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7 Eigenschaften holomorpher Funktionen

Satz 7.1 Sei Ω ⊆ C ein Gebiet, f ∈ H(Ω) und

Z(f) := {a ∈ Ω : f(a) = 0} (=f−1({0})).

Dann ist entwederZ(f) = Ωoder Z(f) hat keinen H¨aufungspunkt in Ω. Im 2. Fall gilt: Zu jedem a ∈ Z(f) existiert genau ein m = m(a) ∈ N, so daß ein g ∈ H(Ω) existiert mit g(a) 6= 0 und

f(z) = (z−a)mg(z) (z ∈ Ω).

Bemerkungen:

1.) Ist Z(f) 6= Ω so ist Z(f) h¨ochstens abz¨ahlbar ( ¨Ubung).

Hinweis: Betrachte

Kn := {z ∈ Ω : dist(z,C\Ω) ≥ 1

n,|z| ≤n}, falls Ω 6= C.

2.) m heißt die Ordnung der Nullstelle a von f.

3.) Betrachte z.B. Ω = {z : Rez > 0} und f : Ω → C, f(z) = sin(1/z). Dann ist 0 H¨aufungspunkt von Z(f) aber 0 ∈/ Ω.

Beweis: Sei A die Menge aller H¨aufungspunkte von Z(f) in Ω.

Daf stetig ist, istA ⊆ Z(f). Seia ∈ Z(f) fest undK(a, r) ⊆ Ω.

Nach Satz 6.5 gilt (bea. c0 = f(a) = 0):

f(z) =

X

n=0

cn(z −a)n (z ∈ K(a, r)).

1. Fall: cn = 0 (n ∈ N). Dann ist K(a, r) ⊆ Z(f) und K(a, r) ⊆A.

2. Fall: ∃n ∈ N: cn 6= 0. Dann existiert ein kleinstes m ∈ N mit cm 6= 0.

Wir definieren g : Ω →C durch:

g(z) =

( (z −a)−mf(z), z ∈ Ω\ {a}

cm, z = a

Dann ist g(a) 6= 0 und f(z) = (z − a)mg(z) (z ∈ Ω). Es gilt g ∈ H(Ω\ {a}). Wegen

g(z) =

X

k=0

cm+k(z−a)k (z ∈ K(a, r)) folgt g ∈ H(K(a, r)) also insgesamt g ∈ H(Ω).

Weiter istmeindeutig bestimmt, denn ausg1, g2 ∈ H(Ω),g1(a) 6=

0 6= g2(a) und

f(z) = (z −a)m1g1(z) = (z −a)m2g2(z) (z ∈ Ω) folgt m1 = m2.

Da g stetig auf Ω ist, ist wegen g(a) 6= 0 auf einer Umgebung K(a, δ) auch

g(z) 6= 0 (z ∈ K(a, δ)), also

f(z) 6= 0 (z ∈ K(a, δ)\ {a}).

Somit ist a ein isolierter Punkt von Z(f).

Ist a ∈ A, so muss also der 1. Fall eintreten. Damit istA eine of-fene Teilmenge von C. Ist z ∈ Ω kein H¨aufungspunkt von Z(f), so gibt es eine Umgebung von z, die keinen H¨aufungspunkt von Z(f) enth¨alt. Also ist auch B := Ω \A eine offene Teilmenge von C.

Da Ω ein Gebiet ist, ist entweder Ω = A (dann ist Ω = Z(f))

oder Ω = B, d.h. A = ∅.

Folgerung (Identit¨atssatz): Ist Ω ⊆ C ein Gebiet, f, g ∈ H(Ω) und hat {z ∈ Ω : f(z) = g(z)} einen H¨aufungspunkt in Ω so gilt f = g.

Definition 7.1 Sei Ω ⊆ C offen, a ∈ Ω und f ∈ H(Ω \ {a}).

