複素関数論

ド・モアブルの定理

z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z=r(\cos\theta+i\sin\theta) のとき

zn=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ)z^n=r^n(\cos{n\theta}+i\sin{n\theta})

ただし、nn は任意の整数

コーシー・リーマンの関係式

複素関数 f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y)f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y) において、以下の関係をコーシー・リーマンの関係式 (以下、CRの関係式) という。

∂u∂x(x,y)=∂v∂y(x,y)∂u∂y(x,y)=−∂v∂x(x,y)\begin{aligned} \dfrac{\partial u}{\partial x}(x,y)&=\dfrac{\partial v}{\partial y}(x,y)\\ \dfrac{\partial u}{\partial y}(x,y)&=-\dfrac{\partial v}{\partial x}(x,y) \end{aligned}

f(z)f(z) が zz で微分可能であることは、u(x,y),v(x,y)u(x,y),v(x,y) が全微分可能かつCRの関係式が成り立つことに等しい。

複素関数の積分

区分的に滑らかな積分路 CC における複素関数 f(z)f(z) の積分は、z(t)=x(t)+y(t)  (a≤t≤b)z(t)=x(t)+y(t)\;(a\le t\le b) とおくと

∫Cf(z)dz=∫abf(z(t))dz(t)dtdt\int_Cf(z)dz=\int_a^bf(z(t)) \dfrac{dz(t)}{dt}dt

と表せる。

性質

  1. ∫C{f(z)+g(z)}dz=∫Cf(z)dz+∫Cg(z)dz\int_C\{f(z)+g(z)\}dz=\int_Cf(z)dz+\int_Cg(z)dz
  2. ∫kf(z)dz=k∫f(z)dz\int kf(z)dz=k\int f(z)dz
  3. ∫−Cf(z)dz=−∫Cf(z)dz\int_{-C}f(z)dz=-\int_Cf(z)dz
  4. ∫Cf(z)dz=∫C1f(z)dz+∫C2f(z)dz\int_Cf(z)dz=\int_{C_1}f(z)dz+\int_{C_2}f(z)dz

コーシーの積分定理

f(z)=u+ivf(z)=u+iv は DD で正則であり、かつ u,vu,v は C1C^1 級であるとする。 単純閉曲線 CC で囲まれた領域を Ω\Omega として、Ωˉ\bar\Omega が DD に含まれるならば、次が成り立つ。

∮Cf(z)dz=0\oint_{C}f(z)dz=0
補足

グリーンの定理

単純閉曲線で囲まれた領域を Ω\Omega とし、Ωˉ=(Ω+∂Ω)\bar\Omega=(\Omega+\partial\Omega) で C1C^1 級である P(x,y),Q(x,y)P(x,y),Q(x,y) に対して、次が成り立つ。

∮∂Ω(Pdx+Qdy)=∬Ω(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy\oint_{\partial\Omega}(Pdx+Qdy)=\iint_\Omega\left(\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y}\right)dxdy

積分路の変形I

f(z)f(z) が単連結領域 DD で正則とする。2つの曲線 C1,C2∈DC_1,C_2\in D が共通の始点と終点をもつとき

∫C1f(z)dz=∫C2f(z)dz\int_{C_1}f(z)dz=\int_{C_2}f(z)dz
補足
単連結な正則領域では積分が経路に依らない。

積分路の変形II

単純閉曲線 C1,C2C_1,C_2 で囲まれた環状領域を DD とし、Dˉ\bar D で正則な f(z)f(z) に対して、次が成り立つ。

∮C1f(z)dz=∮C2f(z)dz\oint_{C_1}f(z)dz=\oint_{C_2}f(z)dz

コーシーの積分公式

単純閉曲線 CC で囲まれる領域を DD とし、f(z)f(z) は Dˉ\bar{D} で正則であるとする。 このとき、任意の z∈Dz\in D に対し、次が成り立つ。

f(z)=12πi∮Cf(ζ)ζ−zdζf(z)=\dfrac1{2\pi i}\oint_C\dfrac{f(\zeta)}{\zeta-z}d\zeta
補足

