Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3
17Deret Laurent dan Teorema Residu
Apa yang terjadi pada sebuah fungsi holomorfik di dekat titik yang ia tak terdefinisi di sana? Jawabannya berupa trikotomi lengkap — titik terhapuskan, kutub, atau kesingularan hakiki — yang terbaca dari deret pangkat dua sisi, yakni uraian Laurent. Satu koefisien uraian itu, yakni residunya, mengendalikan setiap integral kontur di sekitar kesingularannya: sehingga teorema residu mengubah integral tentu yang sukar menjadi aljabar berhingga, mencacah akar fungsi (lewat asas argumen dan Rouché), serta membuktikan teorema pemetaan terbuka. Mula-mula kita meningkatkan teorema Cauchy dari daerah berbentuk bintang ke bentuk definitifnya yang bebas homologi — lewat argumen elegan Dixon — sehingga semua kontur yang berbilangan lilitan nol di sekitar komplemennya menjadi tersedia.
17.1 Teorema Cauchy global
Sebuah siklus adalah jumlah formal berhingga atas lintasan tertutup ; sedangkan integral dan indeks sepanjang adalah jumlah yang bersesuaian, dan .
Teorema 17.1 (Cauchy, bentuk global)
Misalkan terbuka, , dan sebuah siklus di sedemikian sehingga
Maka, untuk setiap ,
Bukti (Dixon). Definisikan lewat
Fungsi kontinu: di luar diagonalnya, jelas. Sedangkan di dekat sebuah titik diagonal , uraikan menjadi deret pangkat di (Teorema 16.10): , lalu membagi setiap sukunya dengan (lewat pemfaktoran ) memberikan, untuk ,
yang sahih pula pada diagonalnya (sebab setiap jumlah dalamnya menjadi , yang berjumlah ). Untuk yang kecil deretnya konvergen seragam pada (sebab , yang terjumlahkan di dalam jari-jarinya): sehingga jumlahnya kontinu.
Tetapkan pada : ia kontinu (lewat kekontinuan seragam pada kompak), dan holomorfik — menurut Morera (yakni kriteria Teorema 16.15): sebab untuk sebuah segitiga , Fubini memberikan , dengan integral dalamnya lenyap karena holomorfik pada (sebab di kesingularannya terhapuskan: karena kontinu di sana dan holomorfik di tempat lain — yakni argumen perluasan pada bukti Teorema 16.9).
Pada himpunan terbuka , definisikan : yang holomorfik pada (lewat Morera atau pendiferensialan di bawah integralnya). Untuk :
Menurut hipotesisnya (sebab ), sehingga dan merekat menjadi fungsi utuh . Lalu karena komponen tak terbatas komplemen terletak di dan saat (lewat batas ML), maka terbatas dan menuju : sehingga Liouville (Akibat 16.12) memberikan . Jadi pada , yang merupakan rumus integralnya. Lalu dengan menerapkannya, untuk yang tetap, pada di :
∎
17.2 Deret Laurent dan kesingularan terpencil
Teorema 17.2 (Uraian Laurent)
Misalkan holomorfik pada anulus (dengan ). Maka
untuk sembarang (dan tak bergantung pada ), dengan kedua separuh deretnya konvergen normal pada subanulus kompak. Sedangkan uraiannya tunggal.
Bukti. Tetapkan lalu misalkan (dengan yang luar berlawanan arah jarum jam dan yang dalam searah): yakni sebuah siklus di dengan untuk setiap (sebab titik di dalam cakram kecilnya: ; sedangkan di luar cakram besarnya: ). Menurut Teorema 17.1, memberikan
Uraikan kernel pertamanya seperti pada Teorema 16.10 (yakni pangkat yang bermodulus ): diperoleh bagian tak negatifnya . Sedangkan pada yang kedua, uraikanlah ke arah sebaliknya: , yang konvergen normal pada : diperoleh bagian negatifnya dengan koefisien yang dinyatakan itu (dengan indeks ). Untuk ketakbergantungannya pada : integral koefisiennya atas dan berselisih sebesar atas sebuah siklus berindeks nol bagi yang holomorfik di : jadi nol, menurut Teorema 17.1 lagi. Untuk ketunggalannya: integralkan terhadap atas suku demi suku (lewat kekonvergenan normalnya): hanya yang bertahan. ∎
Definisi 17.3
Jika holomorfik pada cakram tertusuk , uraikanlah lewat Laurent (dengan ). Ada tiga kasus yang saling eksklusif:
- semua untuk : yakni kesingularan terhapuskan (sebab deret tak negatifnya memperluas secara holomorfik ke );
- untuk berhingga banyak, setidaknya satu, : yakni sebuah kutub berorde ; setara dengan itu dengan holomorfik dan ; setara pula dengan saat ;
- tak berhingga banyak yang negatif: yakni kesingularan hakiki.
