Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

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 Γ\Gamma adalah jumlah formal berhingga atas lintasan tertutup γ1,,γm\gamma_1, \dots, \gamma_m; sedangkan integral dan indeks sepanjang Γ\Gamma adalah jumlah yang bersesuaian, dan imΓ=imγj\operatorname{im}\Gamma = \bigcup\operatorname{im}\gamma_j.

Teorema 17.1 (Cauchy, bentuk global)

Misalkan ΩC\Omega \subseteq \C terbuka, fH(Ω)f \in \mathcal H(\Omega), dan Γ\Gamma sebuah siklus di Ω\Omega sedemikian sehingga

IndΓ(w)=0untuk setiap wΩ.\operatorname{Ind}_\Gamma(w) = 0 \qquad\text{untuk setiap } w \notin \Omega .

Maka, untuk setiap zΩimΓz \in \Omega\setminus\operatorname{im}\Gamma,

12iπΓf(w)wz ⁣dw=IndΓ(z)f(z),danΓf(w) ⁣dw=0.\frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma\frac{f(w)}{w - z}\,\dd w = \operatorname{Ind}_\Gamma(z)\,f(z), \qquad\text{dan}\qquad \int_\Gamma f(w)\,\dd w = 0 .

Bukti (Dixon). Definisikan g ⁣:Ω×ΩCg \colon \Omega\times\Omega \to \C lewat

g(z,w)={f(w)f(z)wzwz,f(z)w=z.g(z, w) = \begin{cases} \dfrac{f(w) - f(z)}{w - z} & w \neq z,\\[4pt] f'(z) & w = z . \end{cases}

Fungsi gg kontinu: di luar diagonalnya, jelas. Sedangkan di dekat sebuah titik diagonal (a,a)(a, a), uraikan ff menjadi deret pangkat di aa (Teorema 16.10): f(w)f(z)=n1cn((wa)n(za)n)f(w) - f(z) = \sum_{n\geq1}c_n\bigl((w-a)^n - (z-a)^n\bigr), lalu membagi setiap sukunya dengan wzw - z (lewat pemfaktoran unvnu^n - v^n) memberikan, untuk z,wD(a,r)z, w \in D(a, r),

g(z,w)=n1cnj=0n1(wa)j(za)n1j,g(z, w) = \sum_{n\geq1}c_n\sum_{j=0}^{n-1}(w-a)^{\,j}(z-a)^{\,n-1-j},

yang sahih pula pada diagonalnya (sebab setiap jumlah dalamnya menjadi n(za)n1n(z-a)^{n-1}, yang berjumlah f(z)f'(z)). Untuk rr yang kecil deretnya konvergen seragam pada D(a,r)2D(a,r)^2 (sebab sukunyancnrn1\abs{\text{sukunya}} \leq n\abs{c_n}r^{n-1}, yang terjumlahkan di dalam jari-jarinya): sehingga jumlahnya kontinu.

Tetapkan h(z)=12iπΓg(z,w) ⁣dwh(z) = \frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma g(z, w)\,\dd w pada Ω\Omega: ia kontinu (lewat kekontinuan seragam gg pada kompak), dan holomorfik — menurut Morera (yakni kriteria Teorema 16.15): sebab untuk sebuah segitiga TΩT \subseteq \Omega, Fubini memberikan Th=12iπΓ(Tg(z,w) ⁣dz) ⁣dw=0\int_{\partial T}h = \frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma\bigl(\int_{\partial T}g(z, w)\dd z\bigr)\dd w = 0, dengan integral dalamnya lenyap karena zg(z,w)z \mapsto g(z, w) holomorfik pada Ω\Omega (sebab di z=wz = w kesingularannya terhapuskan: karena gg kontinu di sana dan holomorfik di tempat lain — yakni argumen perluasan pada bukti Teorema 16.9).

Pada himpunan terbuka Ω={zimΓ:IndΓ(z)=0}\Omega' = \{z \notin \operatorname{im}\Gamma : \operatorname{Ind}_\Gamma(z) = 0\}, definisikan h1(z)=12iπΓf(w)wz ⁣dwh_1(z) = \frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma\frac{f(w)}{w - z}\dd w: yang holomorfik pada Ω\Omega' (lewat Morera atau pendiferensialan di bawah integralnya). Untuk zΩΩz \in \Omega\cap\Omega':

h(z)=12iπΓf(w)wz ⁣dwf(z)IndΓ(z)=h1(z).h(z) = \frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma\frac{f(w)}{w-z}\dd w - f(z)\operatorname{Ind}_\Gamma(z) = h_1(z) .

Menurut hipotesisnya ΩΩ=C\Omega\cup\Omega' = \C (sebab wΩIndΓ(w)=0w \notin \Omega \Rightarrow \operatorname{Ind}_\Gamma(w) = 0), sehingga hh dan h1h_1 merekat menjadi fungsi utuh HH. Lalu karena komponen tak terbatas komplemen imΓ\operatorname{im}\Gamma terletak di Ω\Omega' dan h1(z)0h_1(z) \to 0 saat z\abs z \to \infty (lewat batas ML), maka HH terbatas dan menuju 00: sehingga Liouville (Akibat 16.12) memberikan H0H \equiv 0. Jadi h0h \equiv 0 pada Ω\Omega, yang merupakan rumus integralnya. Lalu dengan menerapkannya, untuk aΩimΓa \in \Omega\setminus\operatorname{im}\Gamma yang tetap, pada f~(w)=(wa)f(w)\tilde f(w) = (w - a)f(w) di z=az = a:

12iπΓf(w) ⁣dw=12iπΓf~(w)wa ⁣dw=IndΓ(a)f~(a)=0.\frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma f(w)\dd w = \frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma \frac{\tilde f(w)}{w - a}\dd w = \operatorname{Ind}_\Gamma(a)\,\tilde f(a) = 0 .

17.2 Deret Laurent dan kesingularan terpencil

Teorema 17.2 (Uraian Laurent)

Misalkan ff holomorfik pada anulus A={r<za<R}A = \{r < \abs{z - a} < R\} (dengan 0r<R0 \leq r < R \leq \infty). Maka

f(z)=nZcn(za)npada A,cn=12iπCρf(w)(wa)n+1 ⁣dwf(z) = \sum_{n\in\Z}c_n\,(z - a)^n \qquad\text{pada } A, \qquad c_n = \frac1{2\iu\pi}\int_{C_\rho}\frac{f(w)}{(w - a)^{n+1}}\,\dd w

untuk sembarang r<ρ<Rr < \rho < R (dan tak bergantung pada ρ\rho), dengan kedua separuh deretnya konvergen normal pada subanulus kompak. Sedangkan uraiannya tunggal.

Bukti. Tetapkan r<ρ1<za<ρ2<Rr < \rho_1 < \abs{z - a} < \rho_2 < R lalu misalkan Γ=Cρ2Cρ1\Gamma = C_{\rho_2} - C_{\rho_1} (dengan yang luar berlawanan arah jarum jam dan yang dalam searah): yakni sebuah siklus di AA dengan IndΓ(w)=0\operatorname{Ind}_\Gamma(w) = 0 untuk setiap wAw \notin A (sebab titik di dalam cakram kecilnya: 11=01 - 1 = 0; sedangkan di luar cakram besarnya: 000 - 0). Menurut Teorema 17.1, IndΓ(z)=10=1\operatorname{Ind}_\Gamma(z) = 1 - 0 = 1 memberikan

f(z)=12iπCρ2f(w)wz ⁣dw12iπCρ1f(w)wz ⁣dw.f(z) = \frac1{2\iu\pi}\int_{C_{\rho_2}}\frac{f(w)}{w - z}\dd w - \frac1{2\iu\pi}\int_{C_{\rho_1}}\frac{f(w)}{w - z}\dd w .