コーシーの積分公式では、ある点 f(z)f(z) の周囲の値から、その点での関数 ff の値 f(z)f(z) を求めることができている。

グルサの公式

単純閉曲線 CC で囲まれる領域を DD とし、f(z)f(z) は Dˉ\bar{D} で正則であるとする。 このとき、f(z)f(z) は DD 内の点 zz で何回でも微分可能となる。

また、任意の自然数 nn に対して f(n)(z)f^{(n)}(z) は DD 上で正則となり次が成り立つ。

f(n)(z)=n!2πi∮Cf(ζ)(ζ−z)n+1dζf^{(n)}(z)=\dfrac{n!}{2\pi i}\oint_C\dfrac{f(\zeta)}{(\zeta-z)^{n+1}}d\zeta

複素関数のテイラー展開

複素関数 f(z)f(z) は閉円板 Dˉ(α,R)\bar{D}(\alpha,R) で正則であるとする。このとき、任意の z∈D(α,R)z\in D(\alpha,R) に対し、次の等式が成り立つ。

f(z)=f(α)+f′(α)(z−α)+12!f′′(α)(z−α)2+⋯=∑n=0∞f(n)(α)n!(z−α)n\begin{aligned} f(z)&=f(\alpha)+f'(\alpha)(z-\alpha)+\dfrac1{2!}f''(\alpha)(z-\alpha)^2+\cdots\\ &=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{f^{(n)}(\alpha)}{n!}(z-\alpha)^n \end{aligned}
補足

実関数のテイラー展開の公式が複素関数にもそのまま使える。

ローラン展開

D={z∈C∣R1<∣z−α∣<R2}  (0≤R1<R2≤∞)D=\{z\in\Bbb{C}\mid R_1<|z-\alpha|<R_2\}\;(0\le R_1<R_2\le\infty) とする。 f(z)f(z) が Dˉ\bar{D} で正則な関数であるとき、任意の z∈Dz\in D に対し、次の等式が成り立つ。

cn=12πi∮Cf(ζ)(ζ−α)n+1dζ  (n=0,±1,±2,… )f(z)=⋯+c−2(z−α)2+c−1(z−α)+c0+c1(z−α)+c2(z−α)2+⋯=∑n=−∞∞cn(z−α)n\begin{aligned} c_n&=\dfrac1{2\pi i}\oint_C\dfrac{f(\zeta)}{(\zeta-\alpha)^{n+1}}d\zeta\;(n=0,\pm1,\pm2,\dots)\\ f(z)&=\cdots+\dfrac{c_{-2}}{(z-\alpha)^2} +\dfrac{c_{-1}}{(z-\alpha)}+c_0+c_1(z-\alpha)+c_2(z-\alpha)^2+\cdots\\ &=\sum_{n=-\infty}^\infty c_n(z-\alpha)^n \end{aligned}

ただし CC は DD 内の α\alpha を内部に含む任意の円。

テイラー展開にはない z−αz-\alpha の負のべき乗を含む項の系列を主要部という。

孤立特異点

f(z)f(z) が D={z∈C∣0<∣z−α∣<R}(R≤∞)D=\{z\in \Bbb{C}\mid0<|z-\alpha|<R\}\enspace(R\le\infty) で正則であり、z=αz=\alpha で正則でないとき、点 α\alpha を孤立特異点 (isolated singularity) という。

特に、f(z)f(z) のローラン級数の主要部が

  1. 存在しない場合は可除特異点 (removable singularity) という
  2. kk 個存在 (有限かつ k≠0k\ne0) する場合は kk 位の極 (k-th pole) という
  3. 主要部が特異点\text{主要部が特異点} である場合は真性特異点 (essential singularity) という

留数定理

α\alpha を中心とするローラン展開における c−1c_{-1} を f(z)f(z) の z=αz=\alpha における留数 (residue) といい、Res(f(z),α)\text{Res}(f(z),\alpha) で表す。

f(z)f(z) が単純閉曲線 CC とその内部で CC 内の孤立特異点 α1,α2,…,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n を除いて正則であるとき次の等式が成り立つ。

∮Cf(z)dz=2πi∑k=1nRes(f(z),αk)\oint_Cf(z)dz=2\pi i\sum_{k=1}^n\text{Res}(f(z),\alpha_k)
補足

f(z)f(z) の周回積分の値が内部の留数の和で求められている。