Processing math: 0%
Tämä kurssi on jo päättynyt.
\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \renewcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bbf}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\rA}{\mathrm{A}} \newcommand{\rB}{\mathrm{B}} \newcommand{\rC}{\mathrm{C}} \newcommand{\rD}{\mathrm{D}} \newcommand{\rE}{\mathrm{E}} \newcommand{\rF}{\mathrm{F}} \newcommand{\rG}{\mathrm{G}} \newcommand{\rH}{\mathrm{H}} \newcommand{\rI}{\mathrm{I}} \newcommand{\rJ}{\mathrm{J}} \newcommand{\rK}{\mathrm{K}} \newcommand{\rL}{\mathrm{L}} \newcommand{\rM}{\mathrm{M}} \newcommand{\rN}{\mathrm{N}} \newcommand{\rO}{\mathrm{O}} \newcommand{\rP}{\mathrm{P}} \newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}} \newcommand{\rR}{\mathrm{R}} \newcommand{\rS}{\mathrm{S}} \newcommand{\rT}{\mathrm{T}} \newcommand{\rU}{\mathrm{U}} \newcommand{\rV}{\mathrm{V}} \newcommand{\rW}{\mathrm{W}} \newcommand{\rX}{\mathrm{X}} \newcommand{\rY}{\mathrm{Y}} \newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}} \newcommand{\im}{\mathrm{i}} \newcommand{\e}{\mathrm{e}} \newcommand{\real}{\operatorname{Re}} \newcommand{\imag}{\operatorname{Im}} \newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}} \newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}} \DeclareMathOperator*{\res}{res} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\Var}{\operatorname{Var}} \newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}} \newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}} \newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}} \newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}} \newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}} \newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}} \newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}} \newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}} \newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}} \newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}} \newcommand{\tdist}{\operatorname{t}} \newcommand{\rd}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-10mu}\,#1}^{\,#2}} \newcommand{\qedhere}{}

Yleisen funktion nollat ja erikoispisteet

Nollia, napoja ja poistuvia erikoispisteitä vastaavat käsitteet voidaan yleistää myös muille kompleksimuuttujan funktioille Laurentin sarjakehitelmän avulla.

Määritelmä 6.2.1

Olkoon funktio f analyyttinen kiekossa |z - z_0| < R ja k positiivinen kokonaisluku. Funktiolla f on k-kertainen nolla pisteessä z_0, jos sen Taylorin sarjakehitelmässä

f(z)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n (z-z_0)^n

kertoimet a_0 = a_1 = \cdots = a_{k - 1} = 0 ja a_k \neq 0.

Huomautus 6.2.2

Jos funktiolla f on k-kertainen nolla pisteessä z_0, niin

f(z)=(z-z_0)^k \sum_{n=k}^{\infty}a_n(z-z_0)^{n-k}=(z-z_0)^k g(z),

missä g on analyyttinen funktio, jolle g(z_0) = a_k \neq 0.

Esimerkki 6.2.3

Sinifunktion Taylorin sarja origossa on

\sin(z)=\sum_{m=0}^\infty\frac{(-1)^{m}z^{2m+1}}{(2m+1)!}=\sum_{n=0}^{\infty}a_n z^n,

missä

\begin{split}a_n = \begin{cases} 0, & \text{kun } n \text{ on parillinen} \\ (-1)^n/n!, & \text{kun } n \text{ on pariton}. \end{cases}\end{split}

Koska a_0=0 ja a_1=1\neq 0, sinifunktiolla on origossa yksinkertainen nolla.

Funktion f erityisten pisteiden tarkastelussa nollat muodostavat oman kategoriansa. Toisen muodostavat erikoispisteet, joissa f ei ole analyyttinen. Rajoitutaan tässä tarkastelemaan vain erikseen esiintyviä erikoispisteitä, eli sellaisia joiden ympärillä f on analyyttinen.

Määritelmä 6.2.4

Funktiolla f on pisteessä z_0 eristetty erikoispiste, jos se on analyyttinen jossakin pisteen z_0 avoimessa ympäristössä, mutta ei itse pisteessä z_0.

Olkoon z_0 funktion f eristetty erikoispiste, funktion f Laurentin sarja pisteessä z_0

f(z)=\sum_{n=-\infty}^\infty a_n (z-z_0)^n

ja k positiivinen kokonaisluku. Funktiolla f on pisteessä z_0

  1. poistuva erikoispiste, jos a_n=0 aina, kun n<0,
  2. k-kertainen napa, jos a_{-k}\neq 0 ja a_n=0 aina, kun n<-k,
  3. oleellinen erikoispiste, jos ei löydy kokonaislukua m, jolle a_n = 0 aina, kun n < m.

Koska analyyttiset funktiot käyttäytyvät erityisen kauniisti, olisi välillä kätevää pystyä määrittämään epäanalyyttisen funktion analyyttinen vastine. Tavat, joilla erilaiset eristetyt erikoispisteet on nimetty, viittaavat tämän vastineen löytämisen vaikeuteen. Jos funktiolla f on pisteessä z_0

  1. poistuva erikoispiste, niin määrittelemällä f(z_0) = a_0 saadaan analyyttinen funktio,
  2. k-kertainen napa, niin funktiolla (z - z_0)^kf(z) on pisteessä z_0 poistuva erikoispiste,
  3. oleellinen erikoispiste, niin siitä ei voida muodostaa analyyttista funktiota.

