Komplexná analýza
Peter Šepitka
podzim 2015
Obsah
1 Komplexné čísla
2 Postupnosti, rady a funkcie
3 Komplexná derivácia a holomorfné funkcie
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Obsah
1 Komplexné čísla
2 Postupnosti, rady a funkcie
3 Komplexná derivácia a holomorfné funkcie
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Obor komplexných čísiel
Pod pojmom komplexné číslo a rozumieme usporiadanú dvojicu (α, β) ∈ R2
.
Prvá zložka α tejto dvojice sa nazýva reálna časť komplexného čísla a, druhá
zložka β sa nazýva imaginárna časť komplexného čísla a, označujeme α = Re a
a β = Im a. Definujeme sčítanie a násobenie komplexných čísiel
(α, β) + (γ, δ) := (α + γ, β + δ),
(α, β) · (γ, δ) := (αγ − βδ, αδ + βγ).
Sčítanie i násobenie komplexných čísiel sú asociatívne a komutatívne binárne
operácie a pre každú trojicu a, b, c komplexných čísiel platí distributívny zákon
a · (b + c) = a · b + a · c.
Pre úplnosť definujeme násobenie komplexného čísla reálnym číslom
r(α, β) := (rα, rβ), r ∈ R.
Nula – (0, 0) – neutrálny prvok vzhľadom na sčítanie, t.j.,
(α, β) + (0, 0) = (0, 0) + (α, β) = (α, β).
Jednotka – (1, 0) – neutrálny prvok vzhľadom na násobenie, t.j.,
(α, β) · (1, 0) = (1, 0) · (α, β) = (α, β).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Opačné číslo ku komplexnému číslu a = (α, β)
−a := (−α, −β)
Komplexné číslo −a je jediné riešenie rovnice
a + z = (0, 0).
Inverzné číslo k nenulovému komplexnému číslu a = (α, β)
a−1
:=
α
α2 + β2
,
−β
α2 + β2
.
Komplexné číslo a−1
je jediné riešenie rovnice
a · z = (1, 0).
Odčítanie komplexných čísiel a, b definujeme a − b := a + (−b).
Delenie komplexných čísiel a, b, b = (0, 0), definujeme a/b := a · b−1
.
Množina všetkých komplexných čísiel sa označuje C. Algebraická štruktúra
(C, +, ·) je teleso, ktoré sa nedá usporiadať (na rozdiel od (R, +, ·)).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Algebraický tvar komplexného čísla
Podmnožina komplexných čísiel
R := {a ∈ C, a = (α, 0), α ∈ R}
je podtelesom telesa C izomorfným s telesom R všetkých reálnych čísiel. Preto
je možné množiny R a R, ako algebraické štruktúry, stotožniť. To znamená, že
v množine C budeme klásť α = (α, 0) pre každé α ∈ R. Potom 0 = (0, 0) a
1 = (1, 0). Ďalej, komplexné číslo (0, 1) sa označuje symbolom i, t.j., i = (0, 1),
a nazýva sa imaginárna jednotka. Platí i2
= (−1, 0) = −1. Tieto označenia
potom umožňujú vyjadriť komplexné číslo a = (α, β) v tzv. algebraickom tvare
a = (α, β) = (α, 0) + (0, β) = α(1, 0) + β(0, 1) = α + iβ. (1)
Komplexné číslo a = α + iβ s β = 0 (teda s Im a = 0) sa označuje ako reálne
(komplexné) číslo, kým komplexné číslo a = α + iβ s β = 0 (teda s Im a = 0)
sa nazýva imaginárne (komplexné) číslo. Imaginárne číslo s nulovou reálnou
časťou sa nazýva rýdzo imaginárne (komplexné) číslo. Komplexne združené
číslo ¯a k číslu a = α + iβ ∈ C je definované ako ¯a = α − iβ.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Absolútna hodnota (veľkosť) |a| komplexného čísla a = α + iβ sa definuje
|a| := α2 + β2. (2)
Reálne číslo |a| vyjadruje geometrickú vzdialenosť bodu [α, β] od bodu [0, 0] v
reálnej rovine. Všeobecne, pre a, b ∈ C reálne číslo |a − b| vyjadruje vzájomnú
vzdialenosť bodov [Re a, Im a] a [Re b, Im b] v reálnej rovine.
Poznámka 1 (Základné vlastnosti)
Nech a, a1, a2 ∈ C. Potom platí:
¯¯a = a, a1 ± a2 = ¯a1 ± ¯a2, a1a2 = ¯a1¯a2, a1/a2 = ¯a1/¯a2, ak a2 = 0.
a¯a = |a|2
, |a1a2| = |a1||a2|, |a1/a2| = |a1|/|a2|, ak a2 = 0.
trojuholníkové nerovnosti ||a1| − |a2|| ≤ |a1 + a2| ≤ |a1| + |a2|.
|Re a| ≤ |a|, |Im a| ≤ |a|.
Re a =
a + ¯a
2
, Im a =
a − ¯a
2i
.
Re (a1 ± a2) = Re a1 ± Re a2, Im (a1 ± a2) = Im a1 ± Im a2.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Komplexná (Gaussova) rovina
Prirodzeným modelom množiny C komplexných čísiel je (euklidovská) rovina –
komplexná (Gaussova) rovina. Každému komplexnému číslu z = x + iy je
priradený bod v rovine so súradnicami [x, y]. Naopak, každému bodu [x, y]
roviny odpovedá práve jedno komplexné číslo z = x + iy. Ďalej budeme preto
pre jednoduchosť stotožnovať body roviny s komplexnými číslami. Vzdialenosť
(metrika) sa v množine C definuje pomocou absolútnej hodnoty komplexného
čísla zavedenej v (2), t.j., vzdialenosť dvoch komplexných čísiel z1 a z2 je
definovaná d(z1, z2) := |z1 − z2|.
Ako je to s pojmom “komplexné” nekonečno? Pre množinu C komplexných
čísiel sa definuje iba jedno “nekonečno”. Konkrétne, k množine C sa formálne
pridá jeden prvok, ktorý sa označuje symbolom ∞, spĺňajúci vlastnosti
∞ = −∞ = |∞|, ∞ · ∞ = ∞,
z + ∞ = ∞, z/∞ = 0, ∞/z = ∞ pre z ∈ C,
z · ∞ = ∞, z/0 = ∞, pre z ∈ C \ {0}.
