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Ein Satz von Hartogs

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(1)

Analytizit¨ at in mehreren Ver¨ anderlichen.

Ein Satz von Hartogs

Seminar, SS 2005

Harald Woracek

(2)

1 Der Begriff der Analytizit¨ at

Eine Potenzreihe in den k Variablen z1, . . . , zk mit Entwicklungspunkt z10, . . . , z0k∈Cist ein formaler Ausdruck der Gestalt

X n1,...,nk=0

an1,...,nk(z1−z01)n1·. . .·(zk−zk0)nk, (1.1) mit an1,...,nk∈C.

Ist f¨ur einz1 = (z11, . . . , z1k)∈Ck die Reihe (1.1) absolut konvergent, so ist sie in dem PolydiskD(z0, r) mitz0= (z10, . . . , z0k),r= (|z11−z10|, . . . ,|zk−zk0|) absolut und gleichm¨aßig konvergent. Dabei ist

D(z0, r) :={z∈Ck:|zj−zj0|< rj, j= 1, . . . , k}

Sie stellt daher in D(z0, r) eine stetige Funktion f dar. Weiters ist die darge- stellte Funktion f analytisch in jeder Variablenz1, . . . , zk einzeln. D.h. es gilt:

F¨ur jeden Punkt a = (a1, . . . , ak) ∈ D(z0, r) und jedes j ∈ {1, . . . , k}ist die Funktion

fj(z) :=f(a1, . . . , aj−1, z, aj+1, . . . , ak)

analytisch in einer Umgebung vonaj. Insbesondere besitztf an jeder Stelle von D(z0, r) partielle Ableitungen jeder Ordnung und diese k¨onnen durch formales differenzieren von (1.1) berechnet werden. Insbesondere erh¨alt man

an1...nk= 1 n1!. . . nk!

n1+...+nkf

∂zn11·. . .·∂zknk(z0).

1.1 Definition. SeiD⊆Ck ein Gebiet,f :D→C. Dann heißtf analytisch in D, wenn es zu jedem Punktz0∈Deine Potenzreihe gibt, die in einer Umgebung vonz0 konvergiert und dortf dartellt.

1.2 Satz. Sei D ⊆ Ck ein Gebiet, f : D → C. Dann ist f analytisch in D genau dann, wennf stetig inD ist und analytisch in jeder Variablen einzeln.

Beweis. Ist f analytisch in D, so folgt wegen dem obigen das f stetig ist und in allen Variablen einzeln analytisch. Wir zeigen die Umkehrung. Sei dazu z0∈Dgegeben und w¨ahleR= (R1, . . . , Rk) so daß der PolydiskD(z0, R)⊆D.

Nach der Cauchyschen Integralformel f¨ur analytische Funktionen einer Variablen erh¨alt man f¨urz= (z1, . . . , zn)∈D(z0, R)

f(z) = 1 2πi

k Z

|ζ1z10|=R1

1 ζ1−z1

Z

|ζ2z2|=R2

1 ζ2−z2

. . .

. . . Z

k−zk|=Rk

f(ζ1, . . . , ζk) ζk−zk

k·. . .·dζ1

Daf stetig aufD(z0, R) ist, k¨onnen wir das iterierte Integral als Mehrfachinte- gral umschreiben:

f(z) = 1 2πi

k Z

|ζ1z1|=R1

· · · Z

|ζkzk0|=Rk

f(ζ1, . . . , ζk)

1−z1). . .(ζk−zk) dζ1· · ·dζk

(3)

Sei nun oBdAz0= 0. Wir verwenden die Entwicklung 1

ζj−zj

= X nj=0

zjnj

ζjnj+1, |zj|<|ζj|. Es folgt

1

1−z1). . .(ζk−zk) = X

n=(n1,...,nk)

z1n1. . . zknk ζ1n1+1·. . .·ζknk+1,

und diese Reihe ist f¨ur jedes z ∈ D(0, R) absolut und gleichm¨aßig konvergent f¨urζ ∈ {|ζ1|=R1} ×. . .× {|ζk|=Rk}.

