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복소해석학 정의·정리

41개. "쓰는 것"은 진술이나 증명에서 부르는 정의·정리이고, "쓰이는 곳"은 거꾸로 이 항목을 부르는 곳입니다. 용어로 이어진 관계는 흐리게 표시합니다.

CV.1 복소평면

정의 1.1

i2=−1i^2 = -1인 수 ii와 실수 x,yx, y로 쓴 z=x+iyz = x + iy를 복소수(complex number)라 하고, x=Re zx = \mathrm{Re}\,z를 실수부(real part), y=Im zy = \mathrm{Im}\,z를 허수부(imaginary part)라 합니다. 복소수 전체의 집합을 C\mathbb C로 씁니다.

정의 1.2

zˉ=x−iy\bar z = x - iy를 zz의 켤레(conjugate), ∣z∣=x2+y2|z| = \sqrt{x^2 + y^2}를 절댓값(modulus)이라 합니다.

정리 1.4 삼각부등식

∣z+w∣≤∣z∣+∣w∣|z + w| \le |z| + |w|.

삼각형의 한 변은 다른 두 변의 합보다 짧다는 뜻입니다. 이 부등식은 적분의 크기를 어림할 때(4장) 계속 씁니다.

정리 1.6 오일러 공식

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta.

근거. 지수함수의 테일러 급수 ex=∑xnn!e^x = \sum\frac{x^n}{n!}에 x=iθx = i\theta를 넣고, i2=−1i^2 = -1, i3=−ii^3 = -i, i4=1i^4 = 1을 써서 실수항과 허수항을 모으면 각각 cos⁡θ\cos\theta와 sin⁡θ\sin\theta의 급수가 됩니다(미적분학 12장). □

정리 1.7

z=r1eiθ1z = r_1e^{i\theta_1}, w=r2eiθ2w = r_2e^{i\theta_2}이면 zw=r1r2ei(θ1+θ2)zw = r_1r_2e^{i(\theta_1 + \theta_2)}입니다.

정리 1.9 드무아브르 공식

(eiθ)n=einθ(e^{i\theta})^n = e^{in\theta}, 곧 (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡nθ+isin⁡nθ(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta.

CV.2 복소함수와 사상

정의 2.1

복소수 zz에 복소수 w=f(z)w = f(z)를 대응시키는 함수를 복소함수(complex function)라 합니다. z=x+iyz = x + iy로 쓰면

정의 2.4

주편각을 쓴 Log z=ln⁡∣z∣+i Arg z\mathrm{Log}\,z = \ln|z| + i\,\mathrm{Arg}\,z를 주가지(principal branch)라 합니다.

정의 2.6

ad−bc≠0ad - bc \ne 0일 때 w=az+bcz+dw = \dfrac{az + b}{cz + d}를 뫼비우스 변환(Möbius transformation)이라 합니다.

정리 2.7

뫼비우스 변환은 “직선 또는 원”을 “직선 또는 원”으로 보냅니다(직선을 반지름이 무한대인 원으로 봅니다).

정의 2.9

zz가 어느 방향에서 z0z_0에 다가가든 ∣f(z)−L∣→0|f(z) - L| \to 0이면 lim⁡z→z0f(z)=L\lim_{z \to z_0}f(z) = L이라 하고, f(z0)=Lf(z_0) = L이면 ff가 z0z_0에서 연속(continuous)이라 합니다.

CV.3 정칙함수와 코시–리만 방정식

정의 3.1

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

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.

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.

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.

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.

CV.4 경로적분과 코시 정리

정의 4.1

곡선 CC를 z(t)z(t)(a≤t≤ba \le t \le b)로 나타낼 때

∫Cf(z) dz=∫abf(z(t)) z′(t) dt.\int_Cf(z)\,dz = \int_a^bf(z(t))\,z'(t)\,dt.

정리 4.3

CC가 중심 z0z_0, 반지름 rr인 원(반시계 방향)이면

∮C(z−z0)n dz={2πi(n=−1)0(n≠−1)\oint_C(z - z_0)^n\,dz = \begin{cases}2\pi i & (n = -1)\\0 & (n \ne -1)\end{cases}

정리 4.4

F′=fF' = f인 정칙함수 FF가 곡선을 포함하는 영역에서 있으면

∫Cf(z) dz=F(z끝)−F(z시작).\int_Cf(z)\,dz = F(z_{\text{끝}}) - F(z_{\text{시작}}).

정리 4.5 ML 부등식

곡선 CC의 길이가 LL이고 그 위에서 ∣f(z)∣≤M|f(z)| \le M이면

∣∫Cf(z) dz∣≤ML.\left|\int_Cf(z)\,dz\right| \le ML.

정리 4.7 코시 정리

ff가 단순 닫힌 경로 CC와 그 안쪽 전체에서 정칙이면

∮Cf(z) dz=0.\oint_Cf(z)\,dz = 0.