Nedefinujú sa výrazy ∞ + ∞, ∞ − ∞, 0 · ∞, 0/0, ∞/∞. Množina C ∪ {∞}
sa spolu s danými algebraickými operáciami označuje ˜C a nazýva sa rozšírená
(uzavretá) komplexná rovina alebo tiež rozšírená (uzavretá) Gaussova rovina.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Goniometrický (polárny) tvar komplexného čísla
S modelom komplexnej roviny úzko súvisí tzv. goniometrický (polárny) tvar
komplexných čísiel. Každé nenulové komplexné číslo z je možné vyjadriť v tvare
z = |z| (cos ϕ + i sin ϕ), (3)
kde ϕ je argument komplexného čísla z definovaný rovnicami
cos ϕ =
Re z
|z|
, sin ϕ =
Im z
|z|
. (4)
Argument ϕ nie je určený jednoznačne (ak ϕ je argument z, potom i ϕ + 2kπ,
k ∈ Z, je argument z). Množina všetkých argumentov daného komplexného
čísla sa označuje Arg z (je to tzv. mnohoznačná funkcia premennej z). Symbol
arg z bude označovať základný (hlavný) argument komplexného čísla z, t.j.,
argument spĺňajúci −π ≤ arg z < π. Základný argument arg z je pre dané z
určený jednoznačne. Platí
Arg z = {arg z + 2kπ, k ∈ Z}. (5)
Posledná rovnosť sa často zapisuje i v tvare Arg z ≡ arg z (mod 2π).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Zavedenie goniometrického tvaru v (3) umožňuje efektívne násobiť a deliť
komplexné čísla. Konkrétne, ak
z1 = |z1| (cos ϕ1 + i sin ϕ1), z2 = |z2| (cos ϕ2 + i sin ϕ2)
sú dve komplexné čísla a ϕ1 a ϕ2 sú ich ľubovoľné argumenty, potom platí
z1z2 = |z1||z2| (cos ϕ1 + i sin ϕ1) (cos ϕ2 + i sin ϕ2)
= |z1||z2| [(cos ϕ1 cos ϕ2 − sin ϕ1 sin ϕ2)
+ i(sin ϕ1 cos ϕ2 + cos ϕ1 sin ϕ2)]
= |z1||z2| [cos(ϕ1 + ϕ2) + i sin(ϕ1 + ϕ2)]. (6)
Z rovnosti (6) potom vyplýva
Arg (z1z2) = Arg z1 +Arg z2 a arg(z1z2) ≡ arg z1 +arg z2 (mod 2π), (7)
ako aj tzv. Moivreov vzorec na výpočet n-tej mocniny komplexného čísla z
zn
= |z|n
[cos (n arg z) + i sin (n arg z)], n ∈ N. (8)
Okrem toho z relácií (7) vyplýva
Arg (zn
) = n Arg z a arg(zn
) ≡ n arg z (mod 2π). (9)
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Podobne, pre podiel z1/z2, z2 = 0, platí
z1
z2
=
|z1|
|z2|
cos ϕ1 + i sin ϕ1
cos ϕ2 + i sin ϕ2
=
|z1|
|z2|
cos ϕ1 + i sin ϕ1
cos ϕ2 + i sin ϕ2
cos ϕ2 − i sin ϕ2
cos ϕ2 − i sin ϕ2
=
|z1|
|z2|
cos(ϕ1 − ϕ2) + i sin(ϕ1 − ϕ2)
cos2 ϕ2 + sin2
ϕ2
=
|z1|
|z2|
[cos(ϕ1 − ϕ2) + i sin(ϕ1 − ϕ2)]. (10)
Potom máme
Arg
z1
z2
= Arg z1 − Arg z2, arg
z1
z2
≡ arg z1 − arg z2 (mod 2π). (11)
Pre každé z ∈ C a n ∈ N je n-tá odmocnina zo z definovaná ako
n
√
z = n
|z| cos
arg z + 2kπ
n
+ i sin
arg z + 2kπ
n
, (12)
kde k = 0, . . . , n − 1. Pre pevné n sa teda jedná o mnohoznačnú funkciu
(premennej z), pričom pre každé z ∈ C existuje práve n jeho n-tých odmocnín.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Výraz cos ϕ + i sin ϕ, ϕ ∈ R, sa obvykle označuje symbolom eiϕ
, t.j.,
eiϕ
:= cos ϕ + i sin ϕ. (13)
Pre každé z ∈ C potom platí
z = |z| eiϕ
, ϕ ∈ Arg z. (14)
Zápis (14) sa nazýva exponenciálny tvar komplexného čísla z. Pre každé ϕ, ϕ1,
ϕ2 ∈ R platí
|eiϕ
| = 1, arg eiϕ
≡ ϕ (mod 2π), eiϕ = e−iϕ
= 1/eiϕ
, (15)
cos ϕ =
eiϕ
+ e−iϕ
2
, sin ϕ =
eiϕ
− e−iϕ
2i
, (16)
ei(ϕ1+ϕ2)
= eiϕ1
eiϕ2
, ei(ϕ1−ϕ2)
= eiϕ1
/eiϕ2
, (17)
eiϕ
m
= eimϕ
, m ∈ Z. (18)
Neskôr ukážeme, že výraz eiϕ
zavedený v (13) je rozšírením exponenciálnej
funkcie ex
do oboru komplexných čísiel.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 1
Dané komplexné číslo napíšte v goniometrickom tvare
1 + i.
Pre komplexné číslo z = 1 + i platí
Re z = 1, Im z = 1, |z| = 12 + 12 =
√
2.
Ľubovoľný argument ϕ čísla z potom spĺňa rovnosti
cos ϕ = Re z/|z| = 1/
√
2, sin ϕ = Im z/|z| = 1/
√
2.
Riešenie tejto sústavy je napr. ϕ = 9π/4. Potom platí
z =
√
2 [cos (9π/4) + i sin (9π/4)].
Základný argument čísla z je arg z = π/4 a podobne platí
z =
√
2 [cos (π/4) + i sin (π/4)].
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 2
Dané komplexné číslo napíšte v goniometrickom tvare
−2
√
3 − 2i.
Pre komplexné číslo z = −2
√
3 − 2i platí
Re z = −2
√
3, Im z = −2, |z| = (−2
√
3)2 + (−2)2 = 4.
Ľubovoľný argument ϕ čísla z spĺňa rovnosti
cos ϕ = Re z/|z| = −
√
3/2, sin ϕ = Im z/|z| = −1/2.
Základný argument čísla z je arg z = −5π/6 a platí
z = 4 [cos (−5π/6) + i sin (−5π/6)].
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 3
Vypočítajte
(1 + i
√
3)15
.
Použijeme Moivreov vzorec (8). Komplexné číslo z = 1 + i
√
3 prepíšeme do
goniometrického tvaru. Platí |z| = 2, arg z = π/3, a teda
z = 2 [cos (π/3) + i sin (π/3)].
Potom podľa (8) máme
z15
= 215
[cos (15π/3) + i sin (15π/3)] = 215
[cos (5π) + i sin (5π)] = −215
.
Poznamenajme, že rovnaký výsledok by sme získali klasickým roznásobením
podľa binomickej vety.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 4
Vypočítajme v C
3
√
−8.
Podľa (12) existujú práve 3 komplexné tretie odmocniny z čísla z = −8.
Goniometrický tvar čísla z je
z = 8 [cos (−π) + i sin (−π)].
