3장. 정칙함수와 코시–리만 방정식

복소해석학 · 1부. 복소수와 정칙함수

심화 · 약 15분 · 연습문제 5

요약

복소 미분의 정의, 방향과 무관해야 한다는 조건, 코시–리만 방정식, 정칙함수, 미분 규칙, 조화함수와 켤레, 등각성

복소함수의 미분을 실수와 똑같이 lim⁡f(z+h)−f(z)h\lim\frac{f(z + h) - f(z)}{h}로 정의하면, 이번에는 hh가 평면의 모든 방향에서 0으로 갈 수 있습니다. 모든 방향에서 같은 값이 나와야 한다는 조건은 생각보다 훨씬 강해서, uu와 vv 사이에 코시–리만 방정식이라는 엄격한 관계를 강요합니다. 이 조건을 만족하는 함수(정칙함수)는 실수 함수에서는 볼 수 없는 놀라운 성질들을 갖고, 그것이 이 과목의 나머지 전부입니다.

3.1 복소 미분

정의 3.1. 다음 극한이 존재하면 ff가 z0z_0에서 복소 미분가능하다고 하고, 그 값을 f′(z0)f'(z_0)라 씁니다.

f′(z0)=lim⁡h→0f(z0+h)−f(z0)h(h∈C).f'(z_0) = \lim_{h \to 0}\frac{f(z_0 + h) - f(z_0)}{h} \qquad (h \in \mathbb C).

예제 3.2. f(z)=z2f(z) = z^2: (z+h)2−z2h=2z+h→2z\frac{(z + h)^2 - z^2}{h} = 2z + h \to 2z. 실수와 같습니다.

예제 3.3. f(z)=zˉf(z) = \bar z: z+h‾−zˉh=hˉh\frac{\overline{z + h} - \bar z}{h} = \frac{\bar h}{h}. hh가 실수이면 1, 순허수이면 −1-1이므로 극한이 없습니다. zˉ\bar z는 어디서도 복소 미분가능하지 않습니다. 실수부·허수부로 보면 (x,y)↦(x,−y)(x, y) \mapsto (x, -y)로 아주 매끄러운 사상인데도 그렇습니다.

3.2 코시–리만 방정식

f=u+ivf = u + iv가 z0z_0에서 미분가능하다고 하고 두 방향으로 다가가 봅니다.

  • h=th = t(실수)로 다가가면 f′=ux+ivxf' = u_x + iv_x.
  • h=ith = it(순허수)로 다가가면 f′=uy+ivyi=vy−iuyf' = \frac{u_y + iv_y}{i} = v_y - iu_y.

두 값이 같아야 하므로

정리 3.4 (코시–리만 방정식). f=u+ivf = u + iv가 z0z_0에서 복소 미분가능하면

ux=vy,uy=−vx.u_x = v_y, \qquad u_y = -v_x.

거꾸로, u,vu, v의 편도함수가 연속이고 코시–리만 방정식을 만족하면 ff는 복소 미분가능하고 f′=ux+ivxf' = u_x + iv_x입니다.

예제 3.5. z2z^2: u=x2−y2u = x^2 - y^2, v=2xyv = 2xy. ux=2x=vyu_x = 2x = v_y, uy=−2y=−vxu_y = -2y = -v_x. 만족합니다.

예제 3.6. eze^z: u=excos⁡yu = e^x\cos y, v=exsin⁡yv = e^x\sin y. ux=excos⁡y=vyu_x = e^x\cos y = v_y, uy=−exsin⁡y=−vxu_y = -e^x\sin y = -v_x. 만족하고, f′=ux+ivx=ezf' = u_x + iv_x = e^z.

예제 3.7. ∣z∣2=x2+y2|z|^2 = x^2 + y^2: u=x2+y2u = x^2 + y^2, v=0v = 0. ux=2x=vy=0u_x = 2x = v_y = 0은 x=0x = 0에서만, uy=2y=0u_y = 2y = 0은 y=0y = 0에서만 성립하므로 원점에서만 미분가능합니다.