Sedangkan residu di sana adalah . Dan fungsi yang holomorfik pada dikurangi sebuah himpunan kutub disebut meromorfik pada .
Teorema 17.4 (Riemann; Casorati–Weierstrass)
Misalkan holomorfik pada .
- (Riemann) Jika terbatas di dekat , maka kesingularannya terhapuskan.
- (Casorati–Weierstrass) Jika bersifat hakiki, maka bersifat padat di untuk setiap .
Bukti. (1) Untuk dan : lewat ML pada : sehingga (sebab ): jadi semua koefisien negatifnya lenyap. (2) Seandainya suatu nilai tak didekati: maka di dekat , sehingga holomorfik dan terbatas di dekat : jadi terhapuskan menurut (1), dan diperluas bernilai . Jika , maka terbatas di dekat : jadi terhapuskan — yang terkecualikan. Sedangkan jika , maka berakar berorde berhingga di (Teorema 16.13; sebab ), dan berkutub orde : yang terkecualikan lagi. ∎
17.3 Teorema residu
Teorema 17.5 (Teorema residu)
Misalkan terbuka, berhingga, , dan sebuah siklus di dengan untuk setiap . Maka
Bukti. Untuk setiap , misalkan bagian pokok di : yakni deret yang konvergen pada (sebab jari-jarinya dalam bersifat tak berhingga: karena ekor Laurentnya konvergen untuk setiap yang kecil sehingga, sebagai deret pangkat dalam , di mana-mana), dan holomorfik di sana. Maka berkesingularan terhapuskan di setiap titik (sebab uraian Laurentnya di tak berbagian negatif: karena yang lain holomorfik di ), sehingga diperluas secara holomorfik ke , dan Teorema 17.1 memberikan . Lalu tinggal mengintegralkan setiap : suku demi suku (lewat kekonvergenan normal pada yang kompak, yang menghindari ),
sehingga . Lalu jumlahkan atas . ∎
Metode 17.6 (Menghitung residu)
Untuk kutub sederhana: ; dan untuk dengan , , dan : . Untuk kutub berorde : . Untuk kesingularan hakikinya: uraikanlah lalu bacalah (misalnya dari deret yang dikenal). Dan periksalah selalu kutub mana yang sungguh dilingkari konturnya, dan dengan indeks yang mana.
Contoh 17.7 (Empat tipe integral klasiknya)
(a) Rasional atas : untuk , tutuplah dengan setengah lingkaran besar di setengah bidang atasnya: sebab integrannya di sana, sehingga (lewat ML), dan teorema residu dengan kutub (yang sederhana, berresidu di sebuah kutub) memberikan
(b) Tipe Fourier: untuk , — sebab setengah lingkaran atasnya berhasil karena di sana; lalu dengan mengambil bagian realnya: , yang menuntaskan rumus yang diterima pada Latihan 10.10. (c) Trigonometri atas satu periode: substitusikan , , dan : maka (dengan ) menjadi pencacahan residu di dalam lingkaran satuannya (Latihan 17.2). (d) Deret: pasangkan dengan , yang kutubnya berupa bilangan bulat berresidu : sehingga soal akhir pekannya menjumlahkan dan dengan cara ini.
17.4 Asas argumen dan teorema Rouché
Teorema 17.8 (Asas argumen)
Misalkan meromorfik pada , berakar (berorde ) dan berkutub (berorde ), dan sebuah lintasan tertutup di yang menghindari semuanya, dengan di luar . Maka
(dengan berhingga banyak sukunya yang tak nol). Untuk kontur sederhana yang berlawanan arah jarum jam, integralnya mencacah akar dikurangi kutub di dalamnya, beserta kelipatannya — dan sama dengan bilangan lilitan lintasan petanya di sekitar .
Bukti. Di dekat sebuah akar berorde : dengan , sehingga dengan suku keduanya holomorfik di dekat : yakni kutub sederhana berresidu . Sedangkan di dekat kutub berorde : memberikan residu . Di tempat lain bersifat holomorfik. (Sedangkan akar dan kutub yang berindeks tak nol terletak di daerah kompak yang dilingkari ; dan menurut teorema keidentikannya keduanya berhingga banyak di sana, sebab .) Lalu terapkan Teorema 17.5. Untuk catatan terakhirnya: (substitusikan ). ∎
Teorema 17.9 (Rouché)
Misalkan holomorfik pada , dan sebuah lintasan tertutup dengan yang nol di luar (yakni kontur sederhana). Jika
maka dan berakar sama banyak (beserta kelipatannya) di daerah .
Bukti. Untuk , tak berakar pada (sebab ), sehingga
terdefinisi baik; dan ia mencacah akar di daerah yang terlingkupi (Teorema 17.8; sebab tak ada kutub). Lalu bersifat kontinu terhadap (sebab integrannya kontinu bersama, dengan penyebutnya terbatas dari bawah secara seragam — lewat kekonvergenan terdominasi) dan bernilai bulat: jadi konstan. Sehingga . ∎
Akibat 17.10 (Teorema pemetaan terbuka)
Sebuah fungsi holomorfik tak konstan pada himpunan terbuka terhubung merupakan pemetaan terbuka. Khususnya (lagi) asas maksimumnya berlaku, dan bijeksi holomorfik berbalikan holomorfik.