Podľa (12) platí
3
√
−8 =
3
√
8 cos
−π + 2kπ
3
+ i sin
−π + 2kπ
3
,
pričom k = 0, 1, 2. Postupne dostáveme
k = 0 −→
3
√
8 cos
−π
3
+ i sin
−π
3
= 1 − i
√
3,
k = 1 −→
3
√
8 cos
π
3
+ i sin
π
3
= 1 + i
√
3,
k = 2 −→
3
√
8 (cos π + i sin π) = −2.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Obsah
1 Komplexné čísla
2 Postupnosti, rady a funkcie
3 Komplexná derivácia a holomorfné funkcie
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Postupnosti v C
Nech r ∈ R+
a z0 ∈ C. Otvoreným kruhom K(z0, r) so stredom v bode z0 a s
polomerom r rozumieme množinu K(z0, r) := {z ∈ C, |z − z0| < r}. Množina
K(z0, r) sa často označuje aj ako r-okolie bodu z0. Ak z0 = ∞, definujeme
K(∞, r) := {z ∈ ˜C, |z| > 1/r}. Nech {an}∞
n=1 je postupnosť komplexných
čísiel. Komplexné číslo a0 ∈ ˜C sa nazýva limitou postupnosti {an}∞
n=1, ak pre
každé ε-okolie bodu a0 existuje index nε ∈ N tak, že an ∈ K(a0, ε) pre každý
index n ≥ nε. Potom píšeme limn→∞ an = a0 alebo aj an → a0.
Veta 1
Nech {an}∞
n=1 je postupnosť v C a a0 ∈ C. Potom an → a0 práve vtedy, keď
lim
n→∞
|an −a0| = 0 ⇐⇒ lim
n→∞
Re an = Re a0 & lim
n→∞
Im an = Im a0. (19)
V tomto prípade platí i an → a0. Podobne, an → ∞ práve vtedy, keď
lim
n→∞
|an| = ∞, resp., lim
n→∞
1/|an| = 0. (20)
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Číselné rady v C
Nech {an}∞
n=1 je postupnosť v C. Postupnosť {sk}∞
k=1 (tzv. postupnosť
čiastočných súčtov) definovaná ako sk := k
n=1 an sa nazýva nekonečný rad s
členmi an a označuje sa ∞
n=1 an, resp. an. Rad an konverguje (resp., je
konvergentný), ak existuje konečná limita postupnosti {sk}∞
k=1. Túto limitu
potom označujeme ako súčet s radu a píšeme s = an. V opačnom prípade
rad an diverguje (resp., je divergentný).
Veta 2
Nech an, bn sú konvergentné rady a a, b ∈ C. Potom platí:
limn→∞ an = 0 (nutná podmienka konvergencie radu).
Rad an konverguje so súčtom an = an.
Rad (aan + bbn) konverguje a (aan + bbn) = a an + b bn.
Veta 3
Komplexný rad an konverguje práve vtedy, keď konverguje každý z reálnych
radov Re an a Im an, pričom platí an = Re an + i Im an.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Komplexný rad an sa nazýva absolútne konvergentný, ak rad |an| je
konvergentný. Každý absolútne konvergentný rad je i konvergentný a platí
an ≤ |an|.
Ak an konverguje, ale rad |an| diverguje, potom hovoríme, že rad an
konverguje neabsolútne (relatívne). Platia nasledujúce výsledky.
Veta 4
Komplexný rad an konverguje absolútne práve vtedy, keď každý z reálnych
radov Re an a Im an konverguje absolútne.
Veta 5 (Riemannova veta o prerovnaní absolútne konvergentného radu)
Ak komplexný rad an konverguje absolútne, potom každé prerovnanie tohto
radu konverguje absolútne s rovnakým súčtom, t.j., platí
aτ(n) = an
pre každú permutáciu τ množiny N (t.j., pre každú bijekciu τ : N → N).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Pri vyšetrovaní (absolútnej) konvergencie komplexných radov môžeme aplikovať
mnohé kritériá využívané v reálnej analýze.
Porovnávacie kritérium – ak komplexný rad an spĺňa |an| ≤ bn pre
každé n ∈ N, kde bn je konvergentný reálny rad, potom rad an
konverguje absolútne.
D’Alembertovo podielové kritérium – ak komplexný rad an spĺňa
|an+1/an| ≤ q < 1 pre každé n ∈ N, potom an konverguje absolútne.
Ak |an+1/an| ≥ 1 pre každé n ∈ N, potom rad an diverguje. Obzvlášť,
ak existuje limn→∞ |an+1/an| = q ∈ R∗
, potom pre q < 1 (q > 1) rad
an konverguje absolútne (diverguje).
Cauchyho odmocninové kritérium – ak komplexný rad an spĺňa
n
|an| ≤ q < 1 pre každé n ∈ N, potom an konverguje absolútne. Ak
n
|an| ≥ 1 pre každé n ∈ N, potom rad an diverguje. Obzvlášť, ak
existuje limn→∞
n
|an| = q ∈ R∗
, potom pre q < 1 (q > 1) rad an
konverguje absolútne (diverguje).
Cauchyho integrálne kritérium – ak rad an spĺňa |an| = f(n) pre každé
n ∈ N, kde f : [1, ∞) → R je nezáporná, nerastúca a spojitá funkcia,
potom rad an konverguje absolútne práve vtedy, keď nevlastný integrál
∞
1
f(x) dx konverguje.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 5
Stanovme limitu
lim
n→∞
(1 + i)n
n!
.
Nájdeme reálnu a imaginárnu časť príslušnej postupnosti. Podľa Príkladu 1 platí
(1 + i)n
n!
=
√
2 [cos (π/4) + i sin (π/4)]
n
n!
=
(
√
2)n
cos (πn/4)
n!
+ i
(
√
2)n
sin (πn/4)
n!
.
Teda máme
Re
(1 + i)n
n!
=
(
√
2)n
cos (πn/4)
n!
, Im
(1 + i)n
n!
=
(
√
2)n
sin (πn/4)
n!
.
Keďže platí
lim
n→∞
Re
(1 + i)n
n!
= 0 = lim
n→∞
Im
(1 + i)n
n!
,
podľa Vety 1 limita v zadaní príkladu existuje a je rovná 0 + i0 = 0.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 6
Dokážme
lim
n→∞
in
n2n
= 0.
Uvedený výsledok vyplýva z Vety 1, pretože platí
lim
n→∞
in
n2n
− 0 = lim
n→∞
|i|n
n2n
= lim
n→∞
1
n2n
= 0.
Príklad 7
Nájdime limitu
lim
n→∞
n ein
.
Táto limita existuje a je nevlastná, pretože platí
lim
n→∞
n ein
= lim
n→∞
n ein
= lim
n→∞
n = ∞.
Pri výpočte sme využili prvú rovnosť v (15), t.j., ein
= 1. Podľa Vety 1 potom
lim
n→∞
n ein
= ∞.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 8
Nájdime súčet radu
∞
n=1
1 + i (−1)n−1
n
n2
.
V danom rade oddelíme jeho reálnu a imaginárnu časť. Dostaneme
Re
1 + i (−1)n−1
n
n2
=
1
n2
, Im
1 + i (−1)n−1
n
n2
=
(−1)n−1
n
, n ∈ N.
Keďže z reálnej analýzy máme
1/n2
= π2
/6, (−1)n−1
/n = ln 2,
podľa Vety 3 konverguje i rad v zadaní príkladu a platí
1 + i (−1)n−1
n
n2
=
π2
6
+ i ln 2.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 9
Vyšetrime konvergenciu radu
∞
n=1
in
n
.