Uraikan kernel pertamanya seperti pada Teorema 16.10 (yakni pangkat zawa\frac{z - a}{w - a} yang bermodulus <1< 1): diperoleh bagian tak negatifnya n0cn(za)n\sum_{n\geq0}c_n(z-a)^n. Sedangkan pada yang kedua, uraikanlah ke arah sebaliknya: 1wz=1(za)(1waza)=m0(wa)m(za)m+1\frac{-1}{w - z} = \frac1{(z-a)(1 - \frac{w - a}{z - a})} = \sum_{m\geq0}\frac{(w-a)^m}{(z - a)^{m+1}}, yang konvergen normal pada Cρ1C_{\rho_1}: diperoleh bagian negatifnya n1cn(za)n\sum_{n\leq-1}c_n(z-a)^n dengan koefisien yang dinyatakan itu (dengan indeks n=m1n = -m-1). Untuk ketakbergantungannya pada ρ\rho: integral koefisiennya atas CρC_{\rho} dan CρC_{\rho'} berselisih sebesar Γ\int_\Gamma atas sebuah siklus berindeks nol bagi f(w)(wa)n+1\frac{f(w)}{(w-a)^{n+1}} yang holomorfik di AA: jadi nol, menurut Teorema 17.1 lagi. Untuk ketunggalannya: integralkan cn(za)n\sum c_n(z-a)^n terhadap (za)m1(z - a)^{-m-1} atas CρC_\rho suku demi suku (lewat kekonvergenan normalnya): hanya n=mn = m yang bertahan.

Definisi 17.3

Jika ff holomorfik pada cakram tertusuk D(a,R){a}D(a, R)\setminus \{a\}, uraikanlah lewat Laurent (dengan r=0r = 0). Ada tiga kasus yang saling eksklusif:

  • semua cn=0c_n = 0 untuk n<0n < 0: yakni kesingularan terhapuskan (sebab deret tak negatifnya memperluas ff secara holomorfik ke aa);
  • cn0c_n \neq 0 untuk berhingga banyak, setidaknya satu, n<0n < 0: yakni sebuah kutub berorde m=min{n:cn0}m = -\min\{n : c_n \neq 0\}; setara dengan itu f=g/(za)mf = g/(z-a)^m dengan gg holomorfik dan g(a)0g(a) \neq 0; setara pula dengan f(z)\abs{f(z)} \to \infty saat zaz\to a;
  • tak berhingga banyak cn0c_n \neq 0 yang negatif: yakni kesingularan hakiki.

Sedangkan residu di sana adalah Res(f,a)=c1\operatorname{Res}(f, a) = c_{-1}. Dan fungsi yang holomorfik pada Ω\Omega dikurangi sebuah himpunan kutub disebut meromorfik pada Ω\Omega.

Teorema 17.4 (Riemann; Casorati–Weierstrass)

Misalkan ff holomorfik pada D(a,R){a}D(a,R)\setminus\{a\}.

  1. (Riemann) Jika ff terbatas di dekat aa, maka kesingularannya terhapuskan.
  2. (Casorati–Weierstrass) Jika aa bersifat hakiki, maka f(D(a,ε){a})f\bigl(D(a,\varepsilon)\setminus\{a\}\bigr) bersifat padat di C\C untuk setiap ε\varepsilon.

Bukti. (1) Untuk n<0n < 0 dan ρ0\rho \to 0: cnMρn1ρρn\abs{c_n} \leq M\rho^{-n-1}\cdot\rho\cdot\rho^{-\,n}\dots lewat ML pada CρC_\rho: sehingga cn12π2πρMρ(n+1)=Mρn0\abs{c_n} \leq \frac{1}{2\pi}\,2\pi\rho\cdot M\rho^{-(n+1)} = M\rho^{-n} \to 0 (sebab n>0-n > 0): jadi semua koefisien negatifnya lenyap. (2) Seandainya suatu nilai bb tak didekati: maka fbδ\abs{f - b} \geq \delta di dekat aa, sehingga g=1/(fb)g = 1/(f - b) holomorfik dan terbatas di dekat aa: jadi terhapuskan menurut (1), dan gg diperluas bernilai cc. Jika c0c \neq 0, maka f=b+1/gf = b + 1/g terbatas di dekat aa: jadi terhapuskan — yang terkecualikan. Sedangkan jika c=0c = 0, maka gg berakar berorde berhingga mm di aa (Teorema 16.13; sebab g≢0g \not\equiv 0), dan f=b+1/gf = b + 1/g berkutub orde mm: yang terkecualikan lagi.

17.3 Teorema residu

Teorema 17.5 (Teorema residu)

Misalkan Ω\Omega terbuka, SΩS \subseteq \Omega berhingga, fH(ΩS)f \in \mathcal H(\Omega\setminus S), dan Γ\Gamma sebuah siklus di ΩS\Omega\setminus S dengan IndΓ(w)=0\operatorname{Ind}_\Gamma(w) = 0 untuk setiap wΩw \notin \Omega. Maka

12iπΓf(z) ⁣dz=aSIndΓ(a)Res(f,a).\frac{1}{2\iu\pi}\int_\Gamma f(z)\,\dd z = \sum_{a\in S}\operatorname{Ind}_\Gamma(a)\, \operatorname{Res}(f, a) .

Bukti. Untuk setiap aSa \in S, misalkan Pa(z)=n1cn(a)(za)nP_a(z) = \sum_{n\leq-1}c_n^{(a)}(z - a)^n bagian pokok ff di aa: yakni deret yang konvergen pada C{a}\C\setminus\{a\} (sebab jari-jarinya dalam 1/(za)1/(z-a) bersifat tak berhingga: karena ekor Laurentnya konvergen untuk setiap za\abs{z-a} yang kecil sehingga, sebagai deret pangkat dalam (za)1(z-a)^{-1}, di mana-mana), dan holomorfik di sana. Maka g=faSPag = f - \sum_{a\in S}P_a berkesingularan terhapuskan di setiap titik SS (sebab uraian Laurentnya di aa tak berbagian negatif: karena PaP_{a'} yang lain holomorfik di aa), sehingga gg diperluas secara holomorfik ke Ω\Omega, dan Teorema 17.1 memberikan Γg=0\int_\Gamma g = 0. Lalu tinggal mengintegralkan setiap PaP_a: suku demi suku (lewat kekonvergenan normal pada imΓ\operatorname{im}\Gamma yang kompak, yang menghindari aa),

12iπΓ(za)n ⁣dz=0 (n2:yakni antiturunan (za)n+1n+1),12iπΓ ⁣dzza=IndΓ(a),\frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma(z - a)^n\,\dd z = 0 \ (n \leq -2: \text{yakni antiturunan } \tfrac{(z-a)^{n+1}}{n+1}), \qquad \frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma\frac{\dd z}{z - a} = \operatorname{Ind}_\Gamma(a),

sehingga 12iπΓPa=c1(a)IndΓ(a)\frac1{2\iu\pi}\int_\Gamma P_a = c_{-1}^{(a)}\operatorname{Ind}_\Gamma(a). Lalu jumlahkan atas aa.

Metode 17.6 (Menghitung residu)

Untuk kutub sederhana: Res(f,a)=limza(za)f(z)\operatorname{Res}(f, a) = \lim_{z\to a}(z - a)f(z); dan untuk f=g/hf = g/h dengan g(a)0g(a) \neq 0, h(a)=0h(a) = 0, dan h(a)0h'(a) \neq 0: Res=g(a)/h(a)\operatorname{Res} = g(a)/h'(a). Untuk kutub berorde mm: Res(f,a)=1(m1)!limza((za)mf(z))(m1)\operatorname{Res}(f, a) = \frac1{(m-1)!}\lim_{z\to a}\bigl((z-a)^mf(z)\bigr)^{(m-1)}. Untuk kesingularan hakikinya: uraikanlah lalu bacalah c1c_{-1} (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 R\R: untuk R ⁣dx1+x4\int_\R\frac{\dd x}{1 + x^4}, tutuplah dengan setengah lingkaran besar SRS_R di setengah bidang atasnya: sebab integrannya O(R4)O(R^{-4}) di sana, sehingga SR0\int_{S_R} \to 0 (lewat ML), dan teorema residu dengan kutub eiπ/4,e3iπ/4\eu^{\iu\pi/4}, \eu^{3\iu\pi/4} (yang sederhana, berresidu 14z3=z4z4=z4\frac1{4z^3} = \frac{z}{4z^4} = -\frac z4 di sebuah kutub) memberikan

R ⁣dx1+x4=2iπ(eiπ/44e3iπ/44)=π2.\int_\R\frac{\dd x}{1 + x^4} = 2\iu\pi\Bigl(-\frac{\eu^{\iu\pi/4}}4 - \frac{\eu^{3\iu\pi/4}}4\Bigr) = \frac{\pi}{\sqrt2} .