3.3 정칙함수

정의 3.8. 열린 집합의 모든 점에서 복소 미분가능한 함수를 그 집합에서 정칙(holomorphic) 또는 해석적(analytic)이라 합니다. 평면 전체에서 정칙인 함수를 전해석함수(entire function)라 합니다.

예: 다항식, eze^z, sin⁡z\sin z, cos⁡z\cos z는 전해석함수입니다. 유리함수는 분모가 0인 점을 뺀 곳에서 정칙입니다. Log z\mathrm{Log}\,z는 가지 자름(음의 실수축과 0)을 뺀 곳에서 정칙이고, 그곳에서 (Log z)′=1/z(\mathrm{Log}\,z)' = 1/z입니다.

미분 규칙. 합, 곱, 몫, 합성의 미분 규칙은 실수와 똑같습니다. 정의의 극한 계산이 같기 때문입니다. 그래서 (zn)′=nzn−1(z^n)' = nz^{n-1}, (ez2)′=2zez2(e^{z^2})' = 2ze^{z^2}처럼 계산합니다.

3.4 조화함수

코시–리만 방정식을 한 번 더 미분하면 (u,vu, v가 두 번 미분가능하다고 할 때) uxx=vyxu_{xx} = v_{yx}, uyy=−vxyu_{yy} = -v_{xy}이므로

uxx+uyy=0,vxx+vyy=0.u_{xx} + u_{yy} = 0, \qquad v_{xx} + v_{yy} = 0.

정의 3.9. Δu=uxx+uyy=0\Delta u = u_{xx} + u_{yy} = 0을 만족하는 함수를 조화함수(harmonic function)라 합니다. 정칙함수의 실수부와 허수부는 조화함수이고, vv를 uu의 조화 켤레(harmonic conjugate)라 합니다.

라플라스 방정식(미분방정식 9장)의 해가 바로 조화함수입니다. 정상 온도 분포, 정전기 전위, 이상 유체의 속도 퍼텐셜이 조화함수이므로, 2차원 물리 문제는 정칙함수를 찾는 문제로 바뀝니다(8장).

예제 3.10. u=x2−y2+3xu = x^2 - y^2 + 3x의 조화 켤레를 찾습니다. vy=ux=2x+3v_y = u_x = 2x + 3에서 v=2xy+3y+g(x)v = 2xy + 3y + g(x). vx=2y+g′(x)=−uy=2yv_x = 2y + g'(x) = -u_y = 2y에서 g′=0g' = 0. 그러므로 v=2xy+3yv = 2xy + 3y(+ 상수), f=z2+3zf = z^2 + 3z입니다.

3.5 등각성

정칙함수의 미분 f′(z0)=reiϕf'(z_0) = re^{i\phi}를 곱하는 것은 ϕ\phi만큼 회전하고 rr배 늘이는 것입니다(1장). 점 z0z_0 근처의 작은 모양은 f(z0+h)≈f(z0)+f′(z0)hf(z_0 + h) \approx f(z_0) + f'(z_0)h로 옮겨지므로, 모든 방향이 똑같이 회전하고 똑같이 늘어납니다.

정리 3.11 (등각성). ff가 정칙이고 f′(z0)≠0f'(z_0) \ne 0이면, z0z_0에서 만나는 두 곡선 사이의 각은 ff로 옮긴 뒤에도 크기와 방향이 같습니다.

이런 사상을 등각 사상(conformal map)이라 합니다. 2장 위젯에서 휘어진 격자선이 여전히 직각으로 만난 이유입니다. f′(z0)=0f'(z_0) = 0인 점에서는 각이 보존되지 않습니다. 예: z2z^2는 원점에서 각을 두 배로 벌립니다.

야코비 행렬로 보기. (x,y)↦(u,v)(x, y) \mapsto (u, v)의 야코비 행렬은 코시–리만 방정식에 따라

(uxuyvxvy)=(a−bba),a+bi=f′(z0),\begin{pmatrix}u_x & u_y\\v_x & v_y\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}a & -b\\b & a\end{pmatrix}, \qquad a + bi = f'(z_0),

곧 회전과 확대의 행렬입니다. 일반적인 2×2 행렬(늘이고 비틀기)과 달리 모양을 찌그러뜨리지 않습니다.