Oddelením reálnej a imaginárnej časti daného radu dostaneme
Re
in
n
=
(−1)k
/(2k), n = 2k,
0, n = 2k − 1,
Im
in
n
=
0, n = 2k,
(−1)k−1
/(2k − 1), n = 2k − 1.
Obidva reálne rady Re a Im konvergujú (podľa Leibnizovho kritéria), a
preto podľa Vety 3 konverguje i rad v zadaní príkladu.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 10
Vyšetrime konvergenciu radov
a)
∞
n=1
n(1 + i)n
3n
, b)
∞
n=1
an
, a ∈ C.
a) Rad konverguje absolútne podľa D’Alembertovho kritéria, nakoľko
lim
n→∞
(n+1)(1+i)n+1
3n+1
n(1+i)n
3n
= lim
n→∞
(n + 1)(1 + i)
3n
= lim
n→∞
(n + 1)
√
2
3n
=
√
2
3
< 1.
b) Aplikovaním Cauchyho odmocninového kritéria dostaneme
lim
n→∞
n
|an| = lim
n→∞
n
|a|n = lim
n→∞
|a| = |a|.
Pre |a| < 1 daný rad konverguje absolútne, pre |a| > 1 rad diverguje. V prípade
|a| = 1 rad diverguje, pretože nie je splnená nutná podmienka konvergencie vo
Vete 2 (limn→∞ an
= 0, resp. neexistuje).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Funkcie v C
Nech D je podmnožina v ˜C. Pod pojmom (komplexná) funkcia (komplexnej
premennej) f budeme rozumieť priradenie, ktoré každému číslu z ∈ D priradí
jednu alebo viac hodnôt w ∈ ˜C. Množina D sa nazýva definičný obor funkcie f
a označuje sa D(f). Množina
H(f) := {w ∈ ˜C, w = f(z), z ∈ D(f)}
sa nazýva obor hodnôt funkcie f. Ak je každému z ∈ D(f) priradená práve
jedna hodnota w = f(z) ∈ H(f), potom hovoríme o jednoznačnej funkcii f. V
opačnom prípade funkciu f označujeme ako mnohoznačnú. Vhodným zúžením
oboru hodnôt H(f) mnohoznačnej funkcie f dostaneme jednoznačnú funkciu –
tzv. jednoznačnú vetvu komplexnej funkcie f. Vo všeobecnosti teda komplexná
funkcia komplexnej premennej nie je zobrazenie, pričom symbol f(z) znamená
podmnožinu v H(f). Inverznou funkciou k funkcii f : w = f(z), z ∈ D(f),
rozumieme funkciu f−1
: z = f−1
(w), ktorá každému w ∈ H(f) priradí práve
tie z ∈ D(f), pre ktoré w = f(z). Zrejme D(f−1
) = H(f) a H(f−1
) = D(f).
Okrem toho, f(f−1
(w)) = w, pre každé w ∈ H(f), avšak neplatí všeobecne
f−1
(f(z)) = z, pre z ∈ D(f). Inverzná funkcia f−1
môže byť jednoznačná i
mnohoznačná.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Nech f je funkcia. Ak D(f) ⊆ R, jedná sa o funkciu reálnej premennej, inak
hovoríme o funkcii komplexnej premennej. V prípade H(f) ⊆ R máme reálnu
funkciu, inak (t.j., pre H(f) ⊆ ˜C) máme komplexnú funkciu. Ak platí dokonca
H(f) ⊆ C, potom hovoríme o konečnej (komplexnej) funkcii.
Nech f je konečná funkcia komplexnej premennej. Potom existujú jediné reálne
funkcie u, v : R2
→ R také, že pre každé z = x + iy ∈ D(f) ∩ C platí
f(z) = u(x, y) + i v(x, y). (21)
Funkcie u a v sa nazývajú reálna a imaginárna časť funkcie f, t.j.,
u(x, y) = Re f(z), v(x, y) = Im f(z). (22)
Funkcia ¯f definovaná ¯f(z) := f(z), z ∈ D(f), sa nazýva funkcia komplexne
združená s f. Zrejme potom platí ¯f(z) = u(x, y) − i v(x, y) a
Re f(z) =
f(z) + ¯f(z)
2
, Im f(z) =
f(z) − ¯f(z)
2i
, z ∈ D(f). (23)
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Limitu a spojitosť komplexnej funkcie f komplexnej premennej definujeme
podobným spôsobom ako v reálnej analýze. Nech M ⊆ ˜C a z0 je hromadný
bod množiny M. Číslo w0 ∈ ˜C nazývame limitou funkcie f v bode z0
vzhľadom na množinu M a píšeme
lim
z→z0
z∈M
f(z) = w0,
ak pre každé okolie O(w0) bodu w0 existuje rýdze okolie O∗
(z0) bodu z0 také,
že pre každé z ∈ O∗
(z0) ∩ M platí f(z) ∈ O(w0). V prípade M = D(f)
dostávame limitu funkcie f v tradičnom slova zmysle, t.j.,
lim
z→z0
f(z) = lim
z→z0
z∈D(f)
f(z) = w0.
Okrem toho platia relácie
lim
z→z0
f(z) = w0 ⇐⇒ lim
z→z0
Re f(z) = Re w0, lim
z→z0
Im f(z) = Im w0, (24)
lim
z→z0
f(z) = w0 ⇐⇒ lim
z→z0
¯f(z) = w0. (25)
Funkcia f je spojitá v bode z0 ∈ D(f), ak limz→z0 f(z) = f(z0). Pre spojitosť
funkcie potom platia výsledky analogické s (24) a (25).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 11
Príkladom reálnych funkcií komplexnej premennej sú funkcie
w = Re z, w = |z|, w = arg z.
Jedná sa o jednoznačné funkcie. Funkcia w = zn
, pre n ∈ N pevné, je
komplexná funkcia komplexnej premennej, kým funkcia w = eiϕ
, ϕ ∈ R, je
komplexná funkcia reálnej premennej ϕ. Ďalej, funkcie
w = Arg z, w = n
√
z, n ∈ N pevné,
sú príkladmi mnohoznačných komplexných funkcií komplexnej premennej. Prvá
z nich je nekonečne-značná, druhá je n-značná. Zúžením oboru hodnôt prvej z
nich dostaneme napríklad už zmienenú jednoznačnú funkciu ˜w = arg z.
Jednoznačnou vetvou druhej funkcie je napríklad funkcia (porovnaj s (12))
˜w = n
|z| cos
arg z
n
+ i sin
arg z
n
.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 12
Stanovme limitu
lim
z→0
Re z
z
.
V limitovanej funkcii oddelíme jej reálnu a imaginárnu časť. Poznamenajme, že
konvergencia z = x + iy → 0 je ekvivalentná s x → 0 & y → 0. Platí
lim
z→0
Re z
z
= lim
(x,y)→(0,0)
x
x + iy
= lim
(x,y)→(0,0)
x
x + iy
x − iy
x − iy
= lim
(x,y)→(0,0)
x(x − iy)
x2 + y2
= lim
(x,y)→(0,0)
x2
x2 + y2
− i
xy
x2 + y2
.
