−1 ) ! [ d m−1 d z m−1 ( f ( z ) ( z− z 0 ) m ) ] z= z 0 .

Állítás: az f függvénynek z 0 -ban m-edrendű pólusa van ⇔g ( z ) :=f ( z ) ( z− z 0 ) m holomorf és g ( z 0 ) ≠0 . Ugyanis f( z ) ( z− z 0 ) m = c −m ︸ ≠0 + c −m+1 ( z− z 0 )+...

Állítás: ha h holomorf függvény z 0 -ban és h-nak z 0 -ban m-szeres gyöke van, akkor az f= 1 h függvénynek a z 0 -ban m-edrendű pólusa van.

Bizonyítás: h ( z ) = ( z− z 0 ) m h 1 ( z ) , h 1 ( z 0 ) ≠0 , h 1 holomorf. f ( z ) = 1 h ( z ) = 1 ( z− z 0 ) m h 1 ( z ) , g ( z ) :=f ( z ) ( z− z 0 ) m = 1 h 1 ( z ) holomorf, g ( z 0 ) = 1 h 1 ( z 0 ) ≠0 .

A reziduum kiszámításának két egyszerű esete:

  1. tfh h-nak z 0 -ban egyszeres gyöke van, vagyis h ( z ) = ( z− z 0 ) h 1 ( z ) , h 1 ( z 0 ) ≠0 . f= 1 h -nak z 0 -ban elsőrendű pólusa van. m=1 esetre Re z z 0 f= [ f( z )( z− z 0 ) ] z= z 0 = [ z− z 0 h( z ) ] z= z 0 = lim z→ z 0 z− z 0 h( z ) = lim z→ z 0 z− z 0 h( z )− h( z 0 ) ︸ 0 = lim z→ z 0 1 h( z )−h( z 0 ) z− z 0 = 1 h ′ ( z 0 ) ︸ ≠0 .
  2. tfh f=ϕψ , ahol ϕ holomorf z 0 -ban, viszont ψ -nek elsőrendű pólusa van itt. Rez z 0 f=? ϕ ( z ) = c 0 + c 1 ( z− z 0 ) + c 2 ( z− z 0 ) 2 +... , ψ= d −1 z− z 0 + d 0 + d 1 ( z− z 0 ) + d 2 ( z− z 0 ) 2 +... , így f(z)=ϕ(z)⋅ψ(z)= c 0 d −1 z− z 0 +( c 0 d 0 + c 1 d −1 )+( c 2 d −1 + c 1 d 0 + c 0 d 1 )(z− z 0 )+... , Rez z 0 f= c 0 d −1 =ϕ( z 0 )⋅ Rez z 0 ψ .

Alkalmazás: a reziduum tétel alkalmazása a (valós) improprius integrálok kiszámítására

∫ −∞ ∞ cosx 1+ x 2 dx = ∫ −∞ ∞ cosx+isinx 1+ x 2 dx = ∫ −∞ ∞ e ix 1+ x 2 dx . z↦ e iz 1+ z 2 izolált szingularitás z=±i -ben, máshol holomorf.

04. 16.

∫ −∞ ∞ e ix 1+ x 2 dx = lim R→∞ ∫ −R R e ix 1+ x 2 dx . Legyen Γ R az S R -rel jelölt félkörvonal és a [ −R,R ] intervallum egymásutánja, ekkor ∫ Γ R e iz 1+ z 2 dz = ∫ −R R e iz 1+ z 2 dz + ∫ S R e iz 1+ z 2 dz , tehát lim R→∞ ∫ −R R e ix 1+ x 2 dx = lim R→∞ ( ∫ Γ R e iz 1+ z 2 dz − ∫ S R e iz 1+ z 2 dz ) A reziduum tétel alapján ∫ Γ R e iz 1+ z 2 dz =2πi⋅ Rez i ( z↦ e iz 1+ z 2 ) . A reziduum kiszámításához vegyük észre, hogy e iz 1+ z 2 ︸ f = e iz ︸ ϕ ⋅ 1 1+ z 2 ︸ ψ ⇒ Rez i ( ϕ⋅ψ ) =ϕ ( i ) ⋅ Rez i ( ψ ) =ϕ ( i ) . 1 h ′ ( i ) , ahol h ( z ) =1+ z 2 , így Re z i (f)= e −1 1 2i ⇒ ∫ Γ R e iz 1+ z 2 =2πi 1 e⋅2i = π e .
Most belátjuk, hogy lim R→∞ ∫ S R e iz 1+ z 2 =0 . A számítás során felhasználjuk, hogy | e iz | = e ℜ ( iz ) ≤1 , és hogy | 1+ z 2 |≥| z 2 |−1= | z | 2 −1 . | ∫ S R e iz 1+ z 2 dz | ≤πR⋅ sup z∈ S R | e iz 1+ z 2 | ≤πR 1 | z | 2 −1 =πR 1 R 2 −1 →0 , ha R→∞ , így ∫ −∞ ∞ e ix 1+ x 2 dx = lim R→∞ ∫ −R R e iz 1+ z 2 dz = π e .

Komplex függvények inverze

Először az ún. lokális inverz létezését vizsgáljuk.

Állítás: tfh f holomorf a z 0 pont egy környezetében.

Megjegyzés: abból, hogy ∃f'( z )≠0,∀z∈Ω ⇒ f injektív. Például nézzük az f ( z ) = e z függvényt, mely 2πi szerint periodikus, vagyis f ( z+2πi ) =f ( z ) . Ez a függvény tehát nem injektív, pedig f'( z )=( e z )'= e z ≠0,∀z∈ℂ .

Állítás: az f ( z ) = e z függvény injektív az Ω:= { ℂ∍z=x+iy:x∈ℝ,0≤y<2π } -n és R f =ℂ \ { 0 } .

Bizonyítás: legyen w∈ℂ \ { 0 } és e z =w . z=x+iy⇒ e z = e x+iy = e x ( cosy+isiny ) , valamint w=r⋅ e iϕ =r⋅ ( cosϕ+isinϕ ) , ahol r= | w | , [ 0,2π ) ∍ϕ=argw . e x =r= | w | ⇔x=ln | w | , y=ϕ=argw , tehát e z =w⇔z=x+iy=ln | w | +iargw .

Az előbbiek alapján szeretnénk definiálni a természetes alapú logaritmust a komplex számokon.

Definíció: w∈ℂ \ { 0 } esetén legyen logw:=ln | w | +iargw . (A logaritmus függvény értelmezhető minden olyan tartományon, ahol az argumentum egyértelműen értelmezhető. Mivel log ( z ) =lnz , ha z tisztán valós, olykor logz helyett lnz jelölést használjuk, még ha z nem is tisztán valós.)

Konform leképezések

Definíció: legyen Ω⊂ℂ tartomány. Ha f:Ω→ℂ holomorf és f' ( z ) ≠0,∀z∈Ω , akkor f-t konform leképezésnek nevezzük.

Konform leképezések alaptétele: legyen Ω⊂ℂ egyszeresen összefüggő tartomány, melynek legalább 2 határpontja van. Ekkor létezik egyetlen f konform leképezés, amely Ω -t a ℂ egységkörére képezi injektív módon úgy, hogy egy adott z 0 ∈Ω pontra f ( z 0 ) =0 , arg f' ( z 0 ) =ϕ adott.