Bukti. Misalkan ; maka berakar berorde berhingga di (menurut teorema keidentikannya: sebab ). Pilihlah yang -nya bebas akar pada (menurut akar terpencilnya) lalu misalkan . Untuk : pada lingkarannya, , sehingga Rouché ( terhadap konstanta ) mengatakan bahwa berakar tepat kali di : sehingga setiap semacam itu tercapai — jadi : yakni terbuka. Untuk asas maksimumnya: maksimum di interiornya mustahil bagi yang tak konstan, sebab petanya di sekitar memuat titik bermodulus lebih besar. Untuk balikannya: bijeksi holomorfik bersifat terbuka, sehingga kontinu; dan akar di bersifat sederhana (sebab akan memberikan prapeta nilai di dekatnya — yang berbeda-beda, karena lenyap hanya di titik terpencil, sehingga di dekat ke- akar bersifat sederhana dan berbeda untuk kecil yang generik: yang bertentangan dengan keinjektifannya); lalu dan hasil bagi selisih konvergen: sehingga . ∎
17.5 Latihan
Latihan 17.1 ★
Golongkan kesingularannya di lalu hitunglah residunya:
Berikan pula residu yang ketiga di dan yang terakhir di .
Solusi
Solusi Latihan 17.1.
: jadi terhapuskan, dengan residu . Lalu : kutub sederhana, dengan residu . Lalu : kutub sederhana di berresidu ; dan kutub rangkap di berresidu . Lalu : kutub berorde , dengan residu . Lalu : hakiki, dengan residu . Dan : kutub sederhana di ; dengan residu di , dan di (Metode 17.6, lewat ).
Latihan 17.2 ★
Untuk hitunglah, lewat :
Periksalah perilaku limitnya saat dan .
Solusi
Solusi Latihan 17.2.
Dengan , , dan :
Akarnya memenuhi dengan ; dan residu di adalah , sehingga integralnya . Saat ia meledak (sebab integrannya memuncak di ); sedangkan saat ia berperilaku seperti , yang cocok dengan .
Latihan 17.3 ★★
Hitunglah dengan kontur setengah lingkaran, sambil membenarkan taksiran busurnya:
Solusi
Solusi Latihan 17.3.
Untuk integral pertamanya: kutub atas di ; dan di masing-masingnya, , sedangkan bernilai : sehingga jumlah residunya . Sedangkan busurnya :
Untuk yang kedua: kutub rangkap di milik :
yang konsisten dengan Latihan 14.3(b).
Latihan 17.4 ★★
Buktikan, untuk dan :
lalu turunkan transformasi Fourier lewat pembalikannya — sambil membandingkannya dengan Latihan 14.1.
Solusi
Solusi Latihan 17.4.
Tutuplah di setengah bidang atasnya (dengan ): sebab di sana , sehingga busurnya menyumbang . Sedangkan satu-satunya kutub terlingkupinya bersifat sederhana dengan residu :
(lewat bagian realnya; dan genap terhadap ). Inilah pasangan pembalikan (Latihan 14.1): sehingga kedua perhitungannya saling membenarkan lewat Teorema 14.5.
Latihan 17.5 ★★
Uraikan menjadi deret Laurent pada masing-masing ketiga daerahnya , , dan . Mengapa ketiga uraiannya berbeda? Lalu terangkanlah mengapa koefisien pada uraian kedua dan ketiganya bukan residu di (sebab tak berkesingularan di sana), lalu hitunglah residu yang sebenarnya, di dan di .
Solusi
Solusi Latihan 17.5.
Untuk pecahan parsialnya: . Pada (lewat Taylor): . Pada : dan : yakni deret dua sisi yang sejati. Sedangkan pada : . Ketiganya berbeda sebab uraian Laurent melekat pada anulus, bukan pada titik: sehingga setiap daerahnya mempunyai uraian geometrinya sendiri. Sedangkan koefisien -nya (yakni dan berturut-turut) merupakan integral atas lingkaran yang melingkari kesingularan di dalamnya, bukan residu di (sebab holomorfik di ): jadi untuk koefisiennya adalah ; sedangkan untuk koefisiennya adalah . Adapun residu : di dan di .
Latihan 17.6 ★★
(a) Tunjukkan bahwa berkesingularan hakiki di lalu periksalah Casorati–Weierstrass dengan tangan: selesaikan secara eksplisit untuk sembarang , sambil menampilkan solusi yang sedekat-dekatnya dengan . (b) Tunjukkan bahwa tak terbatas pada setiap persekitaran tertusuk padahal tak berkutub: limit yang manakah yang gagal?