Z reálnej analýzy funkcií dvoch premenných vieme ľahko ukázať, že limity
lim
(x,y)→(0,0)
x2
x2 + y2
, lim
(x,y)→(0,0)
xy
x2 + y2
neexistujú. Podľa (24) potom neexistuje ani limita v zadaní príkladu.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 13
Vypočítajme limitu
lim
z→0
z Re z
|z|
.
V limitovanej funkcii oddelíme jej reálnu a imaginárnu časť. Dostaneme
lim
z→0
z Re z
|z|
= lim
(x,y)→(0,0)
(x + iy)x
x2 + y2
= lim
(x,y)→(0,0)
x2
x2 + y2
+ i
yx
x2 + y2
.
V tomto prípade platí
lim
(x,y)→(0,0)
x2
x2 + y2
= 0 = lim
(x,y)→(0,0)
yx
x2 + y2
.
Preto podľa (24) limita v zadaní príkladu má hodnotu 0 + i0 = 0.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 14
Zistime limitu
lim
z→i
z2
+ 1
z − i
.
V limitovanej funkcii vykonáme algebraické úpravy (rozklad čitateľa na súčin)
lim
z→i
z2
+ 1
z − i
= lim
z→i
(z + i)(z − i)
z − i
= lim
z→i
(z + i) = 2i.
Príklad 15
Rozhodnime o existencii limity
lim
z→0
¯z
z
.
Dokážeme, že uvedená limita neexistuje. Nech z sa blíži k bodu 0 = 0 + i0 po
reálnej osi, t.j., z = x ∈ R. Potom ¯z/z = ¯x/x = x/x = 1, a v tomto prípade
limz→0 ¯z/z = 1. Ak z sa bude k 0 blížiť po imaginárnej osi, t.j., z = iy ∈ i R,
potom platí ¯z/z = −iy/iy = −1, a v tomto prípade limz→0 ¯z/z = −1. Pri
pohybe po dvoch rôznych cestách do bodu 0 sme dostali dve rôzne hodnoty
limity. Preto daná limita neexistuje.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Obsah
1 Komplexné čísla
2 Postupnosti, rady a funkcie
3 Komplexná derivácia a holomorfné funkcie
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Derivácia komplexnej funkcie
Definícia 1 (Komplexná diferencovateľnosť)
Nech G je otvorená podmnožina v C a f je konečná funkcia definovaná na G.
Hovoríme, že f je komplexne diferencovateľná (monogénna) v bode z0 ∈ G, ak
existuje konečná limita
lim
z→z0
f(z) − f(z0)
z − z0
resp. lim
h→0
h∈C
f(z0 + h) − f(z0)
h
. (26)
Limita v (26) sa nazýva derivácia funkcie f v bode z0 a označuje sa f (z0),
resp. df
dz
(z0).
V komplexnej analýze sa teda nedefinuje nevlastná derivácia a derivácia v bode
∞. Z Definície 1 vyplýva, že funkcia f : G → C je komplexne diferencovateľná
v bode z0 ∈ G práve vtedy, keď existuje komplexné číslo a s vlastnosťou
lim
h→0
h∈C
f(z0 + h) − f(z0) − ah
h
= 0. (27)
V tomto prípade a = f (z0). Výraz ah sa nazýva diferenciál funkcie f v bode
z0 a označuje sa df(z0), resp. df(z0)(h).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Komplexná derivácia má podobné základné vlastnosti ako derivácia v reálnom
obore. Vo všeobecnosti je však komplexná diferencovateľnosť podstatne silnejší
koncept než reálna diferencovateľnosť.
Veta 6
Ak funkcia f je komplexne diferencovateľná v bode z0 ∈ C, potom je v bode z0
spojitá.
Dôkaz.
Výsledok vyplýva z Definície 1 a z nasledujúceho výpočtu
lim
z→z0
f(z) = lim
z→z0
f(z) − f(z0)
z − z0
(z − z0) + f(z0) = f (z0)·0+f(z0) = f(z0).
Poznámka 2
Poznamenajme, že podobne ako v reálnom obore spojitosť funkcie nezaručuje
komplexnú diferencovateľnosť funkcie. Túto skutočnosť ilustruje Príklad 17.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Veta 7 (Základné vlastnosti)
(i) Ak funkcie f, g sú komplexne diferencovateľné v bode z0 ∈ C, potom aj
funkcie f ± g, f · g a f/g (ak g(z0) = 0) sú komplexne diferencovateľné v
bode z0 a platí
(f ± g) (z0) = f (z0) ± g (z0),
(f · g) (z0) = f (z0) g(z0) + f(z0) g (z0),
(f/g) (z0) = f (z0) g(z0) − f(z0) g (z0) /[g(z0)]2
.
(ii) Ak funkcia f je komplexne diferencovateľná v bode z0 ∈ C a funkcia g je
komplexne diferencovateľná v bode f(z0), potom aj zložená funkcia g ◦ f
je komplexne diferencovateľná v z0 a platí (g ◦ f) (z0) = g (f(z0)) f (z0).
(iii) Ak funkcia f je komplexne diferencovateľná v bode z0 ∈ C a prostá na
okolí bodu z0, potom inverzná funkcia f−1
je komplexne diferencovateľná
v bode w0 = f(z0) a platí
f−1
(w0) = 1/f (z0).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
V nasledujúcom budeme pracovať s algebraickým tvarom komplexných čísiel a
funkcií, t.j., podľa (21) pre dané z ∈ C a danú komplexnú funkciu f máme
z = x + iy a f(z) = u(x, y) + iv(x, y) pre x, y ∈ R. (28)
Pripomeňme, že jednoznačne určené reálne funkcie u, v sú podľa (22) reálnou a
imaginárnou časťou funkcie f.
Veta 8 (Nutná podmienka komplexnej diferencovateľnosti)
Nech funkcia f je komplexne diferencovateľná v bode z0 = x0 + iy0. Potom
funkcie u, v v (28) spĺňajú tzv. Cauchyho–Riemannove rovnice (podmienky)
∂u
∂x
(x0, y0) =
∂v
∂y
(x0, y0),
∂u
∂y
(x0, y0) = −
∂v
∂x
(x0, y0). (29)
Pre deriváciu f (z0) potom platí
f (z0) =
∂u
∂x
(x0, y0) + i
∂v
∂x
(x0, y0) =
∂v
∂y
(x0, y0) − i
∂u
∂y
(x0, y0). (30)
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Náčrt dôkazu.
Ak f je komplexne diferencovateľná v bode z0, potom podľa Definície 1 je f
definovaná na nejakom okolí bodu z0 a existuje limita v (26). Hodnota tejto
limity nezávisí na ceste, po ktorej sa s premenlivým bodom z blížime do bodu
z0. Uvažujme napríklad z = x + iy0, kde x ∈ R a x → x0. Do z0 = x0 + iy0 sa
teda blížíme po priamke y = y0. Platí potom
f (z0) = lim
z=x+iy0
x→x0
f(z) − f(z0)
z − z0
= lim
x→x0
f(x + iy0) − f(x0 + iy0)
x − x0
.