Példa: félsík konform leképezése az egységkörre. Ω:= { z∈ℂ:ℑ ( z ) >0 } , K 1 := { w∈ℂ: | w | <1 } . f ( z ) := z− z 0 z− z 0 ¯ e iϕ , ahol a felülvonás a komplex konjugálás. Láthatjuk, hogy f holomorf Ω -n, és ℑ ( z ) >0 miatt | z− z 0 | | z− z 0 ¯ | <1⇔ z− z 0 z− z 0 ¯ ∈ K 1 ⇒w∈ K 1 . Ha ℑ ( z ) =0 , akkor | z− z 0 z− z 0 ¯ | =1 , ha ℑ ( z ) <0⇒ | z− z 0 z− z 0 ¯ | >1 , vagyis ekkor w a K 1 -en kívül van.

Alkalmazás áramlástani feladatokra

Síkbeli az áramlás, ha az áramlás sebessége egy ( x,y ) ∈ ℝ 2 pontban ( u ˜ ( x,y ) , v ˜ ( x,y ) ) , ahol u ˜ ( x,y ) :=u ( x+iy ) , v ˜ ( x,y ) :=v ( x+iy ) , w ˜ ( x,y ) := ( u ˜ ( x,y ) , v ˜ ( x,y ) ) , w ( x+iy ) :=u ( x+iy ) +iv ( x+iy ) , w ¯ ( x+iy ) =u ( x+iy ) −i⋅v ( x+iy ) .

Bizonyos fizikai feltételek teljesülése esetén az áramlás divergencia- és rotációmentes, vagyis 0=div w ˜ := ∂ u ˜ ∂x + ∂ v ˜ dy és 0=rot w ˜ = ∂ v ˜ ∂x − ∂ u ˜ ∂y . A w ¯ függvényre teljesülnek a Cauchy-Reimann parciális differenciálegyenletek ⇒ w ¯ holomorf függvény ( u ˜ és v ˜ folytonosan differenciálható). A w ¯ függvénynek létezik primitív függvénye, f' ( z ) := w ¯ , F:=f+ig . Ekkor F ′ = w ¯ =u−iv F ′ = ∂f ∂x +i ∂g ∂x } u= ∂f ∂x , v=− ∂g ∂x . Mivel F holomorf, ezért F-re is teljesülnek a C-R egyenletek: ∂f ∂x = ∂g ∂y , ∂f ∂y =− ∂g ∂x ⇒u= ∂f ∂x = ∂g ∂y , v=− ∂g ∂x = ∂f ∂y . A fizikában f-et a sebesség potenciáljaként definiáljuk. Belátjuk, hogy g az áramvonalak mentén állandó. Áramvonal: olyan ( ϕ,ψ ) : [ α,β ] → ℝ 2 folytonosan differenciálható görbe, melynél ( ϕ ˙ ( t ) , ψ ˙ ( t ) ) ∥ ( u ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) , v ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) ) ,   t∈ [ α,β ] , vagyis melynél a görbe érintővektora párhuzamos a helyi sebességvektorral. Ekkor
u ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) =λ ( t ) ⋅ ϕ ˙ ( t ) /⋅ ψ ˙ ( t ) v ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) =λ ( t ) ⋅ ψ ˙ ( t ) /⋅ ϕ ˙ ( t ) u ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) ψ ˙ ( t ) − v ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) =0
A C-R egyenletekből következőket felhasználva, majd a közvetett függvény deriválására vonatkozó összefüggésből ∂ g ˜ ∂y ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) ψ ˙ ( t ) + ∂ g ˜ ∂x ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) ϕ ˙ ( t ) =0⇔ d dt [ g ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) ] =0 , tehát a t↦ g ˜ ( ϕ ( t ) ,ψ ( t ) ) függvény állandó.

Lebesgue-integrál

A Reimann integrál hátrányai:

Definíció: legyen I valamilyen ℝ n -beli intervallum, azaz I:= I 1 × I 2 ×...× I n , ahol I j = [ a j , b j ] ∈ℝ egydimenziós intervallumok. Ekkor az I Lebesgue mértéke: λ ( I ) :=λ ( I 1 ) ⋅λ ( I 2 ) ⋅...⋅λ ( I n ) , ahol λ ( I j ) = b j − a j .

Definíció: egy A⊂ ℝ n halmazt nullmértékűnek nevezünk, ha ∀ε>0 szám esetén az A halmaz lefedhető megszámlálhatóan (véges vagy végtelen) sok intervallummal úgy, hogy azok mértékének összege ≤ε , vagyis A⊂ ∪ k=1 ∞ I k ,   I k ⊂ ℝ n , ∑ k=1 ∞ λ ( I k ) ≤ε .

Példák:

  1. minden megszámlálhatóan (véges vagy végtelen) sok pontból álló halmaz ℝ n -ben nullmértékű. Legyen ε>0 tetszőleges. Az i-edik pontot lefedjük egy I i kis intervallummal úgy, hogy mértéke ε 2 i legyen, tehát az első pontot például egy ε 2 mértékű intervallummal. Mivel ∑ k=1 ∞ ε 2 k =ε , így az említett halmaz valóban nullmértékű
  2. ℝ 2 -ben egy egyenes szakasz nullmértékű, ugyanis lefedhető tetszőlegesen kis magasságú téglalappal
  3. ℝ 2 -ben minden egyenes is nullmértékű.
    Ehhez belátjuk, hogy megszámlálhatóan végtelen sok nullmértékű halmaz uniója is nullmértékű: A:= ∪ j=1 ∞ A j , ekkor az első ponthoz hasonlóan A j -t befedjük egy legfeljebb ε 2 j mértékűvel, vagyis A 1 -t egy legfeljebb ε 2 -vel, A 2 -t egy legfeljebb ε 2 2 -tel... Így felhasználva ismét a ∑ k=1 ∞ ε 2 k =ε összefüggést, láthatjuk, hogy az említett halmaz valóban nullmértékű.
04. 23.

Tehát láttuk, hogy ℝ 2 -ben megszámlálhatóan sok nullmértékű halmaz unója is nullmértékű. De ez nem csak ℝ 2 -ben igaz, az érvelés hasonló általános esetben. Legyen A j nullmértékű, belátjuk, hogy ∪ j=1 ∞ A j nullmértékű.
A 1 ⊂ ∪ k=1 ∞ I 1,k ,   ∑ k=1 ∞ λ ( I 1,k ) ≤ ε 2 A 2 ⊂ ∪ k=1 ∞ I 2,k ,   ∑ k=1 ∞ λ ( I 2,k ) ≤ ε 2 2 ⋮ A j ⊂ ∪ k=1 ∞ I j,k ,   ∑ k=1 ∞ λ ( I j,k ) ≤ ε 2 j ⋮
Ezek az I j',k intervallumok megszámlálhatóan végtelen sokan vannak, mert sorba rendezhetjük őket (táblázatba rendezve őket, az átlók mentén a sorrend: I 1,1 ,   I 1,2 ,   I 2,1 ,   I 1,3 ,   I 2,2 ,   I 3,1 … ), ekkor pedig ∑ j'=1 ∞ ε 2 j' =ε miatt az unió is nullmértékű.

Előző órán láttuk, hogy ℝ 2 -ben egy egyenes nullmértékű, ugyanis megszámlálhatóan végtelen sok nullmértékű halmaz uniója. Hasonlóan, ℝ 3 -ben egy sík nullmértékű...

Lépcsős függvények integrálja

Definíció: legyen f: ℝ n →ℝ olyan függvény, hogy véges sok intervallumban nem 0 állandó, máshol 0. Ekkor f-t lépcsős függvénynek nevezzük.

Definíció: legyen f lépcsős függvény, mely az I k intervallumon c k -val egyenlő. Ekkor ∫ f := ∑ k=1 ∞ c k λ ( I k ) . Belátható, hogy a definíció egyértelmű.