Dann sagt man: f hat eine isolierte Singularit¨at im Punkt a. Kann f zu einer holomorphen Funktion auf Ω fortgesetzt werden, so heißt a hebbar.

Satz 7.2 (Riemannscher Hebbarkeitssatz)

Es sei Ω ⊆ C offen, a ∈ Ω, f ∈ H(Ω\ {a}) und es existiere ein r > 0 so, daß f auf K(a, r)\ {a} beschr¨ankt ist. Dann ist a eine hebbare Singularit¨at.

Beweis: Es sei h : Ω → C definiert durch

h(a) = 0, h(z) = (z −a)2f(z) (z ∈ Ω\ {a}).

Dann gilt:

z→alim

h(z)−h(a)

z−a = lim

z→a(z −a)f(z) = 0 also h0(a) = 0.

Somit ist h ∈ H(Ω). Wegen h(a) = h0(a) = 0 ist h(z) =

X

n=2

cn(z−a)n (z ∈ K(a, r)).

Setzt man f(a) := c2 so folgt f(z) =

X

n=0

cn+2(z−a)n (z ∈ K(a, r)),

also f ∈ H(Ω).

Klassifikation isolierter Singularit¨aten:

Satz 7.3 Es sei Ω ⊆C offen, a ∈ Ω und f ∈ H(Ω\ {a}). Dann liegt genau einer der folgenden drei F¨alle vor:

1.) f hat in a eine hebbare Singularit¨at.

2.) Es gibt ein m ∈ N und c1, . . . , cm ∈ C mit cm 6= 0 so, daß f(z)−

m

X

k=1

ck

(z −a)k (z ∈ Ω\ {a}) in a eine hebbare Singularit¨at hat.

3.) Ist K(a, r) ⊆ Ω, so ist f(K(a, r) \ {a}) dicht in C. (Satz von Casorati-Weierstraß).

Bemerkungen: Tritt Fall 2.) ein, so sind m und c1, . . . , cm in der rationale Funktion

Q(z) =

m

X

k=1

ck (z−a)k

eindeutig bestimmt ( ¨Ubung), a heißt ein Pol der Ordnung m von f, und Q heißt der Hauptteil von f in a. Es gilt dann

|f(z)| → ∞ (z →a),

denn ist K(a, r) ⊆ Ω, so existiert ein M ≥ 0 so, daß f¨ur alle z ∈ K(a, r)\ {a} gilt:

|f(z)| ≥ |cm| · 1

|z−a|m− |cm−1| 1

|z −a|m−1− · · · − |c1| 1

|z −a|−M.

Tritt Fall 3.) ein, so heißt a wesentliche Singularit¨at von f. Beweis: Angenommen 3.) gilt nicht. Dann existiert ein r > 0 und ein w ∈ C mit K(a, r) ⊆ Ω und

w 6∈ f(K(a, r)\ {a}), also gilt f¨ur ein δ > 0:

|f(z)−w|> δ (z ∈ K(a, r)\ {a}).

Sei g : K(a, r) \ {a} → C definiert durch g(z) = 1/(f(z)−w).

Dann ist g ∈ H(K(a, r) \ {a}) und |g(z)| < 1/δ. Nach Satz

7.2 ist a eine hebbare Singularit¨at von g, also g ∈ H(K(a, r)) (fortgesetzt).

1. Fall: g(a) 6= 0. Dann ist |g(z)| ≥ c > 0 auf einem Kreis K(a, ρ) ⊆K(a, r), also

|f(z)| ≤ |w|+ 1

|g(z)| ≤ |w|+ 1

c (z ∈ K(a, ρ)\ {a}) und nach Satz 7.2 ist a eine hebbare Singularit¨at von f.