Pomocou funkcií u, v sa posledná limita dá rozpísať do tvaru
f (z0) = lim
x→x0
u(x, y0) + iv(x, y0) − u(x0, y0) − iv(x0, y0)
x − x0
= lim
x→x0
u(x, y0) − u(x0, y0)
x − x0
+ i
v(x, y0) − v(x0, y0)
x − x0
.
Limitovaním posledného výrazu dostaneme prvú rovnosť v (30). Podobným
spôsobom odvodíme i druhé vyjadrenie derivácie f (z0) v (30), kde uvažujeme
z = x0 + iy s y ∈ R a y → y0 (priamka x = x0). Porovnaním reálnych a
imaginárnych častí vyjadrení v (30) dostaneme rovnosti (29).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Poznámka 3
Z Vety 8 vyplýva, že nutnými podmienkami existencie komplexnej derivácie
f (z0) je existencia prvých parciálnych derivácií reálnych funkcií u, v v bode
[x0, y0] a platnosť Cauchyho–Riemannovych podmienok (29) v bode [x0, y0].
Ako však ukazuje nasledujúca veta, nie sú to zároveň aj postačujúce podmienky.
Veta 9 (Nutná a postačujúca podmienka komplexnej diferencovateľnosti)
Funkcia f je komplexne diferencovateľná v bode z0 ∈ C práve vtedy, keď reálne
funkcie u, v v (28) sú diferencovateľné v [x0, y0] a platia rovnice v (29).
Nech G ⊆ C je otvorená množina. Hovoríme, že komplexná funkcia f je
komplexne diferencovateľná na G, ak f (z) existuje v každom bode z ∈ G. Z
Vety 9 vyplýva, že ak funkcie u, v v (28) majú spojité I. parciálne derivácie na G
a spĺňajú podmienky (29) na G, potom f je komplexne diferencovateľná v G.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Cauchyho–Riemannove podmienky (29) výrazne obmedzujú triedu reálnych
diferencovateľných funkcií u, v, ktoré môžu byť reálnymi, resp. imaginárnymi
časťami komplexne diferencovateľných funkcií. Ak totiž funkcia f = u + iv je
komplexne diferencovateľná v otvorenej množine G ⊆ C a funkcie u, v majú
naviac spojité i druhé parciálne derivácie na G, potom u, v sú riešeniami tzv.
Laplaceovej rovnice na G, t.j., platí
∂2
u
∂x2
+
∂2
u
∂y2
= 0,
∂2
v
∂x2
+
∂2
v
∂y2
= 0 na G. (31)
Riešenia Laplaceovej rovnice sa označujú ako harmonické funkcie. Reálne a
imaginárne časti komplexne diferencovateľných funkcií v G musia preto byť
nutne harmonickými funkciami v G. Neskôr ukážeme, že požiadavka existencie
a spojitosti druhých (dokonca i všetkých vyšších) parciálnych derivácií funkcií
u, v na G je prekvapivo prirodzene zabudovaná v koncepte komplexnej derivácie
funkcie f na množine G.
Veta 10
Nech G ⊆ C je jednoducho súvislá oblasť. Potom ku každej harmonickej funkcii
u (resp. v) na G existuje funkcia f komplexne diferencovateľná na G tak, že
u = Re f (resp. v = Im f) na G.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 16
Dokážme, že pre každé pevné n ∈ N platí
(zn
) = nzn−1
, z ∈ C.
Označme f(z) = zn
a nech z0 ∈ C je zafixované. Podľa Definície 1 máme
f (z0) = lim
z→z0
zn
− zn
0
z − z0
= lim
z→z0
zn−1
+ zn−2
z0 + · · · + zzn−2
0 + zn−1
0
= nzn−1
0 .
Príklad 17
Funkcia f(z) = ¯z = x − iy je síce spojitá v celej komplexnej rovine, ale nie je
nikde v C komplexne diferencovateľná, pretože limita
lim
h→0
h∈C
z0 + h − z0
h
= lim
h→0
h∈C
z0 + ¯h − z0
h
= lim
h→0
h∈C
¯h
h
neexistuje pre žiadne z0 ∈ C (porovnaj s Príkladom 15).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 18
Rozhodnime o existencii derivácie funkcie (ako funkcie v C)
f(z) = 1/z
overením Cauchyho–Riemannovych rovností (29). Zrejme D(f) = C \ {0}.
Oddelíme reálnu a imaginárnu časť funkcie f
1
z
=
1
x + iy
=
x − iy
(x + iy)(x − iy)
=
x
x2 + y2
+ i
−y
x2 + y2
.
Platí u(x, y) = x/(x2
+ y2
), v(x, y) = −y/(x2
+ y2
), a ďalej
ux = (y2
− x2
)/(x2
+ y2
)2
, uy = (−2xy)/(x2
+ y2
)2
,
vx = (2xy)/(x2
+ y2
)2
, vy = (y2
− x2
)/(x2
+ y2
)2
,
Funkcie u, v sú diferencovateľné na D(f) a platia rovnosti (29) na D(f). Teda
podľa Vety 9 funkcia f je komplexne diferencovateľná na D(f) a platí
1
z
= ux+ivx =
y2
− x2
(x2 + y2)2
+i
2xy
(x2 + y2)2
= −
(x − iy)2
(x2 + y2)2
= −
(¯z)2
|z|4
= −
1
z2
.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 19
Určme komplexne diferencovateľnú funkciu f, ktorá spĺňa
Re f(z) = x3
− 3xy2
+ 3x2
− 3y2
+ 1, f(0) = 1.
Funkcia u(x, y) = x3
− 3xy2
+ 3x2
− 3y2
+ 1 je harmonická v C, nakoľko
ux = 3x2
− 3y2
+ 6x, uxx = 6x + 6,
uy = −6xy − 6y, uyy = −6x − 6,
⇓
uxx + uyy = 0 v R2
.
Podľa Vety 10 je funkcia u reálnou časťou istej funkcie f, ktorá je komplexne
diferencovateľná na C. Jej imaginárnu časť v určíme z podmienok (29)
vx = −uy = 6xy + 6y, vy = ux = 3x2
− 3y2
+ 6x.
Máme teda určiť kmeňovú funkciu v pre dvojicu 6xy + 6y a 3x2
− 3y2
+ 6x.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 19
Postupujúc štandardným spôsobom, dostaneme
v(x, y) = −y3
+ 3x2
y + 6xy + K, K ∈ R.
Keďže f(0) = 1, platí v(0, 0) = Im f(0) = 0, a teda K = 0. Funkcia f má tvar
f(z) = x3
− 3xy2
+ 3x2
− 3y2
+ 1 + i (−y3
+ 3x2
y + 6xy).
Nakoniec, ak dosadeníme za reálne premenné x, y výrazy
x = (z + ¯z)/2, y = (z − ¯z)/2i,
dostaneme vyjadrenie hodnoty f(z) pomocou komplexnej premennej z. Po
úpravách získame finálny predpis
f(z) = z3
+ 3z2
+ 1.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Holomorfné funkcie
Definícia 2 (Holomorfná funkcia)
Hovoríme, že funkcia f je holomorfná (analytická, regulárna) v bode z0 ∈ C, ak
f má deriváciu na nejakom okolí bodu z0. Funkcia f je holomorfná na množine
G ⊆ C, ak je holomorfná v každom bode z ∈ G.