Solusi
Solusi Latihan 17.6.
(a) Deret Laurentnya bersuku negatif tak berhingga banyak: jadi hakiki. Lalu dengan menyelesaikan (dengan ): , sehingga
sehingga setiap nilai tak nolnya tercapai tak berhingga sering di dekat — jadi lebih kuat daripada kepadatan. (b) Sepanjang dengan : ; sedangkan sepanjang : modulusnya . Sebuah kutub menuntut sepanjang setiap pendekatan: sedangkan di sini limitnya sekadar tak ada, bahkan di .
Latihan 17.7 ★★
Cacahlah dengan Rouché: (a) akar di ; (b) akar di dan di ; (c) lalu buktikan kembali d’Alembert–Gauss: bahwa polinomial monik berderajat berakar kali di suatu cakram yang besar (bandingkan dengan ).
Solusi
Solusi Latihan 17.7.
(a) Pada : . Lalu Rouché dengan dan : memberikan tiga akar di cakramnya. (b) Pada : : sehingga satu akar di . Sedangkan pada : : sehingga empat akar di . Karena itu tiga akar di anulusnya. (c) Untuk : pada , : sehingga berakar tepat kali di — yakni d’Alembert–Gauss beserta kelipatannya, lewat pencacahan belaka.
Latihan 17.8 ★★★
(Hurwitz) Misalkan secara seragam pada kompak, dengan , terhubung, dan . (a) Tunjukkan bahwa jika semua bebas akar, maka demikian pula . (Sebab jika : pakailah asas argumen pada sebuah lingkaran kecil di sekitar , lalu Teorema 16.15 untuk mengambil limitnya pada .) (b) Tunjukkan bahwa jika semua injektif, maka injektif atau konstan. (Terapkan (a) pada di .)
Solusi
Solusi Latihan 17.8.
(a) Andaikan dengan : pilihlah yang -nya bebas akar pada lingkaran (menurut akar terpencilnya) dan . Lalu menurut Teorema 16.15, dan secara seragam pada ; sehingga untuk yang besar, pada , jadi
(sebab limitnya mencacah akar ; dan kekonvergenannya karena pembilangnya konvergen seragam sedangkan penyebutnya terbatas seragam dari bawah). Sedangkan ruas kirinya bilangan bulat yang mencacah akar di cakramnya: sehingga akhirnya ia haruslah — yang bertentangan dengan kebebasan akarnya. Jadi bebas akar.
(b) Tetapkan lalu terapkan (a) pada himpunan terbuka terhubung (sebab membuang sebuah titik dari himpunan bagian terbuka terhubung mengawetkan keterhubungannya) untuk , yang bebas akar di sana menurut keinjektifannya, dan konvergen ke . Jika tak konstan, maka pada , sehingga bebas akar di sana: jadi untuk setiap . Dan karena sembarang, bersifat injektif.
Latihan 17.9 ★★★
Untuk , integralkan atas batas juringnya lalu turunkan
Periksalah terhadap , beserta limitnya saat .
Solusi
Solusi Latihan 17.9.
Batas juringnya terdiri atas , busur , dan sinar yang dibalik. Di dalamnya terletak satu-satunya kutub milik , dengan residu . Pada sinar kembalinya, memberikan dan ; sedangkan busurnya . Karena itu
Untuk : . Sedangkan saat : nilainya menuju , dan sungguh integrannya menuju (dengan dominasi bagi kekonvergenan terdominasinya untuk ).
Latihan 17.10 ★★
Misalkan sebuah fungsi rasional dengan . Tunjukkan bahwa jumlah semua residu bernilai nol (integralkan atas lingkaran yang makin besar). Lalu pakailah ini untuk menghitung ulang penguraian pecahan parsial tanpa aljabar linear.
Solusi
Solusi Latihan 17.10.
Pada yang besar, : sehingga . Padahal untuk di luar semua kutubnya, teorema residunya memberikan : sehingga jumlah totalnya lenyap. Untuk : residunya di , di , dan di — yang berjumlah seperti diramalkan, dan
sehingga residunya adalah koefisien pecahan parsialnya, dan identitas berjumlah nol itu menyediakan pemeriksaan kekonsistenan yang cuma-cuma (atau menentukan koefisien terakhirnya dari yang lain).
Latihan 17.11 ★★★
(Lubang kunci: integral pencerminan Euler) Untuk , hitunglah
dengan mengintegralkan (dengan logaritmanya teriris sepanjang dan ) atas kontur lubang kuncinya: keluar sepanjang sisi atas irisannya dari ke , mengelilingi , kembali di bawah irisannya, lalu mengelilingi . Benarkanlah: bahwa kedua penggal lurusnya berselisih sebesar faktor , sumbangan lingkarannya lenyap (sebab dan ), dan satu-satunya kutubnya berresidu . Lalu turunkan pula (tulislah menurut Soal 10.1 lalu substitusikan ).