A lemma Legyen ( f j ) lépcsős függvények monoton csökkenő sorozata, amelyre lim j→∞ f j ( x ) =0,∀x∈ { ℝ\A } , ahol A nullmértékű halmaz. Ezt úgy mondjuk, hogy a limesz majdnem x-re vagy majdnem mindenütt 0. Ekkor az integrálok lim j→∞ ∫ f j =0 sorozata . (Bizonyítás nélkül.)

B lemma Legyen ( f j ) lépcsős függvények egy monoton növő sorozata, amelyre az integrálok sorozata ∫ f j felülről korlátos, ∫ f j ≤C∈ℝ,∀j ⇔lim ∫ f j véges. Ekkor majdnem minden x∈ ℝ n pontra lim j→∞ f j ( x ) is véges.

Bizonyítás: legyen M 0 := { x∈ ℝ n : lim j→∞ f j ( x ) =∞ } ! Ekkor belátandó, hogy M 0 nullmértékű. Tetszőleges rögzített ε>0 esetén legyen M ε,j := { x∈ ℝ n : f j ( x ) > C ε } ! Mivel ( f j ) monoton növő, ezért M ε,1 ⊂ M ε,2 ⊂ M ε,3 ⊂…⇒ M ε,N = ∪ j=1 N M ε,j . Jelöljük: M ε := { x∈ ℝ n :∃j∈ℕ: f j ( x ) > C ε } . Ekkor M ε = ∪ j=1 ∞ M ε,j , M 0 ⊂ M ε ,∀ε>0 . M ε,j véges sok diszjunkt intervallum egyesítése, melyek mértékének összege ≤ε,∀j , mert ha nem így lenne, akkor az ∫ f j >ε C ε =C ellentmondásra vezetne. Tehát M ε = ∪ j=1 ∞ M ε,j megszámlálhatóan végtelen sok intervallum uniója, M ε,1 ⊂ M ε,2 ⊂...⇒λ ( M ε,1 ) ≤λ ( M ε,2 ) ≤...≤ε⇒λ ( M ε ) =λ ( ∪ j=1 ∞ M ε,j ) ≤ε . M 0 ⊂ M ε ,∀ε>0⇒ M 0 nullmértékű.

Definíció: jelölje C 1 az olyan f: ℝ n →ℝ függvények összességét, amelyekhez léteznek lépcsős függvények monoton növekedő olyan ( f j ) sorozata, hogy f ( x ) = lim j→∞ f j ( x ) majdnem minden x-re és ( ∫ f j ) sorozat felülről korlátos ⇔∃lim ∫ f j <∞ .

Megjegyzés: tfh f∈ C 1 . Ekkor az ∫ f -t így szeretnénk értelmezni: ∫ f := lim j→∞ ∫ f j . Kérdés:

  1. egy ilyen definíció egyértelmű lenne-e, vagyis függ-e az ( f j ) sorozat megválasztásától?
  2. Ha spec. f lépcsős függvény, akkor a régi és az új definíció azonos-e?

Tétel: legyenek f,g∈ C 1 , f≤g , ( f j ) és ( g j ) lépcsős függvények monoton sorozata úgy, hogy lim ( f j ) =f , lim ( g j ) =g , továbbá ∫ f j és ∫ g j korlátos. Ekkor lim ∫ f j ≤lim ∫ g j .

Bizonyítás: jelöljük egy h: ℝ n →ℝ függvény pozitív illetve negatív részét: h + ( x ) := { h ( x ) ha  h ( x ) >0 0 ha  h ( x ) ≤0 , h − ( x ) := { h ( x ) ha  h ( x ) <0 0 ha  h ( x ) ≥0 . Tekintsük rögzített j∈ℕ esetén a következő függvénysorozatot: ( f j − g k ) k∈ℕ . Mivel ( g k ) monoton növő, ( f j − g k ) k∈ℕ monoton csökkentő függvénysorozat. lim k→∞ ( f j − g k ) = f j −g majdnem mindenütt. Mivel ( f j ) monoton növő és lim ( f j ) =f majdnem mindenütt ⇒ f j ≤f≤g ⇒ f j ≤g , vagyis f j −g≤0 majdnem mindenütt. lim k→∞ ( f j − g k ) = f j −g≤0 . Tekintsük ( f j − g k ) k∈ℕ + -t, ez is lépcsős függvénysorozat, ez is monoton csökkenő, lim k→∞ ( f j − g k ) + = ( f j −g ) + =0 majdnem mindenütt. Alkalmazzuk az A lemmát az ( f j − g k ) k∈ℕ + sorozatra ⇒ lim k→∞ ∫ ( f j − g k ) + =0 . Nyilván h − ≤h≤ h + ⇒ f j − g k ≤ ( f j − g k ) + ⇒ ∫ ( f j − g k ) ≤ ∫ ( f j − g k ) + ⇒ ∫ f j − ∫ g k ≤ ∫ ( f j − g k ) + . Ekkor k→∞ esetre ∫ f j − lim k→0 ∫ g k ≤0⇒ ∫ f j ≤ lim k→∞ ∫ g k ,∀j , ezért lim j→∞ ∫ f j ≤ lim k→∞ ∫ g k .

Következmények:

  1. Ha f=g∈ C 1 és ( f j ) és ( g j ) lépcsős függvények monoton növekedő sorozata, amelyekre lim ( f j ) =f majdnem mindenütt és lim ( g j ) =g majdnem mindenütt, akkor ⇒lim ∫ f j =lim ∫ g j . Most már lehet definiálni: ∫ f :=lim ∫ f j , ahol f∈ C 1 .
  2. Ha f spec. lépcsős függvény, akkor a régi és az új integrál definíciója azonos, ugyanis választható f j =f -nek.
  3. f,g∈ C 1 és f≤g⇒ ∫ f ≤ ∫ g .

Az integrál tulajdonságai C 1 -ben

  1. Ha f,g∈ C 1 ⇒ ( f+g ) ∈ C 1 és ∫ ( f+g ) = ∫ f + ∫ g .
  2. Tfh f∈ C 1 ,λ≥0 állandó λ⋅f∈ C 1 és ∫ λf =λ ∫ f .
  3. Ha f∈ C 1 ⇒ f + ∈ C 1 , f − ∈ C 1 .

Bizonyítás:

  1. Definíció szerint ∃ ( f j ) és ∃ ( g j ) monoton növekedő lépcsős függvénysorozatok, melyekre lim ( f j ) =f majdnem mindenütt, lim ( g j ) =g majdnem mindenütt és ∫ f =lim ∫ f j valamint ∫ g =lim ∫ g j . ( f j + g j ) lépcsős függvények monoton növő sorozata, lim ( f j + g j ) =f+g . lim ∫ ( f j + g j ) =lim [ ∫ f j + ∫ g j ] =lim ∫ f j +lim ∫ g j ⇒ ⇒ ∫ ( f+g ) =lim ∫ f j +lim ∫ g j = ∫ f + ∫ g .
  2. f∈ C 1 ⇒∃ ( f j ) lépcsős függvények monoton növő sorozata, hogy lim ( f j ) =f majdnem mindenütt. Ekkor lim ∫ f j = ∫ f ⇒ ( λ f j ) lépcsős függvények monoton sorozata, lim ∫ λ f j =λlim ∫ f j =λ ∫ f ⇒ ∫ λf =λ ∫ f .
  3. ( f j ) →f monoton növekvő, ( f j + ) → f + monoton növekvő, és ( f j − ) → f − szintén

Definíció: ( f∪g ) ( x ) :=max { f ( x ) ,g ( x ) } , ( f∩g ) ( x ) :=min { f ( x ) ,g ( x ) } .

Állítás: ha f,g∈ C 1 ⇒ ( f∪g ) ∈ C 1 , ( f∩g ) ∈ C 1 .