Pojem holomorfnosti funkcie (na rozdiel od komplexnej diferencovateľnosti) je
možné zaviesť i pre nevlastný bod ∞. Konkétne, funkcia f(z) sa označuje ako
holomorfná v bode ∞, ak funkcia f(1/z) je holomorfná v bode z0 = 0.
Príklad 20
Z predchádzajúcich príkladov (Príklady 16, 17 a 18) vyplýva, že funkcia
f(z) = zn
je holomorfná v celej komplexnej rovine, funkcia g(z) = ¯z nie je
holomorfná v žiadnom bode z ˜C a funkcia h(z) = 1/z je holomorfná na ˜C \ {0}.
Príklad 21
Funkcia f(z) = |z|2
nie je holomorfná v žiadnom bode z ˜C, hoci je komplexne
diferencovateľná v bode z0 = 0, ako sa možno ľahko presvedčiť.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Veta 11
Nech G ⊆ C je oblasť. Funkcia f : G → C je konštantná na G práve vtedy,
keď je holomorfná na G a f (z) = 0 pre každé z ∈ G.
Dôkaz.
Implikácia “⇒” vyplýva priamo z Definícií 1 a 2. Naopak, nech f je holomorfná
na G s f (z) = 0 pre každé z ∈ G. Funkcie u, v z (28) podľa (30) spĺňajú
ux(x, y) = 0 = vx(x, y), vy(x, y) = 0 = −uy(x, y) pre každé [x, y] ∈ G,
z čoho vyplýva, že funkcie u, v sú konštantné na oblasti G. To znamená, že i
funkcia f = u + iv je konštantná na G.
Dôsledok 1
Nech f, g sú funkcie holomorfné na oblasti G ⊆ C. Potom platia tvrdenia.
(i) Rovnosť f ≡ g platí na G práve vtedy, keď f ≡ g + K na G, kde K je
(komplexná) konštanta.
(ii) Funkcia f je polynóm stupňa menšieho ako n na G práve vtedy, keď
f(n)
≡ 0 na G.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Komplexné funkcionálne rady
Nech G ⊆ C je neprázdna množina a nech {fn(z)}∞
n=1 je postupnosť funkcií
definovaných na G. Postupnosť čiastočných súčtov {sk(z)}∞
k=1 definovaná
sk(z) :=
k
n=1
fn(z), z ∈ G, k ∈ N,
sa nazýva (nekonečný) funkcionálny rad s členmi fn a označuje sa ∞
n=1 fn(z),
resp. fn(z). Rozlišujeme dva typy konvergencie funkcionálnych postupností
a radov.
Bodová konvergencia na G – pre každé z0 ∈ G je číselná postupnosť
{fn(z0)} (číselný rad fn(z0)) konvergentná(ý). Funkcia f s vlastnosťou
f(z) = lim
n→∞
fn(z) f(z) = fn(z) pre každé z ∈ G,
sa nazýva limitná funkcia postupnosti (súčet radu). Symbolicky značíme
fn → f fn → f na G.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Rovnomerná konvergencia na G – zhruba povedané, konvergencia k
limitnej funkcii (k súčtu) nezávisí na premennej z. Presnejšie, ak f je
limitná funkcia postupnosti {fn}, potom pre každé ε > 0 existuje index
nε ∈ N tak, že
|fn(z) − f(z)| < ε pre každé n ≥ nε a pre každé z ∈ G.
Rad fn(z) konverguje rovnomerne k súčtu f na G, ak jeho príslušná
postupnosť čiastočných súčtov {sk} konverguje rovnomerne k f na G.
Symbolicky zapisujeme fn f ( fn f) na G.
Veta 12 (Cauchyho–Bolzanove kritériá rovnomernej konvergencie)
Postupnosť {fn} konverguje rovnomerne na G práve vtedy, keď pre každé
ε > 0 existuje index nε ∈ N tak, že
|fn(z) − fm(z)| < ε pre každé n, m ≥ nε a pre každé z ∈ G.
Rad fn konverguje rovnomerne na G práve vtedy, keď pre každé ε > 0
existuje index nε ∈ N tak, že
m+n
k=n
fk(z) < ε pre každé n ≥ nε, m ∈ N, a pre každé z ∈ G.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Cauchyho–Bolzanove kritéria udávajú nutné a zároveň postačujúce podmienky
rovnomernej konvergencie postupnosti (radu) funkcií. Pre praktické výpočty sa
však s výhodu využíva nasledujúce postačujúce kritérium.
Veta 13 (Weierstrassovo kritérium rovnomernej konvergencie)
Ak pre rad fn existuje konvergentný reálny číselný rad αn s vlastnosťou
|fn(z)| ≤ αn pre každé n ∈ N a pre každé z ∈ G,
potom rad fn konverguje rovnomerne na množine G.
Reálny číselný rad αn vo Vete 13 sa nazýva majorantný rad (majoranta) pre
funkcionálny rad fn.
Veta 14
Nech {fn} je postupnosť funkcií spojitých na množine G ⊆ C. Ak rad fn
konverguje rovnomerne na G k súčtu f, potom funkcia f je spojitá na G.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Mocninové rady
Dôležitým typom funkcionálnych radov sú tzv. mocninové rady, t.j., rady tvaru
∞
n=0
an(z − z0)n
, (32)
kde z0, an ∈ C pre každé n ∈ N0. Číslo z0 sa nazýva stred mocninového radu
(32) a čísla an jeho koeficienty. Množina všetkých komplexných čísiel z, pre
ktoré rad (32) konverguje, sa nazýva obor konvergencie mocninového radu. Je
zrejme, že obor konvergencie ľubovoľného mocninového radu je vždy neprázdna
podmnožina v C (rad (32) vždy konverguje vo svojom strede z0). Nasledujúce
dve vety popisujú štruktúru oboru konvergencie mocninových radov.
Veta 15 (Abelova veta)
Ak mocninový rad (32) konverguje v istom komplexnom čísle z1 = z0, potom
konverguje absolútne v každom z ∈ C spĺňajúcom
|z − z0| < |z1 − z0|.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Veta 16 (Cauchyho–Hadamardova veta)
Pre rad (32) definujme nezáporné reálne číslo R predpisom
R := 1/ lim sup
n→∞
n
|an|. (33)
Potom platia nasledujúce tvrdenia.
(i) Ak R = 0, potom rad (32) konverguje iba vo svojom strede z0 (teda
diverguje na C \ {z0}).
(ii) Ak R = ∞, potom rad (32) konverguje absolútne v každom z ∈ C.
(iii) Ak 0 < R < ∞, potom rad (32) konverguje absolútne pre každé z ∈ C
spĺňajúce |z − z0| < R a diverguje pre každé z ∈ C spĺňajúce |z − z0| > R.