따름정리 4.8

정칙이 아닌 점들을 지나지 않고 경로 C1C_1을 C2C_2로 연속적으로 변형할 수 있으면 ∮C1f dz=∮C2f dz\oint_{C_1}f\,dz = \oint_{C_2}f\,dz입니다.

CV.5 코시 적분 공식과 그 결과

정리 5.1 코시 적분 공식

ff가 단순 닫힌 경로 CC와 그 안쪽에서 정칙이고 z0z_0가 CC의 안쪽에 있으면

정리 5.4

같은 조건에서 ff는 무한 번 미분가능하고

f(n)(z0)=n!2πi∮Cf(z)(z−z0)n+1 dz.f^{(n)}(z_0) = \frac{n!}{2\pi i}\oint_C\frac{f(z)}{(z - z_0)^{n+1}}\,dz.

정리 5.6 코시 부등식

∣z−z0∣=R|z - z_0| = R 위에서 ∣f∣≤M|f| \le M이면 ∣f(n)(z0)∣≤n!MRn|f^{(n)}(z_0)| \le \dfrac{n!M}{R^n}.

정리 5.7 리우빌 정리

유계인 전해석함수는 상수입니다.

정리 5.8 대수학의 기본정리

상수가 아닌 복소 계수 다항식은 복소수 근을 적어도 하나 가집니다. 따라서 nn차 다항식은 (중복을 세어) 정확히 nn개의 복소수 근을 가집니다.

정리 5.9

유계인 영역에서 정칙이고 경계까지 연속인 함수의 절댓값 ∣f∣|f|는 최댓값을 경계에서 얻습니다. 안쪽에서 최대이면 상수입니다.

CV.6 급수와 특이점

정의 6.1

∑n=0∞an(z−z0)n\sum_{n=0}^\infty a_n(z - z_0)^n을 중심 z0z_0인 거듭제곱급수(power series)라 합니다.

정리 6.2

수 RR(0≤R≤∞0 \le R \le \infty)이 있어 급수는 ∣z−z0∣<R|z - z_0| < R에서 수렴하고 ∣z−z0∣>R|z - z_0| > R에서 발산합니다. RR을 수렴 반지름(radius of convergence)이라 하고, 비율 판정법으로 R=lim⁡∣anan+1∣R = \lim\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|(극한이 있을 때)입니다.

정리 6.4

ff가 원판 ∣z−z0∣<R|z - z_0| < R에서 정칙이면 그 원판에서

정리 6.5 영점은 고립되어 있다

ff가 정칙이고 상수 0이 아니면, f(z0)=0f(z_0) = 0인 점 z0z_0 근처에 다른 영점이 없습니다. 그리고 f(z)=(z−z0)mg(z)f(z) = (z - z_0)^mg(z), g(z0)≠0g(z_0) \ne 0으로 쓸 수 있습니다. mm을 영점의 차수(order)라 합니다.

정리 6.6 로랑 급수

ff가 고리 r<∣z−z0∣<Rr < |z - z_0| < R에서 정칙이면

정의 6.10

z0z_0에서의 로랑 급수의 1z−z0\frac{1}{z - z_0} 계수 a−1a_{-1}을 유수(residue)라 하고 Res(f,z0)\mathrm{Res}(f, z_0)로 씁니다.

CV.7 유수 정리와 실적분

정리 7.1 유수 정리

ff가 단순 닫힌 경로 CC 위와 안쪽에서, 안쪽의 유한 개 특이점 z1,…,zkz_1, \dots, z_k를 빼고 정칙이면

정리 7.6 조르당 보조정리

k>0k > 0이고 반원 위에서 ∣f(z)∣→0|f(z)| \to 0이면(차수 차가 1이어도) ∫CRf(z)eikzdz→0\int_{C_R}f(z)e^{ikz}dz \to 0.

정리 7.9 편각 원리

ff가 CC 안에서 극을 빼고 정칙이고 CC 위에 영점·극이 없으면

12πi∮Cf′(z)f(z)dz=Z−P,\frac{1}{2\pi i}\oint_C\frac{f'(z)}{f(z)}dz = Z - P,

CV.8 등각 사상과 응용

정리 8.1 리만 사상 정리

평면 전체가 아니고 구멍이 없는(단순 연결) 열린 영역은 모두 단위원판으로 가는 등각 사상(일대일, 정칙)을 가집니다.

정리 8.2

w=f(z)w = f(z)가 정칙이고 ϕ(u,v)\phi(u, v)가 ww 평면에서 조화함수이면, ϕ(f(z))\phi(f(z))는 zz 평면에서 조화함수입니다.

정의 8.5

Ω(z)=ϕ+iψ\Omega(z) = \phi + i\psi를 복소 퍼텐셜(complex potential)이라 합니다. 속도는 Ω′(z)‾=vx+ivy\overline{\Omega'(z)} = v_x + iv_y입니다.

정의 8.8

w=z+1zw = z + \dfrac1z를 주코프스키 변환(Joukowski transform)이라 합니다.