(b) Tipe Fourier: untuk t0t \geq 0, Reitx1+x2 ⁣dx=2iπRes(eitz1+z2,i)=2iπet2i=πet\int_\R\frac{\eu^{\iu tx}}{1 + x^2}\dd x = 2\iu\pi\operatorname{Res}\bigl(\tfrac{\eu^{\iu tz}}{1+z^2}, \iu\bigr) = 2\iu\pi\frac{\eu^{-t}}{2\iu} = \pi\eu^{-t} — sebab setengah lingkaran atasnya berhasil karena eitz=etImz1\abs{\eu^{\iu tz}} = \eu^{-t\operatorname{Im}z} \leq 1 di sana; lalu dengan mengambil bagian realnya: Rcos(tx)1+x2 ⁣dx=πet\int_\R\frac{\cos(tx)}{1+x^2}\dd x = \pi\eu^{-\abs t}, yang menuntaskan rumus yang diterima pada Latihan 10.10. (c) Trigonometri atas satu periode: substitusikan z=eitz = \eu^{\iu t}, cost=z+z12\cos t = \frac{z + z^{-1}}2, dan  ⁣dt= ⁣dziz\dd t = \frac{\dd z}{\iu z}: maka 02π ⁣dta+cost\int_0^{2\pi}\frac{\dd t}{a + \cos t} (dengan a>1a > 1) menjadi pencacahan residu di dalam lingkaran satuannya (Latihan 17.2). (d) Deret: pasangkan ff dengan πcot(πz)\pi\cot(\pi z), yang kutubnya berupa bilangan bulat berresidu 11: sehingga soal akhir pekannya menjumlahkan n2\sum n^{-2} dan n4\sum n^{-4} dengan cara ini.

Kontur setengah lingkaran bagi ∈t_ℝ x/1 + x4: saat R ∈fty busurnya menyumbang O(R-3), dan teorema residunya mencacah kedua kutub yang terlingkupi (biru). Sedangkan kedua kutub bawahnya (kelabu) berada di luar: jadi berindeks 0.
Kontur setengah lingkaran bagi R ⁣dx1+x4\int_\R\frac{\dd x}{1 + x^4}: saat RR \to \infty busurnya menyumbang O(R3)O(R^{-3}), dan teorema residunya mencacah kedua kutub yang terlingkupi (biru). Sedangkan kedua kutub bawahnya (kelabu) berada di luar: jadi berindeks 00.

17.4 Asas argumen dan teorema Rouché

Teorema 17.8 (Asas argumen)

Misalkan ff meromorfik pada Ω\Omega, berakar zjz_j (berorde mjm_j) dan berkutub pkp_k (berorde μk\mu_k), dan γ\gamma sebuah lintasan tertutup di Ω\Omega yang menghindari semuanya, dengan Indγ=0\operatorname{Ind}_\gamma = 0 di luar Ω\Omega. Maka

12iπγf(z)f(z) ⁣dz=jmjIndγ(zj)kμkIndγ(pk)\frac1{2\iu\pi}\int_\gamma\frac{f'(z)}{f(z)}\,\dd z = \sum_j m_j\operatorname{Ind}_\gamma(z_j) - \sum_k \mu_k\operatorname{Ind}_\gamma(p_k)

(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 fγf\circ\gamma di sekitar 00.

Bukti. Di dekat sebuah akar berorde mm: f=(za)mgf = (z-a)^mg dengan g(a)0g(a) \neq 0, sehingga ff=mza+gg\frac{f'}f = \frac m{z - a} + \frac{g'}g dengan suku keduanya holomorfik di dekat aa: yakni kutub sederhana berresidu mm. Sedangkan di dekat kutub berorde μ\mu: f=(za)μgf = (z-a)^{-\mu}g memberikan residu μ-\mu. Di tempat lain ff\frac{f'}f bersifat holomorfik. (Sedangkan akar dan kutub yang berindeks tak nol terletak di daerah kompak yang dilingkari γ\gamma; dan menurut teorema keidentikannya keduanya berhingga banyak di sana, sebab f≢0f \not\equiv 0.) Lalu terapkan Teorema 17.5. Untuk catatan terakhirnya: 12iπγff=12iπfγ ⁣dww=Indfγ(0)\frac1{2\iu\pi}\int_\gamma\frac{f'}f = \frac1{2\iu\pi}\int_{f\circ\gamma}\frac{\dd w}w = \operatorname{Ind}_{f\circ\gamma}(0) (substitusikan w=f(γ(t))w = f(\gamma(t))).

Teorema 17.9 (Rouché)

Misalkan f,gf, g holomorfik pada Ω\Omega, dan γ\gamma sebuah lintasan tertutup dengan Indγ{0,1}\operatorname{Ind}_\gamma \in \{0,1\} yang nol di luar Ω\Omega (yakni kontur sederhana). Jika

g(z)<f(z)pada imγ,\abs{g(z)} < \abs{f(z)} \qquad \text{pada } \operatorname{im}\gamma,

maka ff dan f+gf + g berakar sama banyak (beserta kelipatannya) di daerah {Indγ=1}\{\operatorname{Ind}_\gamma = 1\}.

Bukti. Untuk t[0,1]t \in \intcc01, ft=f+tgf_t = f + tg tak berakar pada imγ\operatorname{im}\gamma (sebab ftfg>0\abs{f_t} \geq \abs f - \abs g > 0), sehingga

N(t)=12iπγft(z)ft(z) ⁣dzN(t) = \frac1{2\iu\pi}\int_\gamma \frac{f_t'(z)}{f_t(z)}\,\dd z

terdefinisi baik; dan ia mencacah akar di daerah yang terlingkupi (Teorema 17.8; sebab tak ada kutub). Lalu NN bersifat kontinu terhadap tt (sebab integrannya kontinu bersama, dengan penyebutnya terbatas dari bawah secara seragam — lewat kekonvergenan terdominasi) dan bernilai bulat: jadi konstan. Sehingga N(0)=N(1)N(0) = N(1).

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 f(a)=bf(a) = b; maka fbf - b berakar berorde berhingga m1m \geq 1 di aa (menurut teorema keidentikannya: sebab f≢bf \not\equiv b). Pilihlah rr yang fbf - b-nya bebas akar pada Dˉ(a,r){a}\bar D(a, r)\setminus\{a\} (menurut akar terpencilnya) lalu misalkan δ=minza=rf(z)b>0\delta = \min_{\abs{z - a} = r}\abs{f(z) - b} > 0. Untuk wb<δ\abs{w - b} < \delta: pada lingkarannya, (bw)<δfb\abs{(b - w)} < \delta \leq \abs{f - b}, sehingga Rouché (fbf - b terhadap konstanta bwb - w) mengatakan bahwa fwf - w berakar tepat mm kali di D(a,r)D(a, r): sehingga setiap ww semacam itu tercapai — jadi f(D(a,r))D(b,δ)f(D(a,r)) \supseteq D(b, \delta): yakni terbuka. Untuk asas maksimumnya: maksimum f\abs f di interiornya mustahil bagi ff yang tak konstan, sebab petanya di sekitar f(a)f(a) memuat titik bermodulus lebih besar. Untuk balikannya: bijeksi holomorfik ff bersifat terbuka, sehingga f1f^{-1} kontinu; dan akar ff(a)f - f(a) di aa bersifat sederhana (sebab m2m \geq 2 akan memberikan mm prapeta nilai di dekatnya — yang berbeda-beda, karena ff' lenyap hanya di titik terpencil, sehingga di dekat aa ke-mm akar fwf - w bersifat sederhana dan berbeda untuk ww kecil yang generik: yang bertentangan dengan keinjektifannya); lalu f(a)0f'(a) \neq 0 dan hasil bagi selisih f1f^{-1} konvergen: sehingga (f1)(b)=1/f(a)\bigl(f^{-1}\bigr)'(b) = 1/f'(a).

17.5 Latihan

Latihan 17.1

Golongkan kesingularannya di 00 lalu hitunglah residunya:

sinzz,ez1z2,1z(z1)2,coszz3,e1/z,1sinz.\frac{\sin z}{z},\qquad \frac{\eu^z - 1}{z^2},\qquad \frac{1}{z(z-1)^2},\qquad \frac{\cos z}{z^3},\qquad \eu^{1/z},\qquad \frac1{\sin z} .