Da f stetig ist k¨onnen wir Summation und Integration vertauschen, und erhalten die absolut konvergente Reihe

f(z) =X

n

an1...nkz1n1·. . .·zknk

mit den vonz nicht abh¨angigen Koeffizienten an1...nk = 1

2πi k Z

1|=R1

. . . Z

k|=Rk

f(ζ1, . . . , ζk)

ζ1n1+1·. . .·ζknk+11. . . dζk (1.2)

1.3 Korollar. Sei D ⊆ Ck ein Gebiet, f : D → C analytisch, und z0 ∈ D.

Dann gilt

f(z) =X

n

an1...nk(z1−z10)n1·. . .·(zk−zk0)nk mit

an1,...nk = 1 n1!. . . nk!

n1+...+nkf

∂z1n1·. . .·∂zknk (z0) (1.3) f¨ur alle z in dem gr¨oßten Polydisk D(z0, R)der ganz in D enthalten ist.

Beweis. Sei D(z0, R) der gr¨oßte Polydisk der in D enthalten ist und sei z ∈ D(z0, R). W¨ahle 0 < rj < Rj sodaß z ∈ D(z0, r). Dann gilt f(z) =P

nan1...nk(z1−z01)n1. . .(zk−zk0)nk mit an1...nk wie in (1.2). Wie wir in der einleitenden Bemerkung gesehen haben k¨onnen die an1...nk durch die Formel (1.3) berechnet werden. Dar < Rbeliebig war folgt die Behauptung.

1.4 Korollar. Sei P

nan1...nk(z1−z10)n1. . .(zk −zk0)nk eine in D(z0, r) ab- solut konvergente Potenzreihe. Dann ist die dargestellte Funktion analytisch in D(z0, r).

Beweis. Unmittelbar aus Satz 1.2.

Man sieht einfach ein das die Voraussetzung

”f stetig“ in Satz 1.2 abge- schw¨acht werden kann:

2

(4)

1.5 Lemma. SeiD⊆Ck ein Gebiet,f :D→ C. Ist f beschr¨ankt und in jeder Variablen einzeln analytisch, so ist f stetig.

Beweis. Sei z0 ∈ D und w¨ahle R > 0 sodaß D(z0,(R, R, . . . , R)) ⊆ D. Sei z∈D(z0,(R2, . . . ,R2)), dann ist die Funktionf(z1, . . . , zj1, ζ, zj+1, . . . , zk) ana- lytisch in der Variablen ζ im Kreis {|ζ −zj| ≤ R2}. Nach der Cauchyschen Integralformel gilt

∂f

∂zj

(z)≤ supwD|f(w)|

R 2

Also sind s¨amtliche partiellen Ableitungen von f in D(z0,(R2, . . .R2)) un- abh¨angig vonz beschr¨ankt. Es folgt dasf stetig an der Stellez0 ist.

2 Subharmonizit¨ at

Der Poissonkern f¨ur den Kreis{|z| ≤ρ}ist P(z, ζ) = 1

ρ2−r2

ρ2−2ρrcos(ϕ−α) +r2, z=re, ζ=ρe,0≤r < ρ . Ist ρ = (ρ1, . . . , ρk) und D(0, ρ) der Polydisk, so ist der Poissonkern f¨ur den Polydisk das Produkt

Pk(z, ζ) = Yk

j=1

P(zj, ζj), zj =rjej, ζj =gjej,0⊆rj< ρj.

Istf analytisch in einer Umgebung des Kreises{|z| ≤ρ}, so gilt log|f(z)| ≤

Z

|ζ|

P(z, ζ) log|f(ζ)|dζ, |z|< ρ (2.1)

Man sieht induktiv, daß diese Ungleichung auch im Fall mehrerer Ver¨anderlicher gilt.

2.1 Lemma. Seif analytisch in einer Umgebung eines PolydisksD(0, ρ). Dann gilt

log|f(z)| ≤ Z

|ζ1|1

. . . Z

|ζk|k

Pk(z, ζ) log|f(ζ)|dζ1·. . .·dζk.

Beweis. Zun¨achst bemerke das log|f(ζ)|der Limes von log

|f(ζ)|+ ,&0, ist und daher meßbar. Wir machen Induktion nachk. Der Fall k= 1 ist (2.1).

Sei nunf eine Funktion derk+ 1 Variablenz1, . . . , zk, zk+1. Nach Induktions- voraussetzung gilt f¨ur jedeszk+1

log|f(z1, . . . , zk, zk+1)| ≤

≤ Z

|ζ1|1

· · · Z

|ζk|k

Pk(z1, . . . , zk1, . . . , ζk) log|f(ζ1, . . . , ζk, zk+1|dζ1. . . dζk.

