ComplexFunctions1-SampleExam-v1.0
Transcription
ComplexFunctions1-SampleExam-v1.0
פונקציות מרוכבות: פתרון מבחן לדוגמה של פרופ' אשר בן ארצי )סמסטר א' תשע"א( גרסה ,1.0אוגוסט 2011 ברק שושני [email protected] | http://baraksh.co.il/ שאלות .1חשבו את האינטגרל: a>0 2 dx, )cos (ax )(x2 + 4x + 5 ∞ ˆ ∞− ופשטו את התוצאה. .2מצאו העתקה קונפורמית fהמעתיקה את הקבוצה: n o 2 2 E ≡ z = x + i y y > 0, (x − 1) + y 2 > 1, (x + 1) + y 2 > 1 על הקבוצה: )F ≡ B\ [0, 1 כאשר Bהוא עיגול היחידה .אפשר לתאר את ההעתקה כהרכבת מספר העתקות קונפורמיות מבלי לחשב את התוצאה הסופית. .3יהי a ∈ Cהמקיים .Re a > 1הוכיחו שלמשוואה ez −z = aיש בדיוק פתרון אחד המקיים .Re z < 0 .4האם קיימת פונקציה f 6≡ 0הולומורפית על עיגול היחידה ובעלת אינסוף אפסים בו? .5תהי fפונקציה שלמה .נתון שקיים פולינום pכך ש־ deg p > 0וכך ש־ p ◦ fפולינום .הוכיחו שגם f פולינום. 1 פתרונות שאלה 1 חשבו את האינטגרל: a>0 2 dx, ∞ )cos (ax )+ 4x + 5 ˆ (x2 ∞− ופשטו את התוצאה. פתרון המכנה מתאפס כאשר: √ 16 − 20 = −2 ± i 2 −4 ± =x לפיכך אין לו שורשים ממשיים ,והאינטגרנד רציף )וסופי( על כל הישר הממשי .נשים לב כי: ∞ ˆ ∞ ˆ )cos (ax 1 dx ≤ 2 ∞ < 2 dx 2 2 )−∞ (x + 4x + 5 )−∞ (x + 4x + 5 ולכן האינטגרל מתכנס )בהחלט( .כמו כן מתקיים: 2 dx ˆ ei az ∞ )(z 2 + 4z + 5 ∞− 2 dx = Re ∞ )cos (ax )(x2 + 4x + 5 ˆ ∞− כעת ,נתבונן בפונקציה: ei az 2 ))((z + 2 + i) (z + 2 − i = ei az 2 )(z 2 + 4z + 5 ≡ )f (z השורשים −2 ± iהם כמובן קטבים מסדר .2נבצע אינטגרציה של ) f (zעל המסילה γהמורכבת מהקטע ] [−R, Rומחצי המעגל העליון ברדיוס ,Rכאשר ∞ → .Rנשים לב כי רק הקוטב −2 + iנמצא בתוך תחום האינטגרציה .לחישוב השארית בו נשתמש בנוסחה )המתאימה לקטבים מסדר שני בלבד(: h i d 2 Res f (z) = lim )(z − z0 ) f (z z=z0 z→z0 dz מכאן: d 2 )(z + 2 − i) f (z z→−2+i dz ! d ei az = lim 2 z→−2+i dz )(z + 2 + i i a ei az (z + 2 + i) − 2 ei az 3 )(z + 2 + i lim = )Res f (z lim = z→−2+i a + 1 −(2 i +1)a e 4i z=−2+i = לפיכך: a + 1 −(2 i +1)a e 4i a + 1 −2 i a −a πe e = 2 ˛ · f (z) dz = 2π i 2 γ כעת ,עבור אינטגרלים מהצורה: ˆ g (z) ei az dz, a>0 אנו יודעים ,מהלמה של ז'ורדן ,כי האינטגרל על חצי המעגל העליון מתאפס אם מתקיים: lim g R ei θ → 0 ∞→R ואכן ,במקרה שלנו: −−−−→ 0 ∞→||z 1 2 )+ 4z + 5 לכן האינטגרל על חצי המעגל מתאפס ,ומכאן: a + 1 −2 i a −a a+1 πe e = π cos (2a) e−a 2 2 (z 2 ≡ )g (z = Re 2 dx ∞ )cos (ax )+ 4x + 5 (x2 ˆ ∞− שאלה 2 מצאו העתקה קונפורמית fהמעתיקה את הקבוצה: n o 2 2 E ≡ z = x + i y y > 0, (x − 1) + y 2 > 1, (x + 1) + y 2 > 1 על הקבוצה: )F ≡ B\ [0, 1 כאשר Bהוא עיגול היחידה .