2. Fall: Ist a Nullstelle der Ordnung m ∈ N von g, so ist nach Satz 7.1

g(z) = (z−a)mg1(z) (z ∈ K(a, r))

mit g1 ∈ H(K(a, r)), g1(a) 6= 0. Wegen g(z) 6= 0 auf K(a, r)\ {a} ist auch g1(z) 6= 0 auf K(a, r)\ {a}. Sei

h(z) := 1

g1(z) (z ∈ K(a, r)).

Dann ist h ∈ H(K(a, r)) und es gilt:

f(z) =w + (z −a)−mh(z) (z ∈ K(a, r)\ {a}) und

h(z) =

X

n=0

bn(z−a)n (z ∈ K(a, r)) mit b0 = h(0) 6= 0, also

f(z) = w+ b0

(z−a)m + b1

(z −a)m−1 +· · ·+ bm−1 (z−a) +

X

n=m

bn(z−a)n−m (z ∈ K(a, r)\ {a}).

Setze ck = bm−k (k = 1, . . . , m).

Beispiele: 1.) f : C\ {0} → C, f(z) = e1z hat in z = 0 eine wesentliche Singularit¨at, denn

f(−1n) = e−n → 0 (n → ∞) ⇒ 0 ist kein Pol.

|f(n1)| = en → ∞ (n → ∞) ⇒ 0 ist nicht hebbar.

2.) f : C\ {π} → C, f(z) = (z−π)sinz2 hat in z = π einen Pol 1.

Ordnung, denn

sinz =

X

k=0

ak(z −π)k mit a0 = 0 und a1 = cos(π) = −1 6= 0, also

sinz

(z −π)2 + 1 z −π =

X

k=2

ak(z −π)k−2

3.) Hat f ina eine isolierte Singularit¨at, so gilt: f hat ina einen Pol der Ordnung m ⇔ limz→a(z−a)mf(z) existiert und ist 6= 0.

Beweis: “⇒” klar nach Satz 7.3, Fall 2.)

“⇐” vgl. Beweis von Satz 7.3.

Beispiel: Betrachte

f : C\ {kπ : k ∈ Z} → C, f(z) = 1 (sinz)2. Es gilt

z→kπlim(z −kπ)2 1

(sinz)2 = lim

z→kπ

(z−kπ)2

(sin(z−kπ))2 = 1.

Also ist f¨ur jedes k ∈ Z die Stelle kπ ein Pol 2. Ordnung f. 4.) Es sei f : C\({0} ∪ {1 :k ∈ Z \ {0}) → C definiert durch

f(z) = 1 sin(1z).

F¨ur jedes k ∈ Z \ {0} ist 1 eine isolierte Singularit¨at (ein Pol 1. Ordnung), aber 0 ist keine isolierte Singularit¨at.

Satz 7.4 (Die Cauchysche Integralformel f¨ur Ableitungen) Es sei Ω ⊆ C offen und konvex, f ∈ H(Ω) und γ ein ssd geschlossener Weg in Ω. Dann gilt:

f(n)(z)indγ(z) = n!

2πi Z

γ

f(ξ)

(ξ −z)n+1 dξ (z ∈ Ω\γ)

f¨ur alle n ∈ N0.

Hieraus folgt die Behauptung f¨ur n = 1. Der Fall n > 1 kann

¨

ahnlich bewiesen werden.

Satz 7.5 (Cauchysche Ungleichungen)

Es sei f ∈ H(K(z0, R)) und |f(z)| ≤ M (z ∈ K(z0, R)). Dann gilt:

|f(n)(z0)| ≤ n!M

Rn (n ∈ N0).

Beweis: Es sei 0 < r < R und γ(t) =z0 +reit (t∈ [0,2π]).

Nach Satz 7.4 gilt:

Definition 7.2 Eine Funktion heißtganz, wenn sie auf C holo-morph ist. Die Menge der ganzen Funktionen ist also H(C).

Satz 7.6 (Liouville)

die Potenzreihenentwicklung von f (Konvergenzradius = ∞).