Berikan pula residu yang ketiga di z=1z = 1 dan yang terakhir di z=πz = \pi.

Solusi

Solusi Latihan 17.1.

sinzz=1z26+\frac{\sin z}z = 1 - \frac{z^2}6 + \cdots: jadi terhapuskan, dengan residu 00. Lalu ez1z2=1z+12+z6+\frac{\eu^z - 1}{z^2} = \frac1z + \frac12 + \frac z6 + \cdots: kutub sederhana, dengan residu 11. Lalu 1z(z1)2\frac1{z(z-1)^2}: kutub sederhana di 00 berresidu 1(01)2=1\frac1{(0-1)^2} = 1; dan kutub rangkap di 11 berresidu  ⁣d ⁣dz(1z)z=1=1\frac{\dd}{\dd z}\bigl(\frac1z\bigr)\big|_{z=1} = -1. Lalu coszz3=1z312z+\frac{\cos z}{z^3} = \frac1{z^3} - \frac1{2z} + \cdots: kutub berorde 33, dengan residu 12-\frac12. Lalu e1/z=n0znn!\eu^{1/z} = \sum_{n\geq0} \frac{z^{-n}}{n!}: hakiki, dengan residu 11. Dan 1sinz\frac1{\sin z}: kutub sederhana di nπn\pi; dengan residu 1cos0=1\frac1{\cos 0} = 1 di 00, dan 1cosπ=1\frac1{\cos\pi} = -1 di π\pi (Metode 17.6, lewat g/hg/h').

Latihan 17.2

Untuk a>1a > 1 hitunglah, lewat z=eitz = \eu^{\iu t}:

02π ⁣dta+cost=2πa21.\int_0^{2\pi}\frac{\dd t}{a + \cos t} = \frac{2\pi}{\sqrt{a^2 - 1}} .

Periksalah perilaku limitnya saat a1+a \to 1^+ dan aa \to \infty.

Solusi

Solusi Latihan 17.2.

Dengan z=eitz = \eu^{\iu t}, cost=z+z12\cos t = \frac{z + z^{-1}}2, dan  ⁣dt= ⁣dziz\dd t = \frac{\dd z}{\iu z}:

02π ⁣dta+cost=z=12 ⁣dzi(z2+2az+1).\int_0^{2\pi}\frac{\dd t}{a + \cos t} = \oint_{\abs z = 1}\frac{2\,\dd z}{\iu\,(z^2 + 2az + 1)} .

Akarnya z±=a±a21z_\pm = -a \pm \sqrt{a^2 - 1} memenuhi z+z=1z_+z_- = 1 dengan z+<1<z\abs{z_+} < 1 < \abs{z_-}; dan residu di z+z_+ adalah 1z+z=12a21\frac{1}{z_+ - z_-} = \frac1{2\sqrt{a^2-1}}, sehingga integralnya 2i2iπ12a21=2πa21\frac2\iu\cdot2\iu\pi\cdot\frac1{2\sqrt{a^2-1}} = \frac{2\pi}{\sqrt{a^2-1}}. Saat a1+a \to 1^+ ia meledak (sebab integrannya memuncak di t=πt = \pi); sedangkan saat aa \to \infty ia berperilaku seperti 2πa\frac{2\pi}a, yang cocok dengan  ⁣dta\int\frac{\dd t}a.

Latihan 17.3 ★★

Hitunglah dengan kontur setengah lingkaran, sambil membenarkan taksiran busurnya:

Rx21+x6 ⁣dx=π3,R ⁣dx(1+x2)2=π2(yang menurunkan kembali Latihan 14.3).\int_\R\frac{x^2}{1 + x^6}\,\dd x = \frac\pi3, \qquad \int_\R\frac{\dd x}{(1 + x^2)^{2}} = \frac\pi2 \quad\text{(yang menurunkan kembali \text{Latihan 14.3})}.
Solusi

Solusi Latihan 17.3.

Untuk integral pertamanya: kutub atas z21+z6\frac{z^2}{1+z^6} di p=eiπ/6,i,e5iπ/6p = \eu^{\iu\pi/6}, \iu, \eu^{5\iu\pi/6}; dan di masing-masingnya, Res=p26p5=p36p6=p36\operatorname{Res} = \frac{p^2}{6p^5} = \frac{p^3}{6p^6} = -\frac{p^3}6, sedangkan p3p^3 bernilai i,i,i\iu, -\iu, \iu: sehingga jumlah residunya i6-\frac{\iu}{6}. Sedangkan busurnya O(R4)O(R)0O(R^{-4})\cdot O(R) \to 0:

Rx2 ⁣dx1+x6=2iπ(i6)=π3.\int_\R\frac{x^2\,\dd x}{1 + x^6} = 2\iu\pi\Bigl(-\frac \iu6\Bigr) = \frac\pi3 .

Untuk yang kedua: kutub rangkap di i\iu milik 1(1+z2)2=1(zi)2(z+i)2\frac1{(1+z^2)^2} = \frac1{(z-\iu)^2(z+\iu)^2}:

Res= ⁣d ⁣dz(z+i)2z=i=2(2i)3=28i=i4,R ⁣dx(1+x2)2=2iπ(i4)=π2,\operatorname{Res} = \frac{\dd}{\dd z}\,(z + \iu)^{-2}\Big|_{z=\iu} = \frac{-2}{(2\iu)^3} = \frac{-2}{-8\iu} = -\frac\iu4, \qquad \int_\R\frac{\dd x}{(1+x^2)^2} = 2\iu\pi\cdot\Bigl(-\frac\iu4\Bigr) = \frac\pi2 ,

yang konsisten dengan Latihan 14.3(b).

Latihan 17.4 ★★

Buktikan, untuk t0t \geq 0 dan a>0a > 0:

Rcos(tx)x2+a2 ⁣dx=πaeat,\int_\R\frac{\cos(tx)}{x^2 + a^2}\,\dd x = \frac{\pi}{a}\,\eu^{-at},

lalu turunkan transformasi Fourier xeaxx \mapsto \eu^{-a\abs x} lewat pembalikannya — sambil membandingkannya dengan Latihan 14.1.

Solusi

Solusi Latihan 17.4.

Tutuplah eitzz2+a2\frac{\eu^{\iu tz}}{z^2 + a^2} di setengah bidang atasnya (dengan t0t \geq 0): sebab di sana eitz=etImz1\abs{\eu^{\iu tz}} = \eu^{-t\operatorname{Im}z} \leq 1, sehingga busurnya menyumbang O(R2)O(R)0O(R^{-2})\cdot O(R) \to 0. Sedangkan satu-satunya kutub terlingkupinya ia\iu a bersifat sederhana dengan residu eat2ia\frac{\eu^{-at}}{2\iu a}:

Reitxx2+a2 ⁣dx=πaeat,sehinggaRcos(tx)x2+a2 ⁣dx=πaeat\int_\R\frac{\eu^{\iu tx}}{x^2 + a^2}\dd x = \frac{\pi}{a}\,\eu^{-at}, \qquad\text{sehingga}\qquad \int_\R\frac{\cos(tx)}{x^2+a^2}\dd x = \frac\pi a\,\eu^{-a\abs t}

(lewat bagian realnya; dan genap terhadap tt). Inilah pasangan pembalikan eax^=2aa2+ξ2\widehat{\eu^{-a\abs x}} = \frac{2a}{a^2+\xi^2} (Latihan 14.1): sehingga kedua perhitungannya saling membenarkan lewat Teorema 14.5.

Latihan 17.5 ★★

Uraikan f(z)=1(z1)(z2)f(z) = \dfrac1{(z-1)(z-2)} menjadi deret Laurent pada masing-masing ketiga daerahnya z<1\abs z < 1, 1<z<21 < \abs z < 2, dan z>2\abs z > 2. Mengapa ketiga uraiannya berbeda? Lalu terangkanlah mengapa koefisien z1z^{-1} pada uraian kedua dan ketiganya bukan residu ff di 00 (sebab ff tak berkesingularan di sana), lalu hitunglah residu ff yang sebenarnya, di 11 dan di 22.

Solusi

Solusi Latihan 17.5.