אפשר לתאר את ההעתקה כהרכבת מספר העתקות קונפורמיות מבלי לחשב את התוצאה הסופית. פתרון הקבוצה Eהיא חצי המישור העליון ללא שני עיגולי היחידה בעלי מרכזים ב־:z = ±1 3 ראשית "נהפוך" את הקבוצה באמצעות ההעתקה: 1 z ϕ1 (z) ≡ − העתקה זו מקיימת: ϕ1 (∞) = 0 ϕ1 (1) = −1, ϕ1 (0) = ∞, קונפורמית ,מעגלים מאונכים נשארים מאונכים לפיכך היא שולחת את הישר הממשי לעצמוo .מאחר שההעתקה n 2 לאחר שמפעילים אותה עליהם .לפיכך המעגל , (x − 1) + y 2 = 1אשר מאונך לישר הממשי בנקודות z = 0 ההעתקה לישר הממשי ו־ ,z = 2יהיה מאונך אחרי הפעלת בנקודות ∞ = zו־ - z = 12כלומר ,הוא יעבור לישר n o 2 1 2 . x = 21באותה צורה רואים כי המעגל (x + 1) + y = 1עובר לישר . x = − 2נשים לב כי הנקודה i ∈ Eעוברת לעצמה ,ולכן הקבוצה Eתעבור להיות בין שני הישרים החדשים ,כלומר תעבור למלבן: 1 1 ϕ1 (E) = z = x + i y − < x < , y > 0 2 2 כעת נזיז את המלבן כך שיתחיל מ־ ,(z 7→ z + 12 ) x = 0נמתח את המלבן פי ,(z 7→ 2πz) 2πונסובב אותו ב־90 מעלות סביב הראשית נגד כיוון השעון ) .(z 7→ i zבסה"כ נקבל את ההעתקה: 1 ϕ2 (z) ≡ 2π i z + 2 העתקה זו תעביר את ) ϕ2 (Eלמלבן: }(ϕ2 ◦ ϕ1 ) (E) = {x < 0, 0 < y < 2π 4 כעת כל שנותר הוא להפעיל את ההעתקה: ϕ3 (z) ≡ ez נשים לב כי: ez = ex+i y = ex ei y לכן לאחר ההעתקה אנו נקבל את כל הנקודות שהארגומנט שלהן הוא בין 0ל־) 2πלא כולל( והרדיוס שלהן הוא בין 0ל־) 1לא כולל(: )(ϕ3 ◦ ϕ2 ◦ ϕ1 ) (E) = B\ [0, 1 כנדרש. 5 שאלה 3 יהי a ∈ Cהמקיים .Re a > 1הוכיחו שלמשוואה ez −z = aיש בדיוק פתרון אחד המקיים .Re z < 0 פתרון נשתמש במשפט רושה :אם fו־ gאנליטיות בתוך ועל מסילה פשוטה וסגורה ,γומתקיים |) |g (z)| < |f (zעל ,γ אז ל־ fול־ f + gאותו מספר אפסים )כולל ריבויים( בתוך .γ נגדיר: g (z) ≡ − ez f (z) ≡ a + z, בתור המסילה ,ניקח את חצי המעגל השמאלי: π 3π ∈ γ = γ1 + γ2 ≡ [− i R, i R] + R ei ϕ ϕ , 2 2 עלינו להראות כי על המסילה מתקיים: ||ez | < |a + z אכן ,על γ1מתקיים Re z = 0ולכן: ||ez | = eRe z+i Im z = eRe z = 1 < Re a = Re (a + z) ≤ |a + z ועל γ2מתקיים Re z ≤ 0ו־ |z| = Rולכן ,אם ניקח |:R > 1 + |a ||ez | = eRe z ≤ 1 < R − |a| = |z| − |a| ≤ |a + z מאי־שוויון המשולש ההפוך ,כנדרש .