Integrálás a C 2 osztályában

Definíció: ha f= f 1 − f 2 , ahol f 1 , f 2 ∈ C 1 , akkor f∈ C 2 . Ekkor legyen ∫ f := ∫ f 1 − ∫ f 2 .

Állítás: az integrál definíciója egyértelmű.

Bizonyítás: legyen f= f 1 − f 2 = g 1 − g 2 , ahol f 1 , f 2 , g 1 , g 2 ∈ C 1 . ∫ f 1 − ∫ f 2 = ∫ g 1 − ∫ g 2 ugyanis ∫ f 1 + ∫ g 2 = ∫ g 1 + ∫ f 2 , mert f 1 + g 2 = g 1 + f 2 ⇒ ∫ f 1 + ∫ g 2 = ∫ g 1 + ∫ f 2 .

A C 2 -beli integrál tulajdonságai:

  1. ha f,g∈ C 2 ⇒f+g∈ C 2 és ∫ f+g = ∫ f + ∫ g
  2. f∈ C 2 ,λ∈ℝ⇒λ⋅f∈ C 2 és ∫ λf =λ ∫ f
  3. f,g∈ C 2 , f≤g⇒ ∫ f ≤ ∫ g
  4. Ha f∈ C 2 , akkor egy nullmértékű halmazon megváltoztatva szintén továbbra is ∈ C 2 marad, és az integrál értéke nem változik
  5. Ha f∈ C 2 ⇒ f + , f − , | f | ∈ C 2 .
  6. Ha f∈ C 2 ⇒ | ∫ f | ≤ ∫ | f | .
  7. Legyen f∈ C 2 , ekkor ∃ ( f j ) lépcső függvényekből álló sorozat (nem feltétlen monoton), hogy ( f j ) →f majdnem mindenhol és ∫ f j → ∫ f

Bizonyítás:

  1. f= f 1 − f 2 , g= g 1 − g 2 , ahol f 1 , f 2 , g 1 , g 2 ∈ C 1 ⇒f+g= ( f 1 + g 1 ) ︸ ∈ C 1 − ( f 2 + g 2 ) ︸ ∈ C 1 , ∫ ( f+g ) = ∫ ( f 1 + g 1 ) − ∫ ( f 2 + g 2 ) = [ ∫ ( f 1 ) + ∫ ( g 1 ) ] − [ ∫ ( f 2 ) + ∫ ( g 2 ) ] = = ( ∫ f 1 − ∫ f 2 ) + ( ∫ g 1 − ∫ g 2 ) = ∫ f + ∫ g
  2. f= f 1 − f 2 , f 1 ∈ C 1 , ekkor λf=λ f 1 −λ f 2 . Ha λ≥0 , akkor λf= λ f 1 ︸ ∈ C 1 − λ f 2 ︸ ∈ C 1 . Ha λ<0⇒λf= ( −λ ) ︸ >0 f 2 − ( −λ ) ︸ >0 f 1 .
  3. f≤g⇒g−f≥0 . Azt kellene igazolni, hogy ekkor ∫ ( g−f ) ︸ =h ≥0 . h≥0 , h:= h 1 − h 2 , h j ∈ C 1 ⇒ h 1 ≥ h 2 ⇒ ∫ h 1 ≥ ∫ h 2 ⇒ ∫ h 1 − ∫ h 2 ≥0⇒ ∫ h ≥0 .
  4. f= f 1 − f 2 , f j ∈ C 1 . | f | = ( f 1 ∪ f 2 ) ︸ ∈ C 1 − ( f 1 ∩ f 2 ) ︸ ∈ C 1 . f + = ( f 1 ∪ f 2 ) − f 2 , f − = ( f 1 ∪ f 2 ) ︸ ∈ C 1 − f 1 ︸ ∈ C 1
  5. − | f | ≤f≤ | f | ⇒− ∫ | f | ≤ ∫ f ≤ ∫ | f | .
  6. f∈ C 2 ⇒∃g,h:f=g−h , ahol g,h∈ C 1 ⇒∃ ( g j ) (monoton növő) lépcsős függvénysorozat, hogy ( g j ) →g majdnem mindenütt és lim ∫ g j = ∫ g továbbá ∃ ( h j ) (monoton növő) lépcsős függvénysorozat, hogy ( h j ) →h majdnem mindenütt és lim ∫ h j = ∫ h ⇒lim ( g j − h j ) :=lim ( f j ) =g−h=f majdnem mindenütt, ∫ lim( g j − h j ) = ∫ ( lim g j −lim h j ) =lim ∫ g j −lim ∫ h j = ∫ g − ∫ h = ∫ f .

Állítás: ha f,g∈ C 2 ⇒ ( f∪g ) ∈ C 2 , ( f∩g ) ∈ C 2 .

Bizonyítás: f∪g= ( f−g ) + ︸ ∈ C 2 + g ︸ ∈ C 2 , f∩g= f ︸ C 2 − ( f−g ) + ︸ C 2

Beppo Levi tétele (monoton sorozatokból, illetve nemnegatív tagú sorokról)

  1. Tfh f j ∈ C 2 (integrálható), ( f j ) monoton nő és lim ∫ f j véges ( ⇔ ∫ f j felülről korlátos). Ekkor f ( x ) :=lim ( f j ( x ) ) véges majdnem minden x-re, továbbá f is integrálható, ∫ f =lim ∫ f j .
  2. Sorokra: tfh g j ∈ C 2 , g j ≥0 és ∑ j=1 ∞ ∫ g j <∞ . Ekkor majdnem minden x-re C 2 ∍f ( x ) := ∑ j=1 ∞ g j ( x ) <∞ (a sor konvergens) és ∫ f = ∑ j=1 ∞ ∫ g j .

A két állítás egymással ekvivalens, ugyanis legyen f k := ∑ k=1 k g j . Az f k monoton nő ⇔ g j ≥0 , lim ∫ f k =lim ∫ ∑ j=1 k g j =lim ∑ j=1 k ∫ g j . A sorokra vonatkozó formáját fogjuk bizonyítani.

04.30

Beppo Levi tételének bizonyítása

Két részre bontjuk a bizonyítást, első részben g j ∈ C 1 .
Ez azt jelenti, hogy ∃ h j k : lim k→∞ ( h j k ) = g j majdnem mindenütt, ahol h j k lépcsős függvények, monoton nőnek, továbbá ∫ g j = lim k→∞ ∫ h j k . Mivel g j ≥0 , ezért feltehető, hogy h j k ≥0 , ugyanis h j k helyett választhatnánk a h j k + függvényeket is. 5let: jelöljük H k := ∑ j=1 k h j k , ekkor H k is lépcsős függvény és ( H k ) monoton növő sorozat, ugyanis H k+1 = ∑ j=1 k+1 h j k+1 ≥ ∑ j=1 k h j k+1 ≥ ∑ j=1 k h j k = H k , továbbá h j k ≤ g j , mert ( h j k ) k∈ℕ monoton növőleg tart g j -hez. H k = ∑ j=1 k h j k ≤ G k := ∑ j=1 k g j ⇒ ∫ H k ≤ ∫ G k = ∫ ∑ j=1 k g j = ∑ j=1 k ∫ g j ≤ ∑ j=1 ∞ ∫ g j <∞ . Alkalmazzuk a B lemmát a ( H k ) sorozatra. Eszerint ∃H:lim ( H k ) =H⇒H∈ C 1 majdnem mindenütt, és ∫ H =lim ∫ H k . Legyen m>k , ekkor H m = ∑ j=1 m h j m ≥ ∑ j=1 k h j m . Ha most m→∞ , akkor H m →H, h j m → g j majdnem mindenütt, így H≥ ∑ j=1 k g j = G k . Tehát H k ≤ G k ≤H . Ha most k→∞ , akkor H k →H , így G k →H . lim k→∞ ∑ j=1 k g j ( x ) =H ( x ) =:f ( x ) , vagyis ∑ j=1 ∞ g j ( x ) =f ( x ) . H∈ C 1 ⇔f∈ C 1 . H k ≤ G k ≤H⇒ ∫ H k ≤ ∫ G k ≤ ∫ H , ahol ∫ H k → ∫ H , így ∫ G k → ∫ H = ∫ f . ∫ ∑ j=1 k g j = ∑ j=1 k ∫ g j → ∫ f .