Untuk pecahan parsialnya: f=1z21z1f = \frac1{z-2} - \frac1{z-1}. Pada z<1\abs z < 1 (lewat Taylor): f=n0(12n1)znf = \sum_{n\geq0}\bigl(1 - 2^{-n-1}\bigr)z^n. Pada 1<z<21 < \abs z < 2: 1z2=n0zn2n+1\frac1{z-2} = -\sum_{n\geq0}\frac{z^n}{2^{n+1}} dan 1z1=n1zn-\frac1{z-1} = -\sum_{n\geq1}z^{-n}: yakni deret dua sisi yang sejati. Sedangkan pada z>2\abs z > 2: f=n1(2n11)znf = \sum_{n\geq1}\bigl(2^{n-1} - 1\bigr)z^{-n}. Ketiganya berbeda sebab uraian Laurent melekat pada anulus, bukan pada titik: sehingga setiap daerahnya mempunyai uraian geometrinya sendiri. Sedangkan koefisien z1z^{-1}-nya (yakni 1-1 dan 00 berturut-turut) merupakan integral atas lingkaran yang melingkari kesingularan di dalamnya, bukan residu di 00 (sebab ff holomorfik di 00): jadi untuk 1<z<21 < \abs z < 2 koefisiennya 1-1 adalah Res(f,1)\operatorname{Res}(f, 1); sedangkan untuk z>2\abs z > 2 koefisiennya 00 adalah Res(f,1)+Res(f,2)=1+1\operatorname{Res}(f,1) + \operatorname{Res}(f,2) = -1 + 1. Adapun residu ff: 1-1 di 11 dan +1+1 di 22.

Latihan 17.6 ★★

(a) Tunjukkan bahwa e1/z\eu^{1/z} berkesingularan hakiki di 00 lalu periksalah Casorati–Weierstrass dengan tangan: selesaikan e1/z=w\eu^{1/z} = w secara eksplisit untuk sembarang w0w \neq 0, sambil menampilkan solusi yang sedekat-dekatnya dengan 00. (b) Tunjukkan bahwa e1/z\abs{\eu^{1/z}} tak terbatas pada setiap persekitaran tertusuk 00 padahal e1/z\eu^{1/z} tak berkutub: limit yang manakah yang gagal?

Solusi

Solusi Latihan 17.6.

(a) Deret Laurentnya nzn/n!\sum_nz^{-n}/n! bersuku negatif tak berhingga banyak: jadi hakiki. Lalu dengan menyelesaikan e1/z=w\eu^{1/z} = w (dengan w0w \neq 0): 1z=logw+iargw+2iπk\frac1z = \log\abs w + \iu\arg w + 2\iu\pi k, sehingga

zk=1logw+iargw+2iπkk0:z_k = \frac1{\log\abs w + \iu\arg w + 2\iu\pi k} \xrightarrow[k\to\infty]{} 0 :

sehingga setiap nilai tak nolnya tercapai tak berhingga sering di dekat 00 — jadi lebih kuat daripada kepadatan. (b) Sepanjang z=1/xz = 1/x dengan x+x \to +\infty: ex\eu^x \to \infty; sedangkan sepanjang z=i/yz = \iu/y: modulusnya 11. Sebuah kutub menuntut f(z)\abs{f(z)} \to \infty sepanjang setiap pendekatan: sedangkan di sini limitnya sekadar tak ada, bahkan di [0,+][0, +\infty].

Latihan 17.7 ★★

Cacahlah dengan Rouché: (a) akar z74z3+z1z^7 - 4z^3 + z - 1 di z<1\abs z < 1; (b) akar z4+5z+1z^4 + 5z + 1 di z<1\abs z < 1 dan di 1<z<21 < \abs z < 2; (c) lalu buktikan kembali d’Alembert–Gauss: bahwa polinomial monik berderajat nn berakar nn kali di suatu cakram yang besar (bandingkan dengan znz^n).

Solusi

Solusi Latihan 17.7.

(a) Pada z=1\abs z = 1: z7+z13<4=4z3\abs{z^7 + z - 1} \leq 3 < 4 = \abs{-4z^3}. Lalu Rouché dengan f=4z3f = -4z^3 dan g=z7+z1g = z^7 + z - 1: memberikan tiga akar di cakramnya. (b) Pada z=1\abs z = 1: z4+12<5=5z\abs{z^4 + 1} \leq 2 < 5 = \abs{5z}: sehingga satu akar di z<1\abs z < 1. Sedangkan pada z=2\abs z = 2: 5z+111<16=z4\abs{5z + 1} \leq 11 < 16 = \abs{z^4}: sehingga empat akar di z<2\abs z < 2. Karena itu tiga akar di anulusnya. (c) Untuk P=zn+an1zn1+P = z^n + a_{n-1}z^{n-1} + \dots: pada z=R>1+ak\abs z = R > 1 + \sum\abs{a_k}, Pzn(ak)Rn1<Rn=zn\abs{P - z^n} \leq \bigl(\sum\abs{a_k}\bigr)R^{n-1} < R^n = \abs{z^n}: sehingga PP berakar tepat nn kali di D(0,R)D(0, R) — yakni d’Alembert–Gauss beserta kelipatannya, lewat pencacahan belaka.

Latihan 17.8 ★★★

(Hurwitz) Misalkan fnff_n \to f secara seragam pada kompak, dengan fnH(Ω)f_n \in \mathcal H(\Omega), Ω\Omega terhubung, dan f≢0f \not\equiv 0. (a) Tunjukkan bahwa jika semua fnf_n bebas akar, maka demikian pula ff. (Sebab jika f(a)=0f(a) = 0: pakailah asas argumen pada sebuah lingkaran kecil di sekitar aa, lalu Teorema 16.15 untuk mengambil limitnya pada fn/fn\int f_n'/f_n.) (b) Tunjukkan bahwa jika semua fnf_n injektif, maka ff injektif atau konstan. (Terapkan (a) pada zfn(z)fn(w)z \mapsto f_n(z) - f_n(w) di Ω{w}\Omega\setminus\{w\}.)

Solusi

Solusi Latihan 17.8.

(a) Andaikan f(a)=0f(a) = 0 dengan f≢0f \not\equiv 0: pilihlah rr yang ff-nya bebas akar pada lingkaran C=D(a,r)C = \partial D(a, r) (menurut akar terpencilnya) dan m=minCf>0m = \min_C\abs f > 0. Lalu menurut Teorema 16.15, fnff_n \to f dan fnff_n' \to f' secara seragam pada CC; sehingga untuk nn yang besar, fnm/2\abs{f_n} \geq m/2 pada CC, jadi

12iπCfnfn12iπCff1\frac1{2\iu\pi}\int_C\frac{f_n'}{f_n} \longrightarrow \frac1{2\iu\pi}\int_C\frac{f'}{f} \geq 1

(sebab limitnya mencacah akar aa; dan kekonvergenannya karena pembilangnya konvergen seragam sedangkan penyebutnya terbatas seragam dari bawah). Sedangkan ruas kirinya bilangan bulat yang mencacah akar fnf_n di cakramnya: sehingga akhirnya ia haruslah 1\geq 1 — yang bertentangan dengan kebebasan akarnya. Jadi ff bebas akar.

(b) Tetapkan wΩw \in \Omega lalu terapkan (a) pada himpunan terbuka terhubung Ω{w}\Omega\setminus\{w\} (sebab membuang sebuah titik dari himpunan bagian terbuka terhubung C\C mengawetkan keterhubungannya) untuk gn(z)=fn(z)fn(w)g_n(z) = f_n(z) - f_n(w), yang bebas akar di sana menurut keinjektifannya, dan konvergen ke g=ff(w)g = f - f(w). Jika ff tak konstan, maka g≢0g \not\equiv 0 pada Ω{w}\Omega\setminus\{w\}, sehingga gg bebas akar di sana: jadi f(z)f(w)f(z) \neq f(w) untuk setiap zwz \neq w. Dan karena ww sembarang, ff bersifat injektif.

Latihan 17.9 ★★★

Untuk n2n \geq 2, integralkan 11+zn\frac1{1 + z^n} atas batas juringnya {0argz2πn, zR}\{0 \leq \arg z \leq \frac{2\pi}n,\ \abs z \leq R\} lalu turunkan

0+ ⁣dx1+xn=πnsin(π/n).\int_0^{+\infty}\frac{\dd x}{1 + x^n} = \frac{\pi}{n\,\sin(\pi/n)} .