(5)

und daher wegen dem Fallk= 1 log|f(z1, . . . , zk, zk+1)| ≤

Z

|ζ1|1

. . . Z

|ζk|k

Pk(z1, . . . , zk1, . . . , ζk

· Z

|ζk+1|=gk+1

P(zk+1, ζk+1) log|f(ζ1, . . . , ζk, ζk+1)|dζk+1

1·. . .·dζk

Nach dem Satz von Fubini ist das gleich dem Integral mit dem Produktmaß und dem Poissonkern Pk+1(z, ζ). Die Anwendung des Satzes von Fubini ist gerechtfertigt, da der Integrand g = Pk+1(z, ζ) log|f(ζ)| am Integrations- bereich nach oben beschr¨ankt ist. Daher kann man Fubini anwenden auf

−min{g,0},max{g,0}und die Ergebnisse wieder zusammenaddieren.

Wir ben¨otigen die folgenden Absch¨atzungen f¨ur den Poissonkern: Es gilt 1

2π ρ−r

ρ+r ≤P(z, ζ)≤ 1 2π

ρ+r

ρ−r, z=re, ζ =ρe, ρ > r≥0.

IstD(0, ρ), ρ= (ρ1, . . . , ρk), ein Polydisk undPk(z, ζ) der Poissonkern f¨ur diesen Polydisk, so gibt es also Funktionena(z), A(z),z∈D(0, ρ), sodaß

0< a(z)≤Pk(z, ζ)≤A(z)<∞, z∈D(0, ρ), ζ = (ρ1e1, . . . , ρkek). Diese haben die Eigenschaft das f¨ur jedesr0= (r01, . . . r0k),0≤rj0< ρj, gilt

min

zD(0,r

a(z)>0, max

zD(0,r)

A(z)<∞.

Weiters ist Pk(z, ζ) f¨ur jedes z ∈ D(0, ρ) stetig in ζ und daher insbesondere meßbar. Es gilt

Z

1|=ρ1

· · · Z

k|=ρk

Pk(z, ζ)dζ1· · ·dζk = 1.

SeienT, DMengen,µein endliches positives Maß aufT. Weiters seiP :D×T→ Reine Funktion mit

(i) F¨ur jedesz∈D istP(z, ϑ) meßbar in ϑ.

(ii) R

T

P(z, ϑ)dµ(ϑ) = 1,z∈D.

(iii) Es gibt Funktionen a, A:D→(0,∞) sodaß

a(z)≤P(z, ϑ)≤A(z), z∈D, ϑ∈T .

Wir bezeichnen f¨urc∈RmitLcdie Menge aller meßbaren Funktioneng:T → R∪ {−∞}mitg(ϑ)≤c,ϑ∈T.

4

(6)

2.2 Lemma. Seien ϕn ∈Lc, n= 1,2, . . .undψn :D→Rsodaß ψn(z)≤

Z

T

P(z, ϑ)ϕn(ϑ)dµ(ϑ), z∈D .

Ist Z

T

lim sup

n→∞ ϕndµ >−∞, (2.2)

so existiert n&0mit ψn(z)≤

Z

T

P(z, ϑ) lim sup

n→∞ ϕn(ϑ)dµ(ϑ) +nA(z), n∈N, z∈D .

Ist Z

T

lim sup

n→∞ ϕndµ=−∞, (2.3)

so existiert n&0undN ∈Nmit ψn(z)≤ −a(z)1

cn

+c, n≥N, z∈D . Beweis. Setze ˜ϕn:= supmnϕm0:= lim supn→∞ϕn, dann ist

ϕn ≤ϕ˜n ≤c, ϕ˜n0, ψn(z)≤ Z

T

P(z, ϑ) ˜ϕn(ϑ)dµ(ϑ).

Es ist −min{ϕ˜n,0} eine monoton wachsende Folge nichtnegativer Funktio- nen, also folgt limn→∞R

T

(−min{ϕ˜n,0})dµ=R

T −min{ϕ0,0})dµ. Wegen ˜ϕn ∈ Lc gilt |max{ϕ˜n,0}| ≤ c ∈ L1(µ). Also folgt limn→∞R

T

max{ϕ˜n,0}dµ = R

T

max{ϕ0,0}dµ. Insgesamt ist

n→∞lim Z

T

˜ ϕndµ=

Z

T

ϕ0dµ .