Nach Satz 7.5 gilt f¨ur n≥ 1 und R >0:

|cn| = |f(n)(0)|

n! ≤ M

Rn → 0 (R → ∞),

also cn = 0 (n ∈ N). Damit gilt: f(z) =c0 (z ∈ C).

Satz 7.7 (Hauptsatz der Algebra)

Es sei n ∈ N und p(z) = zn + an−1zn−1 + · · · + a1z + a0, mit a0, a1, . . . , an−1 ∈ C. Dann hat p genau n Nullstellen in C, z1, z2, . . . , zn (nicht notwendig verschieden; die Summe der Ord-nungen der verschiedenen Nullstellen ist n), und es gilt:

p(z) = (z −z1)(z −z2)· · · · ·(z −zn).

Nach Satz 7.6 ist p konstant, ein Widerspruch.

Also gilt p(z1) = 0 f¨ur ein z1 ∈ C und es existiert ein Polynom q mit grad q = n − 1 und p(z) = (z − z1)q(z). Wiederholte Anwendung liefert:

p(z) = (z −z1)(z −z2)· · · · ·(z −zn).

Der Satz von der Gebietstreue und das Maximumprinzip:

Satz 7.8 Es sei f ∈ H(K(z0, R)) und

|f(z0)| < min

|z−z0|=r|f(z)|

f¨ur ein r ∈ (0, R). Dann gibt es ein w ∈ K(z0, r) mit f(w) = 0.

Beweis: Angenommen f(z) 6= 0 (z ∈ K(z0, r)). Wegen f(z) 6= 0 (z ∈ ∂K(z0, r)) folgt min|z−z0|≤r|f(z)| > 0 und da f stetig ist, existiert ein er ∈ (r, R) mit f(z) 6= 0 (z ∈ K(z0,er)). Also ist

g := 1

f ∈ H(K(z0,er)).

F¨ur den Weg γ(t) =z0 +reit (t ∈ [0,2π])) folgt damit

|g(z0)| = 1 2π

Z

γ

g(ξ) ξ −z0

≤ 1

min|z−z0|=r|f(z)|

also |f(z0)| ≥min|z−z0|=r|f(z)|, ein Widerspruch.

Satz 7.9 (Satz von der Gebietstreue)

Sei Ω ⊆ C ein Gebiet und f ∈ H(Ω). Dann ist entweder f(Ω) ein Gebiet oder f ist konstant.

Beweis: Es sei f nicht konstant. Die Menge f(Ω) ist zusam-menh¨angend als stetiges Bild einer zusammenh¨angenden Menge.

Wir zeigen, daß f(Ω) auch offen ist:

Es seiw0 ∈ f(Ω), alsow0 = f(z0), z0 ∈ Ω. Es existiert einδ > 0:

f(z) 6= w0 (z ∈ ∂K(z0, δ)),

sonst w¨are f(z) = w0 (z ∈ Ω), vgl. Satz 7.1. Da f stetig ist, existiert ein ε > 0 mit

|f(z)−w0| ≥ 3ε (z ∈ ∂K(z0, δ)).

Wir zeigen K(w0, ε) ⊆f(Ω):

F¨ur |w−w0| < ε und |z−z0| = δ gilt:

|f(z)−w| = |f(z)−w0 +w0 −w|

≥ |f(z)−w0| − |w0 −w| ≥3ε−ε = 2ε und |f(z0)−w| = |w0 −w| < ε, also

|f(z0)−w| < min

|z−z0|=δ|f(z)−w|.

Nach Satz 7.8 hat f(z)−w eine Nullstelle zw mit |zw−z0| < δ,

also f(zw) = w f¨ur ein zw ∈ Ω.

Satz 7.10 (Das Maximumprinzip)

Es sei Ω ⊆ C ein Gebiet und f ∈ H(Ω). Dann gilt:

1.) Hat |f| in Ω ein lokales Maximum, so ist f konstant.