Periksalah n=2n = 2 terhadap arctan\arctan, beserta limitnya saat nn \to \infty.

Solusi

Solusi Latihan 17.9.

Batas juringnya terdiri atas [0,R][0, R], busur ARA_R, dan sinar e2iπ/n[0,R]\eu^{2\iu\pi/n}[0, R] yang dibalik. Di dalamnya terletak satu-satunya kutub p=eiπ/np = \eu^{\iu\pi/n} milik 11+zn\frac1{1+z^n}, dengan residu 1npn1=pnpn=pn\frac1{np^{n-1}} = \frac{p}{np^n} = -\frac pn. Pada sinar kembalinya, z=e2iπ/nxz = \eu^{2\iu\pi/n}x memberikan zn=xnz^n = x^n dan  ⁣dz=e2iπ/n ⁣dx\dd z = \eu^{2\iu\pi/n}\dd x; sedangkan busurnya O(Rn)O(R)0O(R^{-n})\cdot O(R) \to 0. Karena itu

(1e2iπ/n)0 ⁣dx1+xn=2iπ(eiπ/nn),sehingga0 ⁣dx1+xn=2iπn(eiπ/neiπ/n)=πnsin(π/n).\bigl(1 - \eu^{2\iu\pi/n}\bigr) \int_0^\infty\frac{\dd x}{1 + x^n} = 2\iu\pi\Bigl(-\frac{\eu^{\iu\pi/n}}n\Bigr), \quad\text{sehingga}\quad \int_0^\infty\frac{\dd x}{1+x^n} = \frac{2\iu\pi}{n\,\bigl(\eu^{\iu\pi/n} - \eu^{-\iu\pi/n}\bigr)} = \frac{\pi}{n\sin(\pi/n)} .

Untuk n=2n = 2: π2sin(π/2)=π2=[arctan]0\frac\pi{2\sin(\pi/2)} = \frac\pi2 = [\arctan]_0^\infty. Sedangkan saat nn \to \infty: nilainya menuju 11, dan sungguh integrannya menuju 1[0,1)\mathbf 1_{\intco01} (dengan dominasi min(1,x2)\min(1, x^{-2}) bagi kekonvergenan terdominasinya untuk n2n \geq 2).

Latihan 17.10 ★★

Misalkan ff sebuah fungsi rasional dengan deg(penyebut)deg(pembilang)+2\deg(\text{penyebut}) \geq \deg(\text{pembilang}) + 2. Tunjukkan bahwa jumlah semua residu ff bernilai nol (integralkan atas lingkaran yang makin besar). Lalu pakailah ini untuk menghitung ulang penguraian pecahan parsial 1z(z1)(z2)\frac1{z(z-1)(z-2)} tanpa aljabar linear.

Solusi

Solusi Latihan 17.10.

Pada z=R\abs z = R yang besar, fCR2\abs f \leq C R^{-2}: sehingga CRf2πRCR20\abs{\oint_{C_R} f} \leq 2\pi R\cdot CR^{-2} \to 0. Padahal untuk RR di luar semua kutubnya, teorema residunya memberikan CRf=2iπsemua pRes(f,p)\oint_{C_R}f = 2\iu\pi\sum_{\text{semua }p}\operatorname{Res}(f, p): sehingga jumlah totalnya lenyap. Untuk f=1z(z1)(z2)f = \frac1{z(z-1)(z-2)}: residunya 1(1)(2)=12\frac1{(-1)(-2)} = \frac12 di 00, 11(1)=1\frac1{1\cdot(-1)} = -1 di 11, dan 121=12\frac1{2\cdot1} = \frac12 di 22 — yang berjumlah 00 seperti diramalkan, dan

1z(z1)(z2)=1/2z1z1+1/2z2:\frac1{z(z-1)(z-2)} = \frac{1/2}{z} - \frac1{z - 1} + \frac{1/2}{z-2} :

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 0<a<10 < a < 1, hitunglah

I(a)=0xa11+x ⁣dx=πsin(πa)I(a) = \int_0^{\infty}\frac{x^{a-1}}{1 + x}\,\dd x = \frac{\pi}{\sin(\pi a)}

dengan mengintegralkan f(z)=za11+z=e(a1)logz1+zf(z) = \frac{z^{a-1}}{1+z} = \frac{\eu^{(a-1)\log z}}{1 + z} (dengan logaritmanya teriris sepanjang R+\R_+ dan argz(0,2π)\arg z \in \intoo0{2\pi}) atas kontur lubang kuncinya: keluar sepanjang sisi atas irisannya dari ε\varepsilon ke RR, mengelilingi CRC_R, kembali di bawah irisannya, lalu mengelilingi CεC_\varepsilon. Benarkanlah: bahwa kedua penggal lurusnya berselisih sebesar faktor e2iπ(a1)\eu^{2\iu\pi(a-1)}, sumbangan lingkarannya lenyap (sebab Ra1R0R^{a-1}\cdot R \to 0 dan εa1ε0\varepsilon^{a-1}\cdot\varepsilon \to 0), dan satu-satunya kutubnya z=1z = -1 berresidu eiπ(a1)\eu^{\iu\pi(a - 1)}. Lalu turunkan pula Γ(a)Γ(1a)=πsinπa\Gamma(a)\Gamma(1 - a) = \frac\pi{\sin\pi a} (tulislah Γ(a)Γ(1a)=B(a,1a)\Gamma(a)\Gamma(1-a) = B(a, 1-a) menurut Soal 10.1 lalu substitusikan t=x1+xt = \frac{x}{1+x}).

Solusi

Solusi Latihan 17.11.

Pada lubang kuncinya, dengan penentuan yang dipilih: tepat di atas irisannya, logz=lnx\log z = \ln x; sedangkan tepat di bawahnya, logz=lnx+2iπ\log z = \ln x + 2\iu\pi. Lalu keempat kepingannya memberikan

(1e2iπ(a1))εRxa11+x ⁣dx+CR+Cε=2iπRes(f,1).\Bigl(1 - \eu^{2\iu\pi(a-1)}\Bigr)\int_\varepsilon^R \frac{x^{a-1}}{1+x}\dd x + \int_{C_R} + \int_{C_\varepsilon} = 2\iu\pi\operatorname{Res}(f, -1) .

Untuk busurnya: fRa1R1\abs{f} \leq \frac{R^{a-1}}{R - 1} pada CRC_R yang berpanjang 2πR2\pi R: sehingga sumbangannya O(Ra1)0O(R^{a-1}) \to 0 (sebab a<1a < 1); sedangkan fεa11ε\abs f \leq \frac{\varepsilon^{a-1}}{1 - \varepsilon} pada CεC_\varepsilon yang berpanjang 2πε2\pi\varepsilon: jadi O(εa)0O(\varepsilon^a) \to 0 (sebab a>0a > 0). Untuk residunya: di z=1=eiπz = -1 = \eu^{\iu\pi}, Res=e(a1)iπ\operatorname{Res} = \eu^{(a-1)\iu\pi}. Karena itu

I(a)=2iπeiπ(a1)1e2iπ(a1)=2iπeiπ(a1)eiπ(a1)=πsin(π(a1))=πsinπa.I(a) = \frac{2\iu\pi\,\eu^{\iu\pi(a-1)}}{1 - \eu^{2\iu\pi(a-1)}} = \frac{2\iu\pi}{\eu^{-\iu\pi(a-1)} - \eu^{\iu\pi(a-1)}} = \frac{\pi}{-\sin(\pi(a-1))} = \frac{\pi}{\sin\pi a} .

Untuk pencerminan Gammanya: B(a,1a)=01ta1(1t)a ⁣dtB(a, 1-a) = \int_0^1t^{a-1}(1-t)^{-a}\dd t; lalu substitusi t=x1+xt = \frac x{1+x} dengan 1t=11+x1 - t = \frac1{1+x} dan  ⁣dt= ⁣dx(1+x)2\dd t = \frac{\dd x}{(1+x)^2} mengubahnya menjadi 0xa11+x ⁣dx=I(a)\int_0^\infty \frac{x^{a-1}}{1+x}\dd x = I(a), dan rumus Euler B(a,1a)=Γ(a)Γ(1a)/Γ(1)B(a, 1-a) = \Gamma(a)\Gamma(1-a)/\Gamma(1) (Soal 10.1) memberikan Γ(a)Γ(1a)=πsinπa\Gamma(a)\Gamma(1-a) = \frac\pi{\sin\pi a} — yang khususnya memberikan Γ(12)=π\Gamma(\tfrac12) = \sqrt\pi sekali lagi.