Funktion erikoispisteiden tunnistaminen on oleellista esimerkiksi residyjä laskettaessa. Oleellista erikoispistettä voidaan luonnehtia paitsi pisteeksi, jonka Laurentin sarjakehitelmässä on ääretön määrä negatiivisia potensseja, myös eristetyksi erikoispisteeksi, joka ei ole poistuva eikä napa. Käydään vielä läpi eristettyihin erikoispisteisiin liittyviä esimerkkejä.

Esimerkki 6.2.5

Rationaalifunktiolle mainittu poistuvan erikoispisteen määritelmä on yhtäpitävä yleisen funktion poistuvan erikoispisteen kanssa. Esimerkiksi käy rationaalifunktio

f(z) = \frac{(z + \im)(z - 1)}{z - 1}.

Tällä on pistettä 1 ympäröivässä rengasmaisessa alueessa Laurentin sarja

f(z) = \frac{(z + \im)(z - 1)}{z - 1} = z + \im = \sum_{n = -\infty}^{\infty}a_nz^n,

missä vain a_0 = \im \neq 0 ja a_1 = 1 \neq 0. Täten funktiolla f on pisteessä 1 poistuva erikoispiste.

Esimerkki 6.2.6

Koska origossa saadaan sarjakehitelmä

\frac{\sin(z)}{z}=\frac{1}{z}\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^{n}z^{2n+1}}{(2n+1)!}=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^{n}z^{2n}}{(2n+1)!},

piste z=0 on määritelmän mukaisesti funktion \sin(z)/z poistuva erikoispiste. Jatkamalla funktion \sin(z)/z määritelmää origoon asettamalla

\begin{split}f(z) = \begin{cases} \frac{\sin(z)}{z}, & \text{kun } z \not= 0 \\ 1, & \text{kun } z = 0, \end{cases} \qquad\text{tai yhtäpitävästi}\qquad f(z) = \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^{n}z^{2n}}{(2n+1)!}\end{split}

saadaan lauseen 5.2.9 nojalla analyyttinen funktio f. Täten Cauchyn integraalikaavasta seuraa, että jos S on origon sisäänsä sulkeva paloittain sileä Jordanin käyrä, niin

\int_S\frac{\sin(z)}{z^2}\,\rd z = \int_S\frac{f(z)}{z}\,\rd z = 2\pi\im f(0) = 2\pi\im.

Eristetyn erikoispisteen z_0 tyypin määrittämiseen tarvitaan nimenomaan Laurentin sarja siinä pisteessä (kehityskeskuksena z_0). Usein, kuten seuraavassa esimerkissä, ei kuitenkaan tarvita koko sarjaa vaan vain sen verran, että nähdään erikoispisteen laadun yksilöivä informaatio.

Esimerkki 6.2.7

Rationaalifunktiolla

f(z)=\frac{1}{z^2(z+1)}

on kaksinkertainen napa pisteessä 0 ja yksinkertainen napa pisteessä -1, sillä nämä pisteet ovat nimittäjän z^2(z + 1) kaksin- ja yksinkertainen nolla. Todetaan, että Laurentin sarjan avulla annettu navan määritelmä antaa saman tuloksen. Tätä varten etsitään osamurtohajotelma. Jos

\frac{1}{z^2(z+1)} = \frac{A}{z} + \frac{B}{z^2} + \frac{C}{z+1} = \frac{(A + C)z^2 + (A + B)z + B}{z^2(z + 1)},

niin A+C=0, A+B=0 ja B=1. Täten A=-1, B=1 ja C=1, eli

f(z)=\frac{1}{z^2(z+1)}=\frac{1}{z^2}-\frac{1}{z}+\frac{1}{z+1}.

Koska \frac{1}{z+1} on analyyttinen origossa, niin funktion f Laurentin sarja origossa on muotoa

f(z)=z^{-2} - z^{-1} + \sum_{n=0}^{\infty}a_n z^n

joillekin kertoimille a_n, n \in \Z. Koska kerroin a_{-2} = 1 \neq 0 ja a_n = 0, kun n < -2, funktiolla f on kaksinkertainen napa origossa.

Koska \frac{1}{z^2}-\frac{1}{z} on analyyttinen pisteessä z=-1, niin funktion f Laurentin sarja pisteessä -1 on muotoa

f(z)=(z - (-1))^{-1} + \sum_{n=0}^{\infty}b_n (z-(-1))^n

joillekin kertoimille b_n, n \in \Z. Näin funktiolla f on yksinkertainen napa pisteessä -1.

Esimerkki 6.2.8

Esimerkissä 5.3.8 osoitettiin, että

\e^{1/z^2}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}z^{-2n},

joten origossa kehitetyn Laurentin sarjan kertoimet a_0, a_{-2}, a_{-4}, \ldots eroavat nollasta. Näitä on äärettömän monta, ja täten funktiolla \e^{1/z^2} on oleellinen erikoispiste origossa.

Palautusta lähetetään...