Gilt (2.2), so folgt

nlim→∞

Z

T

( ˜ϕn−ϕ0)dµ= 0. Wir haben

ψn(z)≤ Z

T

P(z, ϑ) ˜ϕn(ϑ)dµ(ϑ) = Z

T

P(z, ϑ)ϕ0(ϑ)dµ(ϑ)+

+ Z

T

P(z, ϑ)( ˜ϕn−ϕ0)(ϑ)dµ(ϑ)≤ Z

T

P(z, ϑ)ϕ0(ϑ)dµ(ϑ)+

+A(z) Z

T

( ˜ϕn(ϑ)−ϕ0(ϑ))dµ(ϑ).

(7)

Setzen :=R

T

( ˜ϕn(ϑ)−ϕ0(ϑ))dµ(ϑ).

Gelte nun (2.3), dann istR

T

˜

ϕndµ& −∞. Wir haben

ψn(z)≤ Z

T

P(z, ϑ) ˜ϕn(ϑ)dµ(ϑ) = Z

T

P(z, ϑ)c dµ(ϑ)+

+ Z

T

P(z, ϑ)( ˜ϕn(ϑ)−c)dµ(ϑ)≤c−a(z) Z

T

(c−ϕ˜n(ϑ))dµ(ϑ).

Setzen :=h R

T

(c−ϕ˜n(ϑ))dµ(ϑ)i−1

.

3 Der Satz von Hartogs

3.1 Satz (Hartogs Lemma). Seif =f(z1, . . . , zk;w1, . . . , wl)eine Funktion der k+l Ver¨anderlichen z = (z1, . . . , zk) ∈ D, w = (w1, . . . , wl) ∈ D(0, P), P = (P1, . . . , Pl), wobeiD⊆Ck ein Gebiet ist undPj>0, j= 1, . . . , l. Weiters sei p= (p1, . . . , pl), 0< pj< Pj, j= 1, . . . , l.

Ist f analytisch in D×D(0, p) und ist f¨ur jedes feste z ∈ D die Funktion f(z, .)analytisch in D(0, P), dann istf analytisch inD×D(0, P).

Der wesentliche Beweisschritt ist das folgende Lemma:

3.2 Lemma. Sei D ⊆ Ck ein Gebiet und {fn1,...,nl(z)} eine Familie von in D analytischen Funktionen. Weiters seien pj, Pj, j = 1, . . . , l, sodaß 0< pj <

Pj≤ ∞, j= 1, . . . , l.

Ist die Reihe

X n1,...,nl=0

fn1,...,nl(z)wn11·. . .·wnll (3.1) absolut und lokal gleichm¨aßig konvergent in D×D(0, p) und ist sie absolut konvergent in D×D(0, P), so ist sie absolut und lokal gleichm¨aßig konvergent in D×D(0, P).

Beweis. Es gen¨ugt zu zeigen daß jeder Punkt x= (x1, x2)∈D×D(0, P) eine Umgebung besitzt in der die Reihe (3.1) absolut und gleichm¨aßig konvergiert.

oBdA seix1= 0.

W¨ahleρ= (ρ1, . . . , ρk) sodaßD(0, ρ)⊆D. Seien 0< p0j< Pj0<∞mitp0j<

pj, Pj0 < Pj, fest gew¨ahlt. Da die Reihe (3.1) f¨ur wj =Pj0 absolut konvergiert, gilt

n1+...+nliml→∞

fn1,...,nl(z)P10n1·. . .·Pl0nl = 0.

Da sie f¨urwj=p0j absolut und gleichm¨aßig f¨urz∈D(0, ρ) konvergiert, gilt f¨ur ein gewissesM0<∞

fn1,...,nl(z)P10n1·. . .·Pl0nl ≤M0, n1, . . . , nl∈N, z∈D(0, ρ).

6

(8)

Betrachte die Funktionen ϕn1,...,nl(ζ) := 1

n1+. . .+nllogfn1,...,nl(ζ)P10n1·. . .·Pl0nl M0

, ζ= (ζ1, . . . , ζk), |ζj|=ρj.