Most a második része a bizonyításnak: általános estben vizsgálódunk, mikor g j ∈ C 2 . Észrevétel: ∀ε>0∀ϕ∈ C 2 ∃ ϕ 1 , ϕ 2 ∈ C 1 :ϕ= ϕ 1 − ϕ 2 , ϕ 2 ≥0, ∫ ϕ 2 ≤ε . Ugyanis tetszőleges ϕ∈ C 2 esetén ϕ előállítható ϕ= ϕ 1 − ϕ 2 formában, ahol ϕ 1 , ϕ 2 ∈ C 1 . Mivel ϕ 2 ∈ C 1 , ezért ∃ ( ψ k ) monoton növő lépcsős függvény sorozat, amelyre lim ( ψ k ) = ϕ 2 majdnem mindenütt , lim ∫ ( ψ k ) = ∫ ϕ 2 . ϕ 2 ≥ ψ k ⇒ ϕ 2 − ψ k ≥0,∀k . ∀ε>0∃ k 0 : ∫ ( ϕ 2 − ψ k 0 ) ≤ε . Így ϕ= ( ϕ 1 − ψ k 0 ) ︸ ∈ C 1 − ( ϕ 2 − ψ k 0 ) ︸ ≥0,∈ C 1 , ∫ ( ϕ 2 − ψ k 0 ) ≤ε .

Alkalmazzuk tehát az észrevételt g j ∈ C 2 függvényekre: g j = g j,1 − g j,2 , ahol g j,1 , g j,2 ∈ C 1 és g j,2 ≥0 , ∫ g j,2 ≤ 1 2 j . Tehát g j,2 ≥0 , g j,2 ∈ C 1 , ∑ j=1 ∞ ∫ g j,2 ≤ ∑ j=1 ∞ 1 2 j <∞ . A g j,2 tagokból álló sorra alkalmazható a bizonyítás első része, így ∑ j=1 ∞ g j,2 ( x ) := g 2 * ( x ) konvergens majdnem minden x-re, g 2 * ∈ C 1 , ∫ g 2 * = ∑ j=1 ∞ ∫ g j,2 . Másrészt g j,1 = g j + g j,2 ≥0 , g j,1 ∈ C 1 . ∫ g j,1 = ∫ g j + ∫ g j,2 , így ∑ j=1 ∞ ∫ g j,1 = ∑ j=1 ∞ ∫ g j + ∑ j=1 ∞ ∫ g j,2 , ezért a g j,1 tagokból álló sorra is alkalmazható a bizonyítás első része ⇒ ∑ j=1 ∞ g j,1 ( x ):= g 1 * ( x ) konvergens majdnem minden x-re, g 1 * ∈ C 1 , ∫ g 1 * = ∑ j=1 ∞ ∫ g j,1 , így ∑ j=1 ∞ g j = ∑ j=1 ∞ ( g j,1 − g j,2 )= g 1 * − g 2 * =:f konvergens majdnem minden x-re és f∈ C 2 , mert g 1 * ∈ C 1 és g 2 * ∈ C 1 ; továbbá ∫ f = ∑ j=1 ∞ ∫ g j .

Következmények (a vizsgán a tételek következményei legalább oly fontosak, mint a bizonyítások):

  1. tfh f j ∈ C 2 , ( f j ) monoton nő, lim ( f j ) =f majdnem mindenütt, ahol f∈ C 2 , ekkor ∫ f =lim ∫ f j . Ugyanis a feltevésekből következik, hogy f j ≤f⇒ ∫ f j ≤ ∫ f , így a Beppo-Levi tétel miatt ∫ f =lim ∫ f j .
  2. tfh g j ∈ C 2 , g j ≥0 , ∑ j=1 ∞ g j =f majdnem mindenütt, vagyis konvergens, ahol f∈ C 2 . Ekkor ∫ f = ∑ j=1 ∞ ∫ g j . (A részletösszegekre alkalmazzuk az 1-t.)
  3. ha g j ∈ C 2 , de nem teszem fel róluk, hogy nemnegatívak, de ∑ j=1 ∞ ∫ | g j | <∞⇒ majdnem minden x-re ∑ j=1 ∞ g j ( x ) =f ( x ) , vagyis a sor majdnem mindenütt konvergens, ahol f∈ C 2 , ∫ f = ∑ j=1 ∞ ∫ g j .
    Bizonyítás: − | g j | ≤ g j − ≤ g j ≤ g j + ≤ | g j | ⇒ ∫ g j + ≤ ∫ | g j | , ∑ j=1 ∞ ∫ g j + <∞ . − g j − ≤ | g j | ⇒ ∫ ( − g j − ) ≤ ∫ | g j | ⇒ ∑ j=1 ∞ ∫ ( − g j − ) ≤ ∑ j=1 ∞ ∫ | g j | <∞ . A Beppo Levi tétel alkalmazható g j + , illetve a ( − g j − ) tagokból álló sorra. Tehát ∃ lim k→∞ ∑ j=1 k ( − g j − ) :=− f − és ∃ lim k→∞ ∑ j=1 k g j + := f + , így g j = g j + + g j − ⇒ ∑ j=1 ∞ g j = ∑ j=1 ∞ ( g j + + g j − ) = ∑ j=1 ∞ g j + + ∑ j=1 ∞ g j − = f + + f − :=f , valamint ∫ f = ∫ ( f − + f + ) = ∫ ( ∑ j=1 ∞ g j − + ∑ j=1 ∞ g j + ) = ∑ j=1 ∞ ∫ g j − + ∑ j=1 ∞ ∫ g j + .
  4. ha f∈ C 2 , f≥0 , ∫ f =0⇒f=0 majdnem mindenütt.
    Bizonyítás: alkalmazzuk a Beppo Levi tételt g j :=f ∀j -re: g j ≥0 , g j ∈ C 2 , ∫ g j = ∫ f =0⇒ ∑ j=1 ∞ ∫ g j =0 ⇒ ∑ j=1 ∞ g j ( x ) ︸ f ( x ) konvergens majdnem minden x-re ⇒f ( x ) =0 majdnem minden x-re.

Lebesgue tétel

Kérdés: ha f j ∈ C 2 , lim ( f j ) =f majdnem mindenütt, akkor igaz-e, hogy ⇒f∈ C 2 , ∫ f =lim ∫ f j .
Válasz: általában nem, de más megszorítást alkalmazva már igen.

Példák:

  1. f j ( t ) = ( j+1 ) t j ,t∈ [ 0,1 ] ,j∈ℕ . Ekkor lim j→∞ f j ( t ) = { 0 ha  t∈ [ 0,1 ) ∞ ha  t=1 , vagyis lim f j =0 majdnem mindenütt a [ 0,1 ] intervallumon. lim j→∞ ∫ 0 1 f j ( t ) = [ t j+1 ] 0 1 =1≠ ∫ 0 1 lim j→∞ f j ( t ) =0 .
  2. f j ( t ) = ( j+1 ) 2 t j ,t∈ [ 0,1 ] ,j∈ℕ , ekkor megint lim f j =0 majdnem mindenütt, de ∫ 0 1 f j ( t ) = ( j+1 ) →∞ .