Latihan 17.12 ★★

(Mencacah akar lewat asas argumen, secara numerik) Misalkan P(z)=z4+8z+1P(z) = z^4 + 8z + 1. (a) Berapa akarnya di cakram satuannya? (Pakai Rouché terhadap 8z+18z + 1.) (b) Berapa akarnya di anulus 1<z<31 < \abs z < 3? (Pakai Rouché terhadap z4z^4 pada z=3\abs z = 3.) Lalu tajamkanlah: tunjukkan bahwa setiap akarnya bermodulus <2.1< 2.1. (c) Berapa akarnya di setengah bidang kanannya? (Cacahlah pada z=2\abs z = 2 lebih dahulu; lalu lacaklah peta sumbu imajinernya: sebab P(it)=t4+1+8itP(\iu t) = t^4 + 1 + 8\iu t 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 z=1\abs z = 1: z4=1<78z+1\abs{z^4} = 1 < 7 \leq \abs{8z + 1} (sebab 8z1=7\abs{8z} - 1 = 7): sehingga PP berakar di D\mathbb D sebanyak 8z+18z + 1, yakni satu (di 18-\frac18).

(b) Pada z=3\abs z = 3: 8z+125<81=z4\abs{8z + 1} \leq 25 < 81 = \abs{z^4}: sehingga Rouché terhadap z4z^4 memberikan keempat akarnya di z<3\abs z < 3, jadi 41=34 - 1 = 3 akar di anulus 1<z<31 < \abs z < 3. Untuk penajamannya: sebuah akar dengan z=r2.1\abs z = r \geq 2.1 akan memenuhi r4=8z+18r+1r^4 = \abs{8z + 1} \leq 8r + 1, padahal r48r1r^4 - 8r - 1 naik untuk r2r \geq 2 dan bernilai 19.4516.81=1.65>019.45 - 16.8 - 1 = 1.65 > 0 di r=2.1r = 2.1: jadi mustahil. Sehingga ketiga akar luarnya terletak di 1<z<2.11 < \abs z < 2.1. (Secara numerik: sebuah akar real di dekat 1.95-1.95 dan sepasang sekawan di dekat 1.04±1.73i1.04 \pm 1.73\iu yang bermodulus 2.022.02 — itulah mengapa percobaan Rouché pada jari-jari tepat 22 pasti gagal: sebab teoremanya menuntut dominasi yang sejati, sedangkan akarnya duduk tepat di luar.)

(c) Tak ada akar pada iR\iu\R: sebab ReP(it)=t4+11\operatorname{Re}P(\iu t) = t^4 + 1 \geq 1. Untuk akar di setengah bidang kanannya: pakailah asas argumen pada batas setengah cakram {zR, Rez0}\{\abs z \leq R,\ \operatorname{Re}z \geq 0\}. Pada busur besarnya, argPargz4\arg P \approx \arg z^4 berputar sebesar 4π=2π24\cdot\pi = 2\pi\cdot2 (sebab busurnya merentang sudut π\pi). Sedangkan sepanjang sumbu imajinernya dari iR\iu R turun ke iR-\iu R: P(it)=(t4+1)+8itP(\iu t) = (t^4 + 1) + 8\iu t tetap di setengah bidang kanannya (sebab Re>0\operatorname{Re} > 0), sehingga argP\arg P beragam di dalam (π/2,π/2)\intoo{-\pi/2}{\pi/2} dan kembali dengan perubahan neto 0\to 0 saat RR \to \infty (sebab ujungnya sama-sama argt4=0\approx \arg t^4 = 0). Jadi lilitan totalnya: 4π+02π=2\frac{4\pi + 0} {2\pi} = 2: yakni dua akar di setengah bidang kanannya — yang konsisten dengan numeriknya: sebab sepasang sekawan di 1.04±1.73i\approx 1.04 \pm 1.73\iu berbagian real positif, sedangkan akar realnya 0.125\approx -0.125 dan 1.96\approx -1.96 negatif.

17.6 Soal: ζ(2k)\zeta(2k) lewat kotangen

Soal 17.1

Soal akhir pekan — menjumlahkan n2k\sum n^{-2k} dengan residu

Teorema residu menjumlahkan deret: sebab memasangkan sebuah fungsi rasional dengan πcot(πz)\pi\cot(\pi z), yang kutubnya duduk di bilangan bulat, mengubah nf(n)\sum_{n}f(n) menjadi pencacahan residu. Kita membuktikan metodenya lalu menghitung ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6} dan ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90} — 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.

  1. Tunjukkan bahwa πcot(πz)\pi\cot(\pi z) bersifat meromorfik pada C\C dengan kutub sederhana tepat di z=nZz = n \in \Z, yang masing-masing berresidu 11 (hitunglah limzn(zn)πcotπz\lim_{z\to n}(z-n)\pi\cot\pi z).
  2. Hitunglah awal uraian Laurentnya di 00:

    πcot(πz)=1zπ23zπ445z3+O(z5),\pi\cot(\pi z) = \frac1z - \frac{\pi^2}{3}\,z - \frac{\pi^4}{45}\,z^3 + O(z^5) ,

    dengan membagi deret pangkat cos\cos oleh deret sin\sin (dan benarkanlah pembagiannya: sebab sinπzπz\frac{\sin\pi z}{\pi z} holomorfik dan tak nol di dekat 00, sehingga kebalikannya holomorfik; lalu kenali koefisiennya sampai orde 33).

  3. Misalkan CNC_N batas bujur sangkar bertitik sudut (±1±i)(N+12)(\pm1\pm\iu)(N + \frac12). Tunjukkan bahwa cot(πz)2\abs{\cot(\pi z)} \leq 2 pada CNC_N untuk setiap N1N \geq 1. (Pada sisi tegaknya, cot(π(±(N+12)+iy))=tan(iπy)\cot(\pi(\pm(N + \frac12) + \iu y)) = \mp\tan(\iu\pi y), yang bermodulus tanh(πy)1\abs{\tanh(\pi y)} \leq 1; sedangkan pada sisi mendatarnya dengan y=N+12\abs y = N + \frac12, batasilah cot(π(x±iy))coth(πy)coth(π/2)<1.1\abs{\cot(\pi(x\pm\iu y))} \leq \coth(\pi y) \leq \coth(\pi/2) < 1.1.)

Bagian II — Teorema penjumlahannya.

  1. Misalkan ff rasional, holomorfik di bilangan bulatnya, dengan deg(penyebut)deg(pembilang)+2\deg(\text{penyebut}) \geq \deg(\text{pembilang}) + 2. Dengan memakai teorema residu pada CNC_N dan batas pertanyaan 3, buktikan:

    limN n=NNf(n)=p kutub fRes(πcot(πz)f(z),p).\lim_{N\to\infty}\ \sum_{n = -N}^{N} f(n) = -\sum_{p\ \text{kutub}\ f} \operatorname{Res}\bigl(\pi\cot(\pi z)f(z),\,p\bigr).
  2. Di manakah argumennya memerlukan syarat derajatnya? Tunjukkan lewat contoh (ambillah f(z)=1/(z+12)f(z) = 1/(z + \frac12)) 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.

  1. Terapkan metodenya pada f(z)=1/z2f(z) = 1/z^2: di sini ff berkutub di sebuah bilangan bulat, sehingga jalankanlah argumennya secara langsung — integralkan g(z)=πcot(πz)z2g(z) = \frac{\pi\cot(\pi z)}{z^2} atas CNC_N, tunjukkan bahwa integralnya 0\to 0, lalu hitunglah Res(g,0)\operatorname{Res}(g, 0) dari pertanyaan 2. Lalu simpulkan:

    2n11n2=π23,ζ(2)=π26.2\sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}{3}, \qquad \zeta(2) = \frac{\pi^2}6 .
  2. Lakukan hal yang sama dengan g(z)=πcot(πz)z4g(z) = \frac{\pi\cot(\pi z)}{z^4}: hitunglah Res(g,0)\operatorname{Res}(g, 0) lalu turunkan ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}.
  3. Terangkan pola umumnya: bahwa untuk setiap k1k \geq 1, ζ(2k)\zeta(2k) adalah 12-\frac12 kali koefisien z2k1z^{2k-1} pada uraian Laurent πcot(πz)\pi\cot(\pi z) di 00 — yakni kelipatan rasional π2k\pi^{2k}. Lalu hitunglah ζ(6)\zeta(6) dengan mendorong pembagian pertanyaan 2 satu langkah lagi. Apa yang dikatakan metodenya tentang ζ(3)\zeta(3) — dan mengapa ia tak mengatakan apa-apa?