2.) Ist f(z) 6= 0 (z ∈ Ω) und hat |f| ein lokales Minimum in Ω, so ist f konstant.

3.) Ist Ω beschr¨ankt und f : Ω → C stetig und holomorph in Ω, so gilt

max

z∈Ω

|f(z)| = max

z∈∂Ω|f(z)|.

Beweis: 2.) folgt aus 1.) angewandt auf 1/f ∈ H(Ω).

Zum Beweis von 1.) sei K(a, r) ⊆Ω mit

|f(z)| ≤ |f(a)| (z ∈ K(a, r)).

Dann gilt f¨ur jedes ρ ∈ (0, r) und γ(t) = a+ ρeit (t∈ [0,2π]):

|f(a)| = 1 2π

Z

γ

f(ξ) ξ −adξ

≤ 1 2π

Z 0

|f(a+ρeit)|dt ≤ |f(a)|.

Aus |f(a+ρeit)| ≤ |f(a)| (t ∈ [0,2π]) und 1

2π Z

0

|f(a+ ρeit)|dt= |f(a)|

folgt

|f(a+ρeit)| = |f(a)| (t ∈ [0,2π]).

Somit gilt: |f(z)|= |f(a)|(z ∈ K(a, r)). W¨aref nicht konstant, so w¨are (da Ω ein Gebiet ist) auch f : K(a, r) → C nicht kon-stant, und nach Satz 7.9 w¨are f(K(a, r)) offen, im Widerspruch zu

f(K(a, r)) ⊆ ∂K(0,|f(a)|).

3.) Da Ω kompakt ist existiert ein z0 ∈ Ω mit

|f(z0)| = max

z∈Ω

|f(z)|.

Ist z0 ∈ ∂Ω so folgt die Behauptung. Ist z0 ∈ Ω, so ist nach Teil 1.) f konstant und die Behauptung gilt ebenfalls.

Bemerkung: Ist Ω ein Gebiet, f ∈ H(Ω) und K(a, r) ⊆ Ω, so gilt insbesondere

|f(a)| ≤ max

t∈[0,2π]|f(a+reit)|

mit Gleichheit genau dann, wenn f auf Ω konstant ist.

Skizzen:

Satz 7.11 (Schwarzsches Lemma)

Es sei f ∈ H(K(0,1)), f(0) = 0 und |f(z)| ≤ 1 (z ∈ K(0,1)).

Dann gilt

|f(z)| ≤ |z| (z ∈ K(0,1))

und |f0(0)| ≤ 1. Weiter gilt |f(z0)| = |z0| f¨ur ein z0 ∈ K(0,1)\ {0} g.d.w. f(z) = cz mit |c| = 1. Ebenso gilt |f0(0)| = 1 g.d.w.

f(z) =cz mit |c| = 1.

Beweis: Es ist

f(z) =

X

k=0

ckzk

mit Konvergenzradius ≥ 1 und c0 = 0. Also ist g(z) = f(z)

z =

X

k=0

ck+1zk

in K(0,1) holomorph. Es sei z ∈ K(0,1) und dann |z| < ρ < 1.

Dann gilt (Maximumprinzip)

|g(z)| ≤max

|ξ|=ρ|g(ξ)| = max

|ξ|=ρ

|f(ξ)|

|ξ| ≤ 1 ρ

und ρ → 1− liefert |g(z)| ≤ 1, also |f(z)| ≤ |z| und damit auch

z→0lim

f(z) z

= |f0(0)| ≤ 1.

Gilt |f(z0)| = |z0| f¨ur ein z0 ∈ K(0,1)\ {0}, so hat |g| in z0 ein Maximum. Also ist g konstant und somit ist f von der Form

f(z) = f(z0)

z0 z (z ∈ K(0,1)) Ist |f0(0)| = 1, so ist |g(0)| = 1 und wie oben folgt

f(z) = f0(0)z (z ∈ K(0,1)).