Solusi
Solusi Latihan 17.11.
Pada lubang kuncinya, dengan penentuan yang dipilih: tepat di atas irisannya, ; sedangkan tepat di bawahnya, . Lalu keempat kepingannya memberikan
Untuk busurnya: pada yang berpanjang : sehingga sumbangannya (sebab ); sedangkan pada yang berpanjang : jadi (sebab ). Untuk residunya: di , . Karena itu
Untuk pencerminan Gammanya: ; lalu substitusi dengan dan mengubahnya menjadi , dan rumus Euler (Soal 10.1) memberikan — yang khususnya memberikan sekali lagi.
Latihan 17.12 ★★
(Mencacah akar lewat asas argumen, secara numerik) Misalkan . (a) Berapa akarnya di cakram satuannya? (Pakai Rouché terhadap .) (b) Berapa akarnya di anulus ? (Pakai Rouché terhadap pada .) Lalu tajamkanlah: tunjukkan bahwa setiap akarnya bermodulus . (c) Berapa akarnya di setengah bidang kanannya? (Cacahlah pada lebih dahulu; lalu lacaklah peta sumbu imajinernya: sebab berbagian real positif di sepanjangnya, sehingga tak ada akar pada sumbunya, dan ragam argumennya di sepanjangnya dapat dihitung — lalu simpulkan dengan sebuah setengah cakram yang besar.)
Solusi
Solusi Latihan 17.12.
(a) Pada : (sebab ): sehingga berakar di sebanyak , yakni satu (di ).
(b) Pada : : sehingga Rouché terhadap memberikan keempat akarnya di , jadi akar di anulus . Untuk penajamannya: sebuah akar dengan akan memenuhi , padahal naik untuk dan bernilai di : jadi mustahil. Sehingga ketiga akar luarnya terletak di . (Secara numerik: sebuah akar real di dekat dan sepasang sekawan di dekat yang bermodulus — itulah mengapa percobaan Rouché pada jari-jari tepat pasti gagal: sebab teoremanya menuntut dominasi yang sejati, sedangkan akarnya duduk tepat di luar.)
(c) Tak ada akar pada : sebab . Untuk akar di setengah bidang kanannya: pakailah asas argumen pada batas setengah cakram . Pada busur besarnya, berputar sebesar (sebab busurnya merentang sudut ). Sedangkan sepanjang sumbu imajinernya dari turun ke : tetap di setengah bidang kanannya (sebab ), sehingga beragam di dalam dan kembali dengan perubahan neto saat (sebab ujungnya sama-sama ). Jadi lilitan totalnya: : yakni dua akar di setengah bidang kanannya — yang konsisten dengan numeriknya: sebab sepasang sekawan di berbagian real positif, sedangkan akar realnya dan negatif.
17.6 Soal: lewat kotangen
Soal 17.1
Soal akhir pekan — menjumlahkan dengan residu
Teorema residu menjumlahkan deret: sebab memasangkan sebuah fungsi rasional dengan , yang kutubnya duduk di bilangan bulat, mengubah menjadi pencacahan residu. Kita membuktikan metodenya lalu menghitung dan — yakni nilai yang ditemukan lewat deret Fourier pada Tahun ke-2 dan lewat trace operator pada Bab 15, kini lewat pengintegralan kontur.
Bagian I — Kernel kotangennya.
- Tunjukkan bahwa bersifat meromorfik pada dengan kutub sederhana tepat di , yang masing-masing berresidu (hitunglah ).
Hitunglah awal uraian Laurentnya di :
dengan membagi deret pangkat oleh deret (dan benarkanlah pembagiannya: sebab holomorfik dan tak nol di dekat , sehingga kebalikannya holomorfik; lalu kenali koefisiennya sampai orde ).
- Misalkan batas bujur sangkar bertitik sudut . Tunjukkan bahwa pada untuk setiap . (Pada sisi tegaknya, , yang bermodulus ; sedangkan pada sisi mendatarnya dengan , batasilah .)
Bagian II — Teorema penjumlahannya.
Misalkan rasional, holomorfik di bilangan bulatnya, dengan . Dengan memakai teorema residu pada dan batas pertanyaan 3, buktikan:
- Di manakah argumennya memerlukan syarat derajatnya? Tunjukkan lewat contoh (ambillah ) bahwa untuk peluruhan yang lebih lambat limit setangkupnya masih dapat ada sedangkan deret dua sisinya divergen — dan bahwa rumusnya lalu menghitung nilai pokoknya.
Bagian III — Nilainya.
Terapkan metodenya pada : di sini berkutub di sebuah bilangan bulat, sehingga jalankanlah argumennya secara langsung — integralkan atas , tunjukkan bahwa integralnya , lalu hitunglah dari pertanyaan 2. Lalu simpulkan:
- Lakukan hal yang sama dengan : hitunglah lalu turunkan .