Číslo R v (33) sa nazýva polomer konvergencie mocninového radu (32). Pre R
kladné a konečné sa množina
{z ∈ C, |z − z0| < R} (34)
označuje ako konvergenčný kruh radu (33). Rad (33) konverguje absolútne vo
svojom konvergenčnom kruhu. Naviac, može konvergovať v niektorých bodoch
tzv. konvergenčnej kružnice |z − z0| = R.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Poznámka 4
Ak existuje limn→∞
n
|an|, potom polomer konvergencie R radu (32) spĺňa
R = 1/ lim
n→∞
n
|an|. (35)
Ak naviac existuje i limn→∞ |an+1/an|, potom polomer konvergencie R je
možné vyjadriť aj v tvare
R = 1/ lim
n→∞
an+1
an
. (36)
Identita (36) vyplýva z nerovností
lim inf
n→∞
an+1
an
≤ lim inf
n→∞
n
|an| ≤ lim sup
n→∞
n
|an| ≤ lim sup
n→∞
an+1
an
.
Veta 17
Rad (32) s kladným polomerom konvergencie konverguje absolútne vo svojom
konvergenčnom kruhu. Naviac, rad (32) konverguje rovnomerne na každej
kompaktnej podmnožine svojho konvergenčného kruhu.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Veta 18
Nech mocninový rad (32) má kladný polomer konvergencie R a nech f značí
súčet radu (32), t.j.,
f(z) =
∞
n=0
an(z − z0)n
, |z − z0| < R.
Potom funkcia f je spojitá a holomorfná v konvergenčnom kruhu radu (32) a
f (z) = a1 + 2a2(z − z0) + · · · =
∞
n=0
(n + 1)an+1(z − z0)n
(37)
pre každé z ∈ C spĺňajúce |z − z0| < R. Obzvlášť, mocninový rad (37) (tzv.
derivácia radu (32)) má opäť polomer konvergencie R.
Z Vety 18 vyplýva, že súčet každého mocninového radu je funkcia holomorfná v
konvergenčnom kruhu tohto radu. Naviac, tento súčet má derivácie všetkých
rádov, ktoré sú opäť holomorfné v danom konvergenčnom kruhu. Neskôr
ukážeme, že každá holomorfná funkcia (na otvorenej podmnožine v C) sa dá
vyjadriť ako súčet istého mocninového radu.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 22
Najjednoduchším netriviálnym príkladom mocninového radu je geometrický rad
∞
n=0
zn
= 1 + z + z2
+ z3
+ · · · ,
pozri tiež Príklad 10 b). Jedná sa o mocninový rad so stredom v bode z0 = 0.
Nakoľko v tomto prípade an = 1 pre každé n ∈ N0, platí
lim sup
n→∞
n
|an| = lim sup
n→∞
1 = lim
n→∞
1 = 1.
Pre polomer konvergencie teda máme R = 1 a konvergenčný kruh daného radu
má tvar |z| < 1, podľa Vety 16. Ako sme ukázali v Príklade 10 b), kruh |z| < 1
je zároveň aj oborom konvergencie daného radu (geometrický rad v zadaní totiž
diverguje v každom bode konvergenčnej kružnice |z| = 1).
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 23
Nájdime polomery konvergencie mocninových radov
a)
∞
n=0
(n!) zn
, b)
∞
n=0
zn
n!
.
a) Platí an = n! pre n ∈ N0. Keďže existuje limita
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
(n + 1)!
n!
= lim
n→∞
(n + 1) = ∞,
podľa formuly (36) v Poznámke 4 polomer konvergencie je R = 1/∞ = 0. V
súlade s Vetou 16(i) teda daný rad konverguje iba vo svojom strede z = 0.
b) V tomto prípade máme an = 1/n! pre n ∈ N0 a
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
n!
(n + 1)!
= lim
n→∞
1
n + 1
= 0.
Pre polomer konvergencie potom platí R = 1/0 = ∞. Podľa Vety 16(ii) rad
konverguje absolútne v celej komplexnej rovine.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 24
Určme obor konvergencie mocninového radu
∞
n=0
(z + 2)n
(n + 2)3 4n
.
Koeficienty tohto radu majú tvar an = 1
(n+2)3 4n , n ∈ N0. Ďalej platí
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
(n+3)3 4n+1
1
(n+2)3 4n
= lim
n→∞
1
4
n + 2
n + 3
3
=
1
4
.
Preto polomer konvergencie je R = 4. Podľa Vety 16(iii) rad v zadaní príkladu
konverguje absolútne na množine |z + 2| < 4 a diverguje pre |z + 2| > 4. V
prípade bodov konvergenčnej kružnice, t.j., |z + 2| = 4, platí
(z + 2)n
(n + 2)3 4n
=
|z + 2|n
(n + 2)3 4n
=
4n
(n + 2)3 4n
=
1
(n + 2)3
.
Z reálnej analýzy vieme, že číselný rad 1/(n + 2)3
je konvergentný. Preto
podľa porovnávacieho kritéria rad v zadaní príkladu konverguje absolútne i na
konvergenčnej kružnici. Obor konvergencie je teda uzavretý kruh |z + 2| ≤ 4.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 25
Nájdime obor konvergencie radu
∞
n=1
z3n
n
.
Jedná sa o mocninový rad anzn
, v ktorom niektoré mocniny z “chýbajú”
∞
n=1
z3n
n
= 0 · z0
+ 0 · z1
+ 0 · z2
+ (1/1) · z3
+ 0 · z4
+ 0 · z5
+ (1/2) · z6
+ · · · .
Všeobecný koeficient an tohto radu možno zapísať v tvare
an =
0, n = 0, n = 3k − 2, n = 3k − 1,
3/n, n = 3k = 0.
Postupnosť n
|an| má teda dva hromadné body, 0 a limn→∞
n
3/n = 1.
To znamená, že lim supn→∞
n
|an| = 1, a polomer konvergencie R = 1. Rad
v zadaní preto konverguje absolútne v kruhu |z| < 1 a diverguje pre |z| > 1.
Komplexné čísla Funkcie Derivácia
Príklad 25
Vyšetríme teraz konvergenciu radu na konvergenčnej kružnici |z| = 1. Každé
takéto z má podľa (3) goniometrický tvar z = cos ϕ + i sin ϕ, ϕ ∈ [−π, π).
Dosadením do radu v zadaní a využitím Moivreovho vzorca (8) dostaneme
∞
n=1
z3n
n
=
∞
n=1
(cos ϕ + i sin ϕ)3n
n
(8)
=
∞
n=1
cos 3nϕ + i sin 3nϕ
n
=
∞
n=1
(cos 3nϕ/n) + i
∞
n=1
(sin 3nϕ/n).
Pre 3ϕ = 2kπ sú obidva reálne rady v poslednom výraze konvergentné, podľa
Dirichletovho kritéria. Teda konverguje i pôvodný komplexný rad v zadaní. Vo
zvyšných prípadoch, t.j., v súlade s −π ≤ ϕ < π, pre
ϕ1 = −2π/3 z1 = cos (−2π/3) + i sin (−2π/3) = −(1 + i
√
3)/2,
ϕ2 = 0 z2 = cos 0 + i0 = 1,
ϕ3 = 2π/3 z3 = cos (2π/3) + i sin (2π/3) = (−1 + i
√
3)/2
daný komplexný rad diverguje. Obor konvergencie je teda uzavretý kruh |z| ≤ 1
okrem vyššie uvedených bodov z1, z2, z3.