Tétel (Lebesgue tétel): tfh f j ∈ C 2 , lim f j =f majdnem mindenütt, ∃g∈ C 2 : | f j ( x ) | ≤g ( x ) majdnem minden x-re, ∀j . Ekkor f∈ C 2 és ∫ f =lim ∫ f j .

Bizonyítás: jelöljük: h j ( x ) :=sup { f j ( x ) , f j+1 ( x ) ,... } = ∪ k=j ∞ f k ( x ) . Mivel lim j→∞ f j ( x ) =f ( x ) majdnem mindenütt, ezért lim j→∞ h j ( x ) =f ( x ) majdnem minden x-re, ( h j ) monoton csökkenő sorozat. Belátandó először, hogy h j ∈ C 2 ,∀j . Pl.: h 1 ( x ) =sup { f 1 ( x ) , f 2 ( x ) ,... } , h 1,k :=sup { f 1 ( x ) , f 2 ( x ) ,…, f k ( x ) } = ∪ j=1 k f j . h 1,k ∈ C 2 , ( h 1,k ) növő, ∫ h 1,k ≤ ∫ g ⇒ lim k→∞ h 1,k véges majdnem mindenütt (Beppo Levi monoton (növő) sorozatokra), így h 1 = lim k→∞ h 1,k ⇒ h 1 ∈ C 2 . ( h j ) ∈ C 2 , monoton csökkenő sorozat, ∫ h j ≥− ∫ g ⇒lim h j =f integrálható (Beppo Levi monoton (csökkenő) sorozatokra), továbbá ∫ f =lim ∫ h j . Észrevétel: f j ≤ h j ⇒ ∫ f j ≤ ∫ h j . Most fordítva: ϕ j ( x ) :=inf { f j ( x ) , f j+1 ( x ) ,... } . Ekkor lim ϕ j =f majdnem mindenütt, ( ϕ j ) monoton növő. Ekkor az előbbiekhez hasonló módon belátható, hogy ϕ j ∈ C 2 ,∀j . ϕ j ≤ f j ≤g⇒ ∫ ϕ j ≤ ∫ g . Ekkor a Beppo Levi tételét alkalmazva monoton (növő) sorozatokra, lim ( ϕ j ) =f integrálható, ∫ f =lim ∫ ϕ j , ϕ j ≤ f j ≤ h j ⇒ ∫ ϕ j ≤ ∫ f j ≤ ∫ h j ⇒lim ∫ f j =f .

Spec eset: (kis Lebesgue tétel) tfh ( f j ) →f majdnem mindenütt, ∃a>0: | x | >a esetén f j ( x ) =0 és ∃K>0: | x | ≤a esetén | f j ( x ) | ≤K , ∀j . Ekkor f∈ C 2 és ∫ f =lim ∫ f j .

Bizonyítás: a g ( x ) := { K ha  | x k | ≤a,∀k 0 egyébként függvényt bevezetve az állítást visszavezettük az előző tételre.

Tétel (Fatou lemma): tfh f j ∈ C 2 , lim ( f j ) =f majdnem mindenütt, továbbá 0≤ f j majdnem mindenütt, ∫ f j viszont felülről korlátos. Ekkor f∈ C 2 , ∫ f ≤liminf ∫ f j . (Bizonyítás lehetséges a Lebesgue tétel bizonyításának gondolatmenetével.)

Tétel: tfh f j ∈ C 2 , lim ( f j ) =f majdnem mindenütt és ∃g∈ C 2 : | f | <g . Ekkor f∈ C 2 .

Bizonyítás: visszavezetjük a Lebesgue tételre. Legyen g j ( x ) := { f j ( x ) ha  | f j ( x ) | ≤g ( x ) g ( x ) ha  f j ( x ) >g ( x ) −g ( x ) ha  f j ( x ) <−g ( x ) . Ekkor | g j | ≤g∈ C 2 . Mivel | f | ≤g és lim ( f j ) =f majdnem mindenütt ⇒lim ( g j ) =f majdnem mindenütt a definícióból következően. Alkalmazzuk a ( g j ) sorozatra a Lebesgue tételt, melyből következik, hogy f∈ C 2 .

Mérhető függvények

Definíció: egy f: ℝ n →ℝ függvényt (Lebesgue szerint) mérhetőnek nevezünk, ha előállítható lépcsős függvények konvergens sorozatának határértékeként majdnem mindenütt.

Állítás: ha f∈ C 2 ⇒f mérhető. Ezt láttuk korábbról már. ( C 2 osztály tárgyalása során.)

Állítás: ha f mérhető és ∃g∈ C 2 : | f | ≤g⇒f∈ C 2 . Ez következik az előző tételből.

Példa: mérhető, de nem integrálható függvényre: f ( x ) =1,∀x∈ ℝ n , f j ( x ) = { 1 ha  | x k | ≤j,∀k=1,2,...,n 0 egyébként . Ekkor f j ∈ C 2 lépcsős függvény, lim f j ( x ) =f ( x ) ,∀x⇒f mérhető, de ∫ f j →∞ , vagyis f nem integrálható, ugyanis ( f j ) monoton nő, ezért ha f integrálható lenne, akkor Beppo Levi miatt ∫ f =lim ∫ f j =∞ lenne.

Állítás: ha f, g mérhetőek, akkor

  1. f+g is mérhető,
  2. f⋅g is mérhető,
  3. f g is mérhető, ha g≠0 majdnem mindenütt.

Bizonyítás:

  1. f=lim ( f j ) majdnem mindenütt, f j lépcsős függvény, g=lim ( g j ) majdnem mindenütt, g j lépcsős függvény, f+g=lim ( f j + g j ) majdnem mindenütt, f j + g j is lépcsős függvény.
  2. 1 g -re látjuk be, mellyel a 3. állítás 2-ból igazolható: g=lim ( g j ) majdnem mindenütt, h j := { 1 g ( x ) ha  g j ( x ) ≠0 0 ha  g j ( x ) =0 , melyből következik, hogy lim ( h j ) = 1 g majdnem mindenütt.
05.14

Tétel: tfh f j mérhető, lim ( f j ) =f majdnem mindenütt ⇒f mérhető.

Bizonyítás: legyen g: ℝ n →ℝ olyan függvény, hogy g ( x ) >0,∀x és g∈ C 2 . Értelmezzük a h j függvényeket az alábbiak szerint: h j := f j g | f j | +g , h j mérhető és | h j | ≤g⇒ h j ∈ C 2 . lim ( h j ) = fg | f | +g :=h majdnem mindenütt. Alkalmazzuk a Lebesgue tételt a ( h j ) sorozatra! h= fg | f | +g ∈ C 2 , így a fenti összefüggés szerint fg | f | +g =h⇒fg− | f | h=gh⇔fg−f | h | =gh mert sgnh=sgnf , így f= gh g− | h | , ez pedig mérhető, mert a számláló mérhető, ugyanis g és h is mérhetők, és mert a nevező is mérhető, továbbá g− | h | >0 , ugyanis | h | = | f | g | f | +g <g .

Tétel: tfh f 1 , f 2 ,..., f r : ℝ n →ℝ mérhető, g: ℝ r →ℝ folytonos! Ekkor h:=g∘ ( f 1 , f 2 ,..., f r ) : ℝ n →ℝ mérhető.

Bizonyítás: f k mérhető ⇒∃ ( ϕ k,j ) j∈ℕ lépcsős függvénysorozat, hogy ( ϕ k,j ) j∈ℕ → f k majdnem mindenütt. h j :=g∘ ( ϕ 1,j , ϕ 2,j ,..., ϕ r,j ) véges sok intervallumon állandó. g ( 0,0,...,0 ) ≠0 esetén h j helyett vesszük a h j ∗ ( x ) = { h j ( x ) ha  | x | ≤j 0 ha  | x | >j függvényt. Mivel h j ( x ) →h ( x ) minden x-re ⇒ h j ∗ ( x ) →h ( x ) majdnem minden x-re, h j * lépcsős függvény.