- Terangkan pola umumnya: bahwa untuk setiap , adalah kali koefisien pada uraian Laurent di — yakni kelipatan rasional . Lalu hitunglah dengan mendorong pembagian pertanyaan 2 satu langkah lagi. Apa yang dikatakan metodenya tentang — dan mengapa ia tak mengatakan apa-apa?
Bagian IV — Uraian pecahan parsial kotangennya.
Tetapkan lalu terapkan metode Bagian II pada — sambil mencatat bahwa kini berkutub sederhana tambahan di , yang residunya harus turut dicacah. Lalu turunkan uraian pecahan parsialnya
dengan deretnya konvergen normal pada himpunan bagian kompak .
- Pulihkan dari uraian ini, dengan menguraikan setiap sukunya dalam pangkat (benarkanlah penukarannya), koefisien Laurent yang sama seperti pada pertanyaan 2 — sehingga lingkarannya menutup: yakni rumus Euler merupakan koefisien pada kedua wajah kotangennya. Lalu bandingkan dengan bukti deret Fouriernya (Tahun ke-2) dan bukti tracenya (Soal 15.1): yakni tiga teori, satu bilangan.
Bagian V — Hasil kali Euler bagi sinusnya. Uraian pertanyaan 9 adalah turunan logaritmik sebuah hasil kali tak berhingga; dan kini kita membuktikan pemfaktoran Euler 1734 secara jujur.
- Untuk tetapkan . Tunjukkan bahwa konvergen, secara seragam pada setiap cakram , ke sebuah fungsi utuh yang akarnya tepat bilangan bulat dan semuanya sederhana. (Untuk tulislah faktornya sebagai dengan logaritma pokok Latihan 16.3, batasilah untuk lewat deretnya, lalu eksponensialkan jumlah logaritmanya yang konvergen normal; sedangkan berhingga banyak faktor sisanya merupakan polinomial. Lalu simpulkan dengan Teorema 16.15.)
Tunjukkan bahwa pada ,
(turunkanlah hasil kali berhingganya, lalu ambil limitnya dengan memakai Teorema 16.15 dan kebebasan akar di luar , lalu kutiplah pertanyaan 9).
Tunjukkan bahwa diperluas menjadi fungsi utuh yang bebas akar dengan , lalu simpulkan hasil kali Euler:
(Wallis, 1655) Nilaikan di :
- Untuk , uraikan logaritma hasil kalinya menjadi deret rangkap (benarkanlah penyusunan ulangnya) lalu pulihkan dengan mencocokkan koefisien pada — yakni wajah hasil kali bilangan Euler itu.
Bagian VI — Kernel saudaranya. Kotangennya bersaudara; dan masing-masing menghargai keluarga deretnya sendiri.
Turunkan uraian pertanyaan 9 suku demi suku (yang dibenarkan Teorema 16.15) untuk memperoleh, secara normal pada kompak ,
- Nilaikan di : ; lalu pulihkan sekali lagi dengan memisahkan bilangan bulatnya menurut paritas.
Periksalah identitas penggandaan lalu turunkan
secara normal pada kompak yang menghindari .
Uraikan di sekitar (dengan ; lewat Fubini lagi): dengan ,
lalu bandingkan dengan untuk memulihkan dan memperoleh , lalu periksa silang lewat .
Periksalah lalu turunkan
Lalu periksalah tandanya terhadap residu di bilangan bulatnya.
- Bacalah koefisien -nya: , lalu benarkanlah kekonsistenannya .
(Penutup) Nilaikan uraian pertanyaan 20 di lalu turunkan rumus Leibniz
Lalu tutuplah dengan sebuah paragraf pendek: satu kernel per aritmetikanya — kernel mana yang menghargai keluarga deret yang mana, dan mengapa semuanya secara struktural buta terhadap .
Bagian VII — Daftar harga lengkapnya: bilangan Bernoulli.
Gabungkan uraian pecahan parsial dengan fungsi pembangkit bilangan Bernoulli (yakni , Soal 16.1, Bagian VI): dari
(buktikanlah identitas ini lebih dahulu), turunkan bentuk tertutupnya
- Periksalah rumusnya terhadap , , dan : pulihkan dan , lalu hitunglah .
(Rekursi Euler) Uraikan kedua ruas — atau kuadratkan deret kotangennya secara langsung — untuk membuktikan
lalu periksalah bahwa ia menghitung dari dan dari — yakni semua nilai zeta genap dari satu benih , tanpa pengintegralan yang baru.
Solusi
Solusi Soal 17.1.
1. Fungsi berakar sederhana tepat di (sebab jika dan hanya jika , dan di sana), dan : sehingga berkutub sederhana di dengan
(lewat aturan , Metode 17.6).