Bagian IV — Uraian pecahan parsial kotangennya.

  1. Tetapkan wCZw \in \C\setminus\Z lalu terapkan metode Bagian II pada f(z)=1(zw)(z+w)f(z) = \dfrac{1}{(z - w)(z + w)} — sambil mencatat bahwa πcot(πz)f(z)\pi\cot(\pi z)f(z) kini berkutub sederhana tambahan di ±w\pm w, yang residunya harus turut dicacah. Lalu turunkan uraian pecahan parsialnya

    πcot(πw)=1w+n12ww2n2,\pi\cot(\pi w) = \frac1w + \sum_{n\geq1}\frac{2w}{w^2 - n^2},

    dengan deretnya konvergen normal pada himpunan bagian kompak CZ\C\setminus\Z.

  2. Pulihkan dari uraian ini, dengan menguraikan setiap sukunya dalam pangkat ww (benarkanlah penukarannya), koefisien Laurent yang sama seperti pada pertanyaan 2 — sehingga lingkarannya menutup: yakni rumus Euler 1n2=π26\sum\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6 merupakan koefisien ww 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.

  1. Untuk N1N \geq 1 tetapkan PN(z)=zn=1N(1z2n2)P_N(z) = z\prod_{n=1}^{N}\bigl(1 - \frac{z^2}{n^2}\bigr). Tunjukkan bahwa PNP_N konvergen, secara seragam pada setiap cakram Dˉ(0,R)\bar D(0, R), ke sebuah fungsi utuh PP yang akarnya tepat bilangan bulat dan semuanya sederhana. (Untuk n2Rn \geq 2R tulislah faktornya sebagai explog(1z2/n2)\exp\log(1 - z^2/n^2) dengan logaritma pokok Latihan 16.3, batasilah log(1+u)2u\abs{\log(1+u)} \leq 2\abs u untuk u12\abs u \leq \frac12 lewat deretnya, lalu eksponensialkan jumlah logaritmanya yang konvergen normal; sedangkan berhingga banyak faktor sisanya merupakan polinomial. Lalu simpulkan dengan Teorema 16.15.)
  2. Tunjukkan bahwa pada CZ\C\setminus\Z,

    P(z)P(z)=1z+n12zz2n2=πcot(πz)\frac{P'(z)}{P(z)} = \frac1z + \sum_{n\geq1}\frac{2z}{z^2 - n^2} = \pi\cot(\pi z)

    (turunkanlah hasil kali berhingganya, lalu ambil limitnya dengan memakai Teorema 16.15 dan kebebasan akar PP di luar Z\Z, lalu kutiplah pertanyaan 9).

  3. Tunjukkan bahwa Q=sin(πz)/P(z)Q = \sin(\pi z)/P(z) diperluas menjadi fungsi utuh yang bebas akar dengan Q=0Q' = 0, lalu simpulkan hasil kali Euler:

    sin(πz)=πzn1(1z2n2)(zC).\sin(\pi z) = \pi z\prod_{n\geq1} \Bigl(1 - \frac{z^2}{n^2}\Bigr) \qquad (z \in \C) .
  4. (Wallis, 1655) Nilaikan di z=12z = \frac12:

    π2=n14n24n21=limN2244(2N)(2N)1335(2N1)(2N+1).\frac\pi2 = \prod_{n\geq1}\frac{4n^2}{4n^2 - 1} = \lim_{N\to\infty} \frac{2\cdot2\cdot4\cdot4\cdots(2N)(2N)} {1\cdot3\cdot3\cdot5\cdots(2N-1)(2N+1)} .
  5. Untuk z<1\abs z < 1, uraikan logaritma hasil kalinya menjadi deret rangkap (benarkanlah penyusunan ulangnya) lalu pulihkan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 dengan mencocokkan koefisien z3z^3 pada sin(πz)=πzπ36z3+\sin(\pi z) = \pi z - \frac{\pi^3}6z^3 + \cdots — yakni wajah hasil kali bilangan Euler itu.

Bagian VI — Kernel saudaranya. Kotangennya bersaudara; dan masing-masing menghargai keluarga deretnya sendiri.

  1. Turunkan uraian pertanyaan 9 suku demi suku (yang dibenarkan Teorema 16.15) untuk memperoleh, secara normal pada kompak CZ\C\setminus\Z,

    π2sin2(πz)=nZ1(zn)2.\frac{\pi^2}{\sin^2(\pi z)} = \sum_{n\in\Z}\frac1{(z - n)^2} .
  2. Nilaikan di z=12z = \frac12: m01(2m+1)2=π28\sum_{m\geq0}\frac1{(2m+1)^2} = \frac{\pi^2}8; lalu pulihkan ζ(2)\zeta(2) sekali lagi dengan memisahkan bilangan bulatnya menurut paritas.
  3. Periksalah identitas penggandaan tanθ=cotθ2cot(2θ)\tan\theta = \cot\theta - 2\cot(2\theta) lalu turunkan

    πtan(πz)=m08z(2m+1)24z2,\pi\tan(\pi z) = \sum_{m\geq0}\frac{8z}{(2m+1)^2 - 4z^2} ,

    secara normal pada kompak yang menghindari 12+Z\frac12 + \Z.

  4. Uraikan di sekitar 00 (dengan z<12\abs z < \frac12; lewat Fubini lagi): dengan λ(s)=m0(2m+1)s\lambda(s) = \sum_{m\geq0}(2m+1)^{-s},

    πtan(πz)=k084kλ(2k+2)z2k+1;\pi\tan(\pi z) = \sum_{k\geq0}8\cdot4^k\,\lambda(2k+2)\,z^{2k+1} ;

    lalu bandingkan dengan tanu=u+u33+O(u5)\tan u = u + \frac{u^3}3 + O(u^5) untuk memulihkan λ(2)=π28\lambda(2) = \frac{\pi^2}8 dan memperoleh λ(4)=π496\lambda(4) = \frac{\pi^4}{96}, lalu periksa silang ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90} lewat λ(4)=(124)ζ(4)\lambda(4) = (1 - 2^{-4})\,\zeta(4).

  5. Periksalah 1sinθ=cotθ2cotθ\frac1{\sin\theta} = \cot\frac\theta2 - \cot\theta lalu turunkan

    πsin(πz)=1z+n1(1)n2zz2n2.\frac{\pi}{\sin(\pi z)} = \frac1z + \sum_{n\geq1}(-1)^n\,\frac{2z}{z^2 - n^2} .

    Lalu periksalah tandanya terhadap residu π/sin(πz)\pi/\sin(\pi z) di bilangan bulatnya.

  6. Bacalah koefisien zz-nya: η(2)=n1(1)n1n2=π212\eta(2) = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \frac{\pi^2}{12}, lalu benarkanlah kekonsistenannya η(2)=(1212)ζ(2)\eta(2) = (1 - 2^{1-2})\,\zeta(2).
  7. (Penutup) Nilaikan uraian pertanyaan 20 di z=12z = \frac12 lalu turunkan rumus Leibniz

    π4=113+1517+\frac\pi4 = 1 - \frac13 + \frac15 - \frac17 + \cdots

    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 ζ(3)\zeta(3).

Bagian VII — Daftar harga lengkapnya: bilangan Bernoulli.

  1. Gabungkan uraian pecahan parsial πzcot(πz)\pi z\cot(\pi z) dengan fungsi pembangkit bilangan Bernoulli (yakni wew1=nBnn!wn\frac{w}{\eu^w - 1} = \sum_n\frac{B_n}{n!}w^n, Soal 16.1, Bagian VI): dari

    πzcot(πz)=iπz+