מכאן ,מספר הפתרונות של המשוואה: f (z) + g (z) = a + z − ez = 0 זהה למספר הפתרונות של המשוואה: f (z) = a + z = 0 בתוך המסילה .γלמשוואה זו יש רק פתרון אחד ,z = −a ,וכאשר ∞ → Rאנו רואים כי בחצי המישור השמאלי יש בדיוק פתרון אחד למשוואה .ez −z = a שאלה 4 האם קיימת פונקציה f 6≡ 0הולומורפית על עיגול היחידה ובעלת אינסוף אפסים בו? פתרון אכן ,קיימת פונקציה כזאת .נגדיר פונקציה hבצורה הבאה: 1−z 1+z ≡ )h (z אז מתקיים: 1−i = −i 1+i = )h (i h (1) = 0, 6 h (−1) = ∞, לפיכך hמעבירה את מעגל היחידה } {|z| = 1לישר המדומה } .{Re z = 0כמו־כן h (0) = 1 ,ולכן עיגול היחידה } B ≡ {|z| < 1עובר לחצי המישור הימני } .{Re z > 0כעת ,נגדיר את הפונקציה fהמבוקשת כך: )f (z) ≡ sin h (z מכיוון ש־ hהולומורפית על עיגול היחידה ,גם fהולומורפית עליו .מתקיים למשל f (0) = sin 1 6= 0ולכן f 6≡ 0 כנדרש .נשים לב כי hהיא הפונקציה ההפוכה של עצמה: 1−z )= h (z 1+z = )h−1 (z ) 1 − h−1 (z ≡ )h h−1 (z =z )1 + h−1 (z ⇒= נסמן לכל :n ∈ N zn ≡ h−1 (πn) ∈ B אז: h (zn ) = πn ומכיוון ש־ hחד־חד־ערכית ,הנקודות znשונות זו מזו .לבסוף ,מתקיים: f (zn ) = sin h (zn ) = sin (πn) = 0 ולכן ל־ fאינסוף אפסים בעיגול היחידה ,כנדרש. שאלה 5 תהי fפונקציה שלמה .נתון שקיים פולינום pכך ש־ deg p > 0וכך ש־ p ◦ fפולינום .הוכיחו שגם fפולינום. פתרון נתון כי fשלמה ,כלומר היא אנליטית בכל המישור המרוכב פרט ,אולי ,ל־∞ .לפיכך מספיק להוכיח כי אין לה סינגולריות עיקרית ב־∞ )כלומר ,יש לה קוטב או היא אנליטית שם( ,ואז היא בהכרח פולינום .נניח ,אם כן, בשלילה כי ∞ נקודה סינגולרית עיקרית של .f נתון כי ,deg p > 0לכן לפולינום pיש לפחות שורש אחד ,אותו נסמן ב־ .λכעת נשתמש במשפט קסורטי־ ויירשטראס :תהי ) f (zפונקציה אנליטית בסביבה נקובה Uשל z0ובעלת נקודה סינגולרית עיקרית ב־ ,z0אז ∞ לכל סביבה נקובה V ⊆ Uשל f (V ) ,z0צפופה ב־ .Cמכאן ,קיימת סדרה {zn }n=1כך ש: lim |zn | = ∞, lim f (zn ) = λ ∞→n ∞→n ולכן: lim f (zn ) = p (λ) = 0 ∞→n lim (p ◦ f ) (zn ) = p ∞→n במילים אחרות ,הפולינום p ◦ fמתאפס באינסוף ולכן הוא בהכרח הפונקציה הקבועה .0לפיכך כל הערכים שמניבה הפונקציה fהם שורשים של .pזוהי קבוצה סופית ,ומכיוון ש־ fרציפה ,נסיק כי היא בהכרח קבועה )ושווה לשורש כלשהו של .(pמכאן fרגולרית ב־∞ ,בסתירה להנחת השלילה. 7