3.6 이 장의 요약

  • 복소 미분은 모든 방향에서 같은 극한이어야 합니다. zˉ\bar z는 미분 불가능.
  • 코시–리만: ux=vyu_x = v_y, uy=−vxu_y = -v_x. f′=ux+ivxf' = u_x + iv_x.
  • 정칙함수의 실수부·허수부는 조화함수(Δu=0\Delta u = 0).
  • f′≠0f' \ne 0이면 등각: 각을 보존합니다(야코비 행렬 = 회전 × 확대).

쓰이는 곳. 2차원 정전기·열전달·유체 문제(조화함수), 지도 투영(메르카토르 도법은 등각), 항공기 날개 설계(주코프스키 변환), 양자역학과 통계역학의 해석적 연속(실수 시간에서 허수 시간으로), 물리학의 분산 관계(크라머스–크로니히 관계는 응답 함수가 위쪽 반평면에서 정칙이라는 사실에서 나옴), 컴퓨터 그래픽스의 등각 매개변수화가 이 장의 개념입니다.

문제

3.1 [개념]

다음 중 평면 전체에서 정칙인 함수는?

  1. zˉ2\bar z^2
  2. ∣z∣|z|
  3. zsin⁡zz\sin z
  4. Re z\mathrm{Re}\,z
정답
3
풀이

zz와 sin⁡z\sin z가 전해석함수이므로 곱도 전해석함수입니다. 나머지는 zˉ\bar z나 실숫값 함수로, 코시–리만 방정식을 (원점 등을 빼면) 만족하지 않습니다.

3.2 [계산] · 확인 문제

u=x3−3xy2u = x^3 - 3xy^2가 조화함수가 되도록 하는 조화 켤레 vv를 구했을 때(상수항 0), v(1,2)v(1, 2)는?

힌트 1

f(z)=z3f(z) = z^3의 실수부가 uu입니다.

정답
-2
풀이

z3=(x3−3xy2)+i(3x2y−y3)z^3 = (x^3 - 3xy^2) + i(3x^2y - y^3)이므로 v=3x2y−y3v = 3x^2y - y^3, v(1,2)=3⋅1⋅2−23=−2v(1, 2) = 3\cdot1\cdot2 - 2^3 = -2입니다.

3.3 [계산] · 확인 문제

f(z)=z2+izf(z) = z^2 + iz에 대해 f′(1+i)f'(1 + i)를 a+bia + bi로 씁니다.

값 답
aa [?]
bb [?]
정답
2
3
풀이

f′=2z+if' = 2z + i이므로 f′(1+i)=2+2i+i=2+3if'(1 + i) = 2 + 2i + i = 2 + 3i입니다.

3.4 [계산] · 확인 문제

f(z)=z2f(z) = z^2로 점 z0=1+iz_0 = 1 + i 근처의 작은 도형을 옮기면 넓이는 몇 배가 되나요?

힌트 1

길이는 ∣f′(z0)∣|f'(z_0)|배, 넓이는 그 제곱배입니다(야코비 행렬식).

정답
8
풀이

f′(z0)=2+2if'(z_0) = 2 + 2i, ∣f′∣=22|f'| = 2\sqrt2이므로 넓이는 88배입니다.

3.5 [증명]

f=u+ivf = u + iv가 정칙이고 uu가 영역 전체에서 상수이면 ff도 상수임을 코시–리만 방정식으로 보입니다.

풀이

uu가 상수이면 ux=uy=0u_x = u_y = 0이고, 코시–리만 방정식에서 vy=ux=0v_y = u_x = 0, vx=−uy=0v_x = -u_y = 0입니다. 그러므로 vv도 상수이고(연결된 영역에서), ff는 상수입니다. 실수 함수에서는 실수부만 고정해도 허수부가 마음대로 움직일 수 있다는 것과 대비됩니다.