Dann gilt

ϕn1,...,nl(ζ)≤log max

j

Pj0 p0j und

lim sup

n1,...,nl→∞ϕn1,...,nl(ζ)≤0. Betrachte weiters die Funktionen

ψn1,...,nl(z) := 1 n1+. . .+nl

log fn1,...,nl(z)P10n1·. . .·Pl0nl M0

, z∈D(0, ρ). Dann gilt

ψn1,...,nl(z)≤ Z

1|=ρ1

. . . Z

k|=ρk

Pk(z, ζ)ϕn1,...,nl(ζ)dζ1. . . dζk.

Ordne die Funktionenϕn1,...,nlan als eine Folge

”ϕn“ nach aufsteigenden Werten vonn1+. . .+nl, und wende Lemma 2.2 an.

Sei zun¨achstR

lim supϕn1,...,nl >−∞. Dann existiertn&0 mit ψn1,...,nl(z)≤

Z

Pk(z, ζ) lim supϕn1,...,nl(ζ) +nA(z)≤nA(z). Sei r0= (r01, . . . , rk0) mit 0< r0j < ρj, und A0= maxzD(0,r0)A(z)<∞, dann folgt

ψn1,...,nl(z)≤nA0, z∈D(0, r0).

Da mitn auchnA0&0 erhalten wir, daß es zu jedem >0 einN gibt mit

fn1,...,nl(z)P10n1·. . .·Pl0nl≤M0e(n1+...+nl), n1+. . .+nl≥N, z ∈D(0, r0).

(3.2) Sei nunR

lim supϕn1...nl=−∞. Dann existiertn&0 mit ψn1,...,nl(z)≤ −a(z)

n

+ log max

j

Pj0 p0j

.

Setze a0 := minzD(0,r0)a(z) > 0, dann ist also ψn1,...,nl(z) ≤ −an0 + log(maxj

Pj0 p0j

, z ∈ D(0, r0). Da die rechte Seite f¨ur n1+. . .+nl → ∞gegen

−∞strebt, gibt es wieder (trivialerweise) zu jedem >0 einN mit (3.2).

Ist 0< q <1 gegeben, dann gilt also

fn1,...,nl(z)(qP10)n1·. . .·(qPl0)nl≤M0(qe)n1+...+nl, z∈D(0, r0), n1+. . .+nl≥N().

(9)

W¨ahle >0 so klein daßqe<1, dann ist die Reihe X

n1,...,nl=0 n1+...+nl≥N()

fn1,...,nl(z)wn11·. . .·wnll,

und damit auch die Reihe (3.1) absolut und gleichm¨aßig konvergent inD(0, r0)× D(0,(qP10, . . . , qPl0)), denn sie hat die Majorante

M0

X

n1,...,nl=0 n1+...+nlN()

(qe)n1+...+nl.

Beweis. (of von Satz 3.1) Seiz0∈D und seir= (r1, . . . , rk) so daßD(z0, r)⊆ D. Dann ist die Potenzreihenentwicklung

f(z, w) = X

m1,...,mk=0 n1,...,nl=0

am1,...,mk,n1,...,nl(z1−zi0)m1·. . .·(zk−zk0)mkwn11·. . .·wnll

vonf an der Stelle (z0,0) absolut und lokal gleichm¨aßig konvergent inD(z0, r)× D(0, p). Daher ist f¨ur jedes n1, . . . , nldie Potenzreihe

X m1,...,mk=0

am1,...,mk,n1,...,nl(z1−z10)m1·. . .·(zk−z0k)wk

absolut konvergent (und daher absolut und lokal gleichm¨aßig konvergent) in D(z0, r). Sie stellt daher eine inD(z0, r) analytische Funktionfn1,...,nl dar. F¨ur diese gilt

f(z, w) = X n1,...,nl=0

fn1,...,nl(z)wn11. . . wlnl, z∈D(z0, r), w∈D(0, p), (3.3)

und diese Reihe ist absolut und lokal gleichm¨aßig konvergent in D(z0, r)× D(0, p).