Mérhető halmazok, mérték

Definíció: legyen A⊂ ℝ n halmaz. Az A halmaz karakterisztikus függvényének nevezzük: χ A ( x ) := { 1 x∈A 0 x∈ ℝ n \A . Látható, hogy ekkor χ A ( x ) ≥0 .

Definíció: Egy A⊂ ℝ n halmazt mérhetőnek nevezünk, ha χ A ( x ) mérhető függvény. Ekkor az A halmaz mértékét így értelmezzük: λ ( A ) := { ∫ ℝ n χ A χ A ∈ C 2 ∞ χ A ∉ C 2 (korábban lehagytuk, hogy milyen halmazon integrálunk, mert egyértelmű volt). Láthatjuk, hogy λ ( A ) ≥0 .

Állítás: két mérhető halmaz különbsége, véges és megszámlálhatóan végtelen sok mérhető halmaz uniója és metszete is mérhető.

Bizonyítás: χ A\B = χ A − χ A χ B mérhető függvény. χ ∪ j=1 k A j = ∪ j=1 k χ A j , ahol χ A j mérhető függvények (felső burkoló). χ ∪ j=1 ∞ A j = lim k→∞ ∪ j=1 k χ A j

Állítás: egy A⊂ ℝ n nullmértékű ⇔λ ( A ) =0 , azaz ∫ ℝ n χ A =0 .

Bizonyítás: ⇒ irányba: ha A nullmértékű, λ ( A ) = ∫ ℝ n χ A =0 mert χ A =0 majdnem mindenütt, ha A nullmértékű.
⇐ irányba: ha λ ( A ) = ∫ ℝ n χ A =0 , χ A ≥0⇒ χ A =0 majdnem mindenütt ⇒A nullmértékű.

Tétel: ha A= ∪ j=1 k A j és A j mérhetők, páronként diszjunktak ⇒λ ( A ) =λ ( ∪ j=1 k A j ) = ∑ j=1 k λ ( A j ) . Ezt úgy mondjuk, hogy a mérték additív halmazfüggvény.

Bizonyítás: ugyanis ha a fentiek teljesülnek, akkor χ A = χ ∪ j=1 k A j = ∑ j=1 k χ A j ⇒ ∫ ℝ n χ A ︸ λ ( A ) = ∑ j=1 k ∫ ℝ n χ A j ︸ λ ( A j ) .

Tétel: ha A= ∪ j=1 ∞ A j , A j mérhetők, páronként diszjunktak ⇒λ ( A ) =λ ( ∪ j=1 k A j ) = ∑ j=1 ∞ λ ( A j ) . Ezt úgy mondjuk, hogy a mérték σ additív.

Bizonyítás: csak vázolva: χ ∪ j=1 ∞ A j = ∑ j=1 ∞ χ A j , most pedig a Beppo Levi tételt alkalmazzuk.

Integrálás mérhető halmazokon

Eddig f: ℝ n →ℝ függvények (Lebesgue) integrálját értelmeztük.

Definíció: legyen A⊂ ℝ n mérhető halmaz, f:A→ℝ függvény. Legyen f ˜ ( x ) := { f ( x ) x∈A 0 x∈ ℝ n \A . Ha f ˜ : ℝ n →ℝ függvény integrálható, akkor azt mondjuk, hogy az f:A→ℝ függvény integrálható és ∫ A f = ∫ ℝ n f ˜ .

Megjegyzés:

A Lebesgue és Riemann integrál kapcsolata

Legyen f: [ a,b ] →ℝ korlátos függvény.

Tétel: ha f egy Lebesgue szerint nullmértékű halmaz kivételével folytonos, akkor f függvény Riemann és Lebesgue szerint is integrálható, és a kétféle integrál egyenlő.

Bizonyítás: először belátjuk, hogy az f Lebesgue integrálható (sőt, f∈ C 1 ).
ϕ 1 := { inf { f ( x ) :a≤x≤ a+b 2 } ha  x∈ [ a, a+b 2 ] inf { f ( x ) : a+b 2 ≤x≤b } ha  x∈ ( a+b 2 ,b ] ϕ 2 := { inf { f ( x ) :a≤x≤ d 1 } ha  x∈ [ a, d 1 ] inf { f ( x ) : d 1 <x≤ c 1 } ha  x∈ ( d 1 , c 1 ] ⋮ ⋮ inf { f ( x ) : d 2 <x≤b } ha  x∈ ( d 2 ,b ]
... és így tovább (vagyis az egyes intervallumokat mindig felezzük), valamint ϕ k ( x ) :=0 ha x∉ [ a,b ] ,∀k . Ekkor ϕ k -k lépcsős függvények, ( ϕ k ) monoton növő. Mivel f folytonos egy nullmértékű halmaz kivételével, ezért ϕ k ( x ) →f ( x ) majdnem mindenütt (ahol f folytonos). ∫ L ϕ k ≤ ( b−a ) M , ahol M olyan szám, amelyre | f ( x ) | ≤M , ezért f∈ C 1 , ∫ L f =lim ∫ L ϕ k (Lebesgue integrál).

Az f függvény egy Riemann féle felső összege ∫ L ψ k , ahol
ψ 1 ( x ):={ sup{ f( x ):a≤x≤ a+b 2 } ha x∈[ a, a+b 2 ] sup{ f( x ): a+b 2 <x≤b } ha x∈( a+b 2 ,b ]
ψ k -k lépcsős függvények, monoton csökkenők, ( ψ k ) →f majdnem mindenütt. ∫ R ψ k ≥− ( b−a ) M⇒−f∈ C 1 , ∫ L f =lim ∫ R ψ k (ahol előbbi a Lebesgue integrál, utóbbi a Riemann féle integrál felső összege), lim ∫ L ϕ k = ∫ L f , lim ∫ R ψ k = ∫ R f ⇒f Reimann és Lebesgue integrálható, és az integrálok értéke megegyezik.

Tétel: ha f: [ a,b ] →ℝ korlátos függvény Riemann szerint integrálható ⇒f folytonos majdnem mindenütt. (bizonyítás nélkül)

Megjegyzés: ha egy f függvény Riemann szerint improprius integrálja konvergens ⇒ f MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaWaaqIaaeaacqGHshI3aaGaamOzaaaa@55CD@ Lebesgue integrálható.

Példa: a [ 0,∞ ) intervallumon értelmezzük az f függvényt: f ( x ) := ( −1 ) j 1 j ha j−1≤x<j , j∈ℕ . ∫ 0 ∞ f ( x ) dx improprius integrálja konvergens, mert ∑ j=1 ∞ ( −1 ) j 1 j konvergens. ∫ 0 ∞ | f ( x ) | dx divergál, mert ∑ j=1 ∞ 1 j divergál. Ha f Lebesgue szerint integrálható ⇒ | f | is integrálható Lebesgue szerint. Tehát a fenti f függvény improprius integrálja konvergens, de nem Lebesgue-integrálható.

Másik példa: f ( x ) := { 1 x∈ℝ\ℚ 0 x∈ℚ . Ekkor f Lebesgue szerint integrálható ( ℚ egy nullmértékű halmaz), de Riemann szerint nem integrálható.