2. Fungsi bersifat holomorfik dan tak nol di dekat : sehingga kebalikannya holomorfik (Definisi 16.1: lewat hasil baginya), dengan deret (kenalilah: yakni koefisien bergaya dari : sehingga koefisien -nya adalah ). Lalu kalikan dengan lalu bagilah dengan :
(sebab ).
3. Untuk sisi tegaknya : menurut keperiodikan- , , yang bermodulus . Sedangkan untuk sisi mendatarnya : dari ,
Jadi kedua batasnya .
4. Terapkan Teorema 17.5 pada di (dengan di luar semua kutub ):
dengan kutub bulatnya menyumbang (pertanyaan 1; sebab holomorfik di sana). Pada : , dan kelilingnya : sehingga integralnya . Lalu biarkan : diperolehlah rumus penjumlahan yang ditampilkan itu.
5. Peluruhan membunuh integral konturnya sekaligus membuat konvergen. Untuk : jumlah setangkupnya berteleskop menjadi (sebab suku dan saling meniadakan), dan ruas kanannya adalah : jadi konsisten — padahal divergen; sehingga metodenya menghitung limit setangkupnya (yakni nilai pokoknya) saja.
6. Untuk : kutubnya di bilangan bulat tak nol dengan residu , dan di tempat, menurut pertanyaan 2,
Sedangkan integral konturnya atas menuju seperti pada pertanyaan 4 (sebab pada ). Karena itu : sehingga dan .
7. Untuk : residunya di sama dengan , dan : sehingga .
8. Dengan : residunya di adalah koefisien milik pada uraian , dan konturnya yang lenyap memberikan : sehingga , yakni kelipatan rasional sebab koefisien kotangennya demikian. Lalu satu langkah pembagian lagi melahirkan , sehingga . Untuk : kernel alaminya menghasilkan menurut kegasalannya — sehingga metodenya membuktikan dan secara struktural buta terhadap nilai zeta gasalnya (sebab tak ada bentuk tertutup yang dikenal; dan keirasionalannya, menurut Apéry 1978, memerlukan gagasan yang sama sekali berbeda).
9. Fungsi berkutub di bilangan bulatnya (dengan residu , sambil mencatat tandanya: ) dan berkutub sederhana di dengan residu masing-masing (sebab gasal). Lalu argumen pertanyaan 4 (dengan ) memberikan
(sebab suku -nya adalah ; lalu kelompokkan ulang ). Untuk kekonvergenan normalnya pada kompak : bagi dan , .
10. Untuk : , dengan , yang terjumlahkan atas : sehingga Fubini untuk deret menyusun ulangnya menjadi
Lalu dengan mencocokkannya terhadap pertanyaan 2: dan — yakni nilai yang sama. Jadi tiga jalan menuju : Parseval (lewat deret Fourier), trace operator Green dawainya, dan kedua uraian kotangennya; sedangkan bahwa sebuah jumlah atas frekuensi, sebuah trace operator, dan sebuah integral kontur bersesuaian bukanlah kebetulan — sebab masing-masingnya wajah identitas spektral yang sama.
11. Tetapkan lalu misalkan bilangan bulat terkecil yang . Untuk dan : , sehingga , tempat logaritma pokoknya bersifat holomorfik, dan
sehingga jumlahnya konvergen normal pada , dengan jumlah parsial yang holomorfik dan secara seragam. Lalu karena (lewat batas nilai rata-rata pada ruasnya), hasil kali ekornya konvergen seragam pada ke yang bebas akar. Lalu dengan mengalikannya dengan polinomial tetap : secara seragam pada , dan Teorema 16.15 membuat holomorfik di sana; dan karena sembarang, bersifat utuh. Pada akar adalah akar prafaktor polinomialnya — yakni bilangan bulat bermodulus , yang masing-masing sederhana (sebab berakar sederhana yang berbeda, sedangkan tak berakar): jadi himpunan akar adalah , dengan semua akarnya sederhana.
12. Lewat pendiferensialan logaritmik hasil kali berhingganya, jauh dari akarnya:
Pada sebuah kompak : dan secara seragam (Teorema 16.15), dan (sebab lenyap hanya pada ), sehingga akhirnya dan secara seragam pada . Sedangkan anggota tengahnya konvergen ke menurut pertanyaan 9: sehingga pada .
13. Fungsi dan bersifat utuh dengan himpunan akar yang sama , dan semua akarnya sederhana (pertanyaan 1 dan 11). Di dekat tulislah dan dengan yang holomorfik dan tak lenyap di (faktorkanlah deret pangkatnya): maka diperluas secara holomorfik dan bebas akar melintasi setiap bilangan bulatnya, dan ia bebas akar pada sebagai hasil bagi fungsi yang bebas akar. Di sana,
sehingga fungsi utuh lenyap pada , jadi di mana-mana lewat kekontinuannya: sehingga konstan. Lalu saat : dan , sehingga :
14. Di : , sehingga
yakni hasil kali Wallis, sebuah akibat satu baris dari pemfaktoran Euler.
