실수 함수는 그래프를 그려 이해합니다. 복소함수 w=f(z)는 입력도 2차원, 출력도 2차원이라 그래프를 그리려면 4차원이 필요합니다. 그래서 대신 “평면을 어떻게 휘게 하는가”로 봅니다. z 평면에 격자를 그리고 그 격자가 w 평면에서 어떤 곡선이 되는지를 보는 것입니다. 이 장에서는 기본 복소함수들을 이런 사상으로 이해하고, 복소 로그처럼 값이 여러 개인 함수를 다루는 법을 배웁니다.
2.1 복소함수
정의 2.1. 복소수 z에 복소수 w=f(z)를 대응시키는 함수를 복소함수(complex function)라 합니다. z=x+iy로 쓰면
예제 2.3.cos(iln2)=2e−ln2+eln2=21/2+2=45. 코사인 값이 1보다 큽니다.
2.3 복소 로그와 가지
ew=z의 해 w를 로그라 하고 싶지만, ew의 주기 때문에 해가 무수히 많습니다. z=reiθ이면
logz=lnr+i(θ+2πk),k∈Z.
정의 2.4. 주편각을 쓴 Logz=ln∣z∣+iArgz를 주가지(principal branch)라 합니다.
예제 2.5.Log(−1)=ln1+iπ=iπ. Log(i)=iπ/2.
주가지는 음의 실수축에서 불연속입니다. 위쪽에서 다가가면 편각이 π, 아래쪽에서 다가가면 −π에 가까워 2πi만큼 뜁니다. 이렇게 함수를 하나로 정하려고 잘라 낸 곡선을 가지 자름(branch cut)이라 합니다. 원점을 한 바퀴 돌면 로그 값이 2πi만큼 바뀌는 것은 복소해석 전체에서 중요한 현상입니다(4장에서 ∮dz/z=2πi로 다시 나옵니다).
복소 거듭제곱za=ealogz도 같은 이유로 여러 값을 가질 수 있습니다. 예: ii=eilogi=ei⋅i(π/2+2πk)=e−π/2−2πk, 주가지로는 e−π/2≈0.2079로 실수입니다.
2.4 1/z와 뫼비우스 변환
w=1/z=r1e−iθ: 절댓값을 뒤집고 실수축에 대해 대칭시킵니다. 단위원 안쪽과 바깥쪽이 바뀝니다.
정의 2.6.ad−bc=0일 때 w=cz+daz+b를 뫼비우스 변환(Möbius transformation)이라 합니다.
뫼비우스 변환은 평행이동, 회전·확대, 1/z를 합성한 것입니다.
정리 2.7. 뫼비우스 변환은 “직선 또는 원”을 “직선 또는 원”으로 보냅니다(직선을 반지름이 무한대인 원으로 봅니다).
예제 2.8 (케일리 변환).w=z+iz−i는 위쪽 반평면을 단위원판 ∣w∣<1로 보냅니다. 위쪽 반평면의 점은 i까지의 거리가 −i까지의 거리보다 가까우므로 ∣w∣<1입니다. 실수축은 두 거리가 같아 단위원 ∣w∣=1로 갑니다.
함수를 바꾸며 z 평면의 격자(왼쪽)가 w 평면(오른쪽)에서 어떻게 휘는지 봅니다. eᶻ는 세로선을 원으로, 1/z는 안팎을 뒤집고, 케일리 변환은 위쪽 반평면을 원판으로 접어 넣습니다. 휘어진 곡선들이 여전히 직각으로 만나는 점(3장의 등각성)에 주목합니다
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2.5 극한과 연속
정의 2.9.z가 어느 방향에서 z0에 다가가든 ∣f(z)−L∣→0이면 limz→z0f(z)=L이라 하고, f(z0)=L이면 f가 z0에서 연속(continuous)이라 합니다.
실수와 다른 점은 “어느 방향에서”입니다. 실수에서는 왼쪽과 오른쪽 두 방향뿐이지만, 평면에서는 무한히 많은 방향과 곡선을 따라 다가갈 수 있습니다.
예제 2.10.f(z)=zˉ/z는 z→0에서 극한이 없습니다. 실수축을 따라 다가가면(z=x) 1, 허수축을 따라 다가가면(z=iy) iy−iy=−1입니다.
2.6 이 장의 요약
f(z)=u+iv: 평면에서 평면으로의 사상. 격자의 상으로 이해합니다.
ez: 주기 2πi, 0이 되지 않음. 복소 삼각함수는 유계가 아님.
logz는 값이 여럿: 주가지와 가지 자름. 원점을 돌면 2πi만큼 바뀜.
뫼비우스 변환: 원과 직선을 원과 직선으로. 케일리 변환은 반평면을 원판으로.
쓰이는 곳. 교류 회로와 신호의 복소지수 표현, 양자역학의 위상 인자, 제어공학의 s 평면과 z 평면 사이 변환(쌍일차 변환은 뫼비우스 변환), 상대성 이론의 로런츠 변환(뫼비우스 변환과 같은 군), 하이퍼볼릭 기하를 쓰는 표현 학습(푸앵카레 원판 임베딩)이 이 장의 함수를 씁니다.