Tétel (Fubini tétel) (bizonyítás nélkül): tfh f: ℝ 2 →ℝ képező, integrálható függvény. Ekkor majdnem minden x∈ℝ esetén y↦f ( x,y ) integrálható ℝ -en, továbbá x↦ ∫ f ( x,y ) dy is integrálható ℝ -en és ∫ ℝ 2 f = ∫ ℝ [ ∫ ℝ f ( x,y ) dy ] dx = ∫ ℝ [ ∫ ℝ f ( x,y ) dx ] dy . Ha f nemnegatív és mérhető, akkor a Fubini tétel mindig érvényes (ilyenkor az integrál ∞ is lehet).

Az L 2 ( M ) függvénytér

Jelöljük: legyen M⊂ ℝ n -beli mérhető halmaz, ekkor L 2 ( M ) jelölje az f:M→ℝ olyan mérhető függvények összességét, melyekre a függvénynek az abszolútérték négyzete integrálható (ez a témakör nagyon fontos a fizikában is)..

Állítás: ez az L 2 ( M ) vektortér a szokásos műveletekkel.

Bizonyítás: tfh f,g∈ L 2 ( M ) ⇒f,g mérhető

Állítás: f,g∈ L 2 ( M ) MathType@MTEF@5@5@+=feaaguart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbdfgBPjMCPbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqedmvETj2BSbqeduuDJXwAKbYu51MyVXgaruWqH1MyYLwyG0uy0HgatuuDJXwAK1uy0HMmaeHbfv3ySLgzG0uy0HgiuD3Bamrr1ngBPrwtHrhAXaqehuuDJXwAKbstHrhAG8KBLbqee0evGueE0jxyaibaieYhf9irVeeu0dXdh9vqqrFDW7rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaGaaeGadiWaaqaafeqbayaahaacaaGcbaGaamOzaiaacYcacaWGNbGaeyicI4SaamitamaaCaaaleqabaGaaGOmaaaakmaabmaabaGaamytaaGaayjkaiaawMcaaaaa@5A85@ integrálható.

Bizonyítás: f⋅g mérhető (mérhető függvények szorzata mérhető, korábbról láttuk), | f⋅g | = | f | ⋅ | g | ≤ 1 2 ( | f | 2 + | g | 2 ) ︸ integrálható .

Definíció: legyen f,g∈ L 2 ( M ) ! Értelmezzük a két függvényen az alábbi művelet: 〈 f,g 〉 := ∫ M f⋅g .

Állítás L 2 ( M ) a fenti művelettel valós euklideszi tér, ahol a skalárszorzat a fent jelölt művelet.

Bizonyítás: L 2 ( M ) valós vektortér, a fent jelölt szorzás művelet skalárszorzás, ugyanis teljesíti:

Az L 2 ( M ) térben a norma: ‖ f ‖ = 〈 f,f 〉 = ∫ M | f | 2 .

Megjegyzés: itt is igaz a Cauchy-Schwarz egyenlőtlenség, vagyis | ∫ M f⋅g | = | 〈 f,g 〉 | ≤ ‖ f ‖ ⋅ ‖ g ‖ = ∫ M | f 2 | ⋅ ∫ M | g 2 | .

Definíció: Hilbert térnek a teljes euklideszi teret nevezzük.

Riesz-Fischer tétel (bizonyítás nélkül): az L 2 ( M ) tér teljes, vagyis L 2 ( M ) tér Hilbert tér.

Az L p ( M ) függvénytér

Jelölés: legyen 1≤p<∞ , M⊂ ℝ n mérhető halmaz. Jelölje L p ( M ) az olyan f:M→ℝ mérhető függvények összességét, amelyekre | f | p integrálható M-n.

Állítás: az L p ( M ) vektortér a szokásos műveletekkel.

Bizonyítás: f,g∈ L p ( M ) ⇒f+g is mérhető, az abszolút érték p-dik hatványa is mérhető (a folytonos p-edik hatványfüggvény és mérhető függvény kompozíciója). | f+g | p ≤ ( | f | + | g | ) p ≤ 2 p−1 ( | f | p + | g | p ) integrálható, tehát f+g∈ L p ( M ) . Ha f∈ L p ( M )⇒λf∈ L p ( M ) nyilvánvaló.

Definíció: vezessük be az L p ( M ) vektortérben a következő normát: ‖ f ‖ := { ∫ M | f | p } 1/p .

Állítás: az L p ( M ) tér a fenti művelettel, mint normával, normált tér.

Bizonyítás:

Állítás (Young): legyen 1<p<∞ , 1 p + 1 q =1 ( q= p p−1 ). Ekkor ∀a,b≥0 számokra: ab≤ a p p + b q q .

Bizonyítás: a bizonyítandó egyenlőtlenség ekvivalens: a b 1−q ≤ a p b −q p + 1 q , feltéve, hogy b≠0 . (A b=0 eset triviális.) c:=a b 1−q jelöléssel c p = a p b ( 1−q ) p = a p b −q . Vagyis az állítás: c≤ c p p + 1 q . g ( c ) := c p p −c+ 1 q , g ( 1 ) =0 , g' ( c ) = c p−1 −1 . Ez kisebb 0-nál, ha c<1 , és nagyobb nullánál, ha c>1 (tehát c=1 -ben minimuma van), tehát g ( c ) ≥0 .

Tétel (Hölder-egyenlőtlenség): tfh f∈ L p ( M ) ,g∈ L q ( M ) , 1<p<∞ , 1<q<∞ , 1 p + 1 q =1⇒f⋅g integrálható, és | ∫ M f⋅g | ≤ ∫ M | f | ⋅ | g | ≤ ‖ f ‖ L p ( M ) ⋅ ‖ g ‖ L q ( M ) .

Bizonyítás: alkalmazzuk a Young egyenlőséget: a:= | f ( x ) | ‖ f ‖ , b:= | g ( x ) | ‖ g ‖ . | f ( x ) | ‖ f ‖ L p ( M ) ⋅ | g ( x ) | ‖ g ‖ L q ( M ) ≤ 1 p | f ( x ) | p ‖ f ‖ p + 1 q | g ( x ) | q ‖ g ‖ q . Integrálva mindekét oldalt M-re: ∫ M | f | ⋅ | g | ‖ f ‖ ⋅ ‖ g ‖ ≤ 1 p 1+ 1 q 1=1 .

Tétel (Minkowski-egyenlőtlenség): ha f,g∈ L p ( M ) ⇒ ‖ f+g ‖ L p ( M ) ≤ ‖ f ‖ L p ( M ) + ‖ g ‖ L p ( M ) .

Bizonyítás: p=1 esetére triviális. p>1 esetén: ‖ f+g ‖ p = ∫ M | f+g | p = ∫ M | f+g | p−1 ⋅ | f+g | ≤ ∫ M | f+g | p−1 ⋅ | f | + ∫ M | f+g | p−1 ⋅ | g | ≤ (Hölder) ≤ { ∫ M | f+g | ( p−1 ) q } 1/q ⋅ { ∫ M | f | p } 1/p + { ∫ M | f+g | ( p−1 ) q } 1/q ⋅ { ∫ M | g | p } 1/p = ( ‖ f+g ‖ L p ( M ) ) p/q ⋅ [ ‖ f ‖ L p ( M ) + ‖ g ‖ L p ( M ) ] , p− p q =p ( 1− 1 q ) =p 1 p =1 . Így az előbbi egyenlőtlenségből ‖ f+g ‖ L p ( M ) = ‖ f+g ‖ L p ( M ) p−p/ q ≤ ‖ f ‖ L p ( M ) + ‖ g ‖ L p ( M ) . Tehát L p ( M ) tér normáltságának utolsó feltételét is igazoltuk, azaz ‖ f+g ‖ ≤ ‖ f ‖ + ‖ g ‖ , tehát L p ( M ) normált tér.

Tétel (bizonyítás nélkül): L p ( M ) teljes normált tér, azaz Banach ( 1≤p<∞ ).