15. Untuk setiap faktornya terletak di , sehingga : sebab setiap hasil kali parsialnya adalah eksponensial sebuah jumlah parsial, dan kedua ruasnya beralih ke limitnya lewat kekontinuan . Sedangkan deret rangkapnya
tersusun ulang lewat Fubini untuk deret: sebab . Karena itu
dan pertanyaan 13 membandingkannya dengan : sehingga , yakni . Jadi wajah penjumlahannya (pertanyaan 10) dan wajah perkaliannya menghitung bilangan yang sama.
16. Pada sebuah kompak jumlah parsialnya (pertanyaan 9, dengan sukunya dikelompokkan ulang sebagai ) konvergen seragam ke , sehingga Teorema 16.15 memberikan secara seragam pada . Lalu karena :
dengan kekonvergenannya normal pada kompak (sebab sukunya ).
17. Di ruas kirinya adalah ; sedangkan pada ruas kanannya, dengan melintasi setiap bilangan bulat gasal tepat sekali saat melintasi :
Lalu pemisahan paritasnya: , sehingga dan sekali lagi.
18. Dengan dan : . Karena itu , dan pertanyaan 9 di dan di memberikan
Kedua deretnya konvergen mutlak di setiap yang tetap di luar kutubnya, sehingga selisihnya boleh dikelompokkan ulang sesuka hati: pada deret keduanya suku genap memberikan dan meniadakan deret pertamanya seluruhnya, menyisakan
secara normal pada kompak yang menghindari (sebab sukunya ).
19. Untuk :
dengan sebab : sehingga Fubini menyusun ulang jumlah rangkapnya menjadi
Lalu terhadap : koefisien -nya memberikan — yakni pertanyaan 17 lagi — sedangkan koefisien -nya memberikan , yakni . Lalu dengan membuang penyebut genapnya, : sehingga , yang cocok dengan pertanyaan 7.
20. Berlaku , sebab pembilangnya adalah . Lalu dengan , pertanyaan 9 di berbunyi , sehingga
Lalu kekonvergenan mutlaknya mengizinkan pengelompokan ulang menurut paritas: sebab yang genap pada deret yang dikurangkan menyumbang , menyisakan dari jumlah pertamanya, sedangkan yang gasal bertahan bertanda :
Untuk pemeriksaan tandanya: (Metode 17.6), dan membawa tepat residu itu di .
21. Untuk , dengan menguraikan setiap sukunya seperti pada pertanyaan 19 (yakni ) lalu menerapkan Fubini:
Sedangkan pada sisi Taylornya: memberikan : sehingga , jadi . Untuk kekonsistenannya: .
22. Di , pertanyaan 20 memberikan
Lalu dengan , dan kedua deret berganti tandanya konvergen (menurut kriteria Leibniz), jumlahnya terbelah menjadi , dengan dan . Karena itu :
Moralnya: bahwa setiap kernelnya bersifat meromorfik dengan kutub pada sebuah deret aritmetika dan residu yang ditetapkan. Sedangkan kotangennya menaruh residu di setiap bilangan bulat lalu menjumlahkan ; turunannya mengkuadratkan kutubnya lalu menghargai ; tangennya menggeser kutubnya ke lalu menghargai penyebut gasalnya; sedangkan menyimpan kutub bulatnya tetapi menyelang-nyelingkan residunya , sehingga menghasilkan deret berganti tandanya. Adapun kernel orde pertamanya semuanya fungsi gasal: sehingga memasangkan dengan menggandakan koefisien berpangkat genapnya dan memusnahkan yang gasal, jadi tercurah secara mekanis sedangkan tak pernah muncul. Jadi kebutaannya adalah paritas, bukan kekurangan teknik.
23. Dengan :
Karena itu, dengan memakai fungsi pembangkitnya pada (dan yang meniadakan suku -nya, sedangkan gasalnya lenyap selebihnya):
Sedangkan di sisi lain uraian pecahan parsialnya (Bagian IV) memberikan (uraikanlah setiap lalu jumlahkan atas , dengan kekonvergenan normalnya membenarkan penukarannya untuk ). Lalu dengan membandingkan koefisiennya: , yakni rumus yang dinyatakan itu.
24. Untuk : . Untuk : . Dan untuk : .
25. Tulis (pertanyaan 23). Lalu lewat pendiferensialan langsung , dengan memakai :
Kini uraikan kedua ruasnya dalam pangkat . Ruas kirinya: . Sedangkan ruas kanannya: dengan mengkuadratkan deretnya,
dan suku hanya menyesuaikan . Lalu dengan membandingkan koefisien untuk :
yakni . (Di identitasnya berbunyi : yakni sebuah pemeriksaan kekonsistenan, bukan keterangan baru.) Untuk terapannya: : , sehingga ; sedangkan : , sehingga . Jadi satu benih transenden (), lalu aljabar murni menghasilkan setiap nilai zeta genapnya.