Istz∈D(z0, r) festgehalten, so ist f(z, w) analytisch f¨urw∈D(0, P). Die Potenzreihenentwicklung von f(z, .) nach Potenzen von wan der Stelle w= 0 konvergiert also absolut und lokal gleichm¨aßig inD(0, P). Nun wirdf(z, w) in einer Umgebung von w = 0 durch die Potenzreihe (3.3) dargestellt, also ist (3.3) die Potenzreihenentwicklung von f(z, .) anw= 0. Also konvergiert (3.3) f¨ur jedes festez∈D(z0, r) undw∈D(0, P) absolut, und zwar gegenf(z, w).

Nach Lemma 3.2 ist (3.3) inD(z0, r)×D(0, P) absolut und lokal gleichm¨aßig konvergent und stellt daher eine in D(z0, r)×D(0, P) analytische Funktion dar, denn jeder Summand ist analytisch in D(z0, r)×D(0, P). Da die Reihe (3.3) auf D(z0, r)×D(0, P) die Funktion f darstellt, ist also f analytisch inD(z0, r)×D(0, P). Daz0∈Dbeliebig war folgt die Behauptung des Satzes.

8

(10)

3.3 Lemma. Seien A ⊆ Cn, B ⊆ Cm beschr¨ankt, A abgeschlossen, B offen.

Weiters sei λ : A×B → [0,∞) stetig in jeder der beiden Variablen einzeln.

Dann existiert eine offene TeilmengeB0⊆B sodaß aufA×B0 beschr¨ankt ist.

Beweis. Betrachte die Funktion µ(β) := sup

αA

λ(α, β) :B→[0,∞).

Diese hat einen endlichen Wert daλstetig inαist undA kompakt. F¨urn∈N ist die Menge {β ∈ B : µ(β) ≤ n} in B abgeschlossen, denn ist βi ∈ Bn, βi → β ∈ B, so gilt f¨ur jedes α ∈ A das λ(α, βi) ≤ n und daher wegen der Stetigkeit in der zweiten Variablenλ(α, β)≤n, also auchµ(β)≤n.

Angenommen es existierte keine offene TeilmengeB0 auf der λ beschr¨ankt ist. Dann hat jede Menge Bn leeres Inneres. Wendet man den Satz von Baire an auf eine abgeschlossene Kreisscheibe im Inneren von B, erh¨alt man einen Widerspruch.

3.4 Satz (Hartogs). Sei D ⊆ Ck ein Gebiet und sei f : D → C in jeder Variablen einzeln analytisch. Dann ist f analytisch.

Beweis. Wir machen Induktion nachk. F¨ur k= 1 ist die Aussage trivial. Sei also angenommen das der Satz f¨ur Funktionen mitk−1 Variablen bereits gezeigt ist, und sei f :D ⊆Ck →C. Seix∈D, wir zeigen dassf in einer Umgebung vonx analytisch ist. Dazu sei oBdAx= 0. Wahle einen PolydiskD(0, ρ)⊆D.

Setze A := {|z1| ≤ ρ1} ×. . .× {|zk1| ≤ ρk1}, B := {|zk| < ρ3k}. Nach Induktionsvoraussetzung istf f¨ur jedes festezk inz1, . . . , zk1 analytisch, und daher insbesondere stetig, und f¨ur jedes feste z1, . . . , zk1 nach Voraussetzung analytisch inzk, k¨onnen wir Lemma 3.3 anwenden auf|f(z1, . . . , zk1, zk)|. Also existiert z0 ∈ B, r > 0, sodaß D(z0, r) ⊆ B und sodaß f auf A×D(z0, r) beschr¨ankt ist. Daher ist f auf D(0,(ρ1, . . . , ρk1))×D(z0, r) analytisch (nach Lemma 1.5).

F¨ur jedes feste (z1, . . . , zk1 ∈ D(0,(ρ1, . . . , ρk1)) ist f analytisch in zk ∈D(0, ρk) und, da|z0|< ρ3k, daher insbesondere im KreisD(z0,23ρk). Nach Satz 3.1 angewandt auf die Funktionf(z1, . . . , zk−1;zk−z0),p1=r, P1= 23ρk, ist f analytisch in D(0,(ρ1, . . . , ρk−1)) × D(z0,23ρk). Da |z0| < ρ3k, ist D(0,ρ3k) ⊆ D(z0,23ρk) und daher f analytisch auf der Nullumgebung D(0,(ρ1, . . . , ρk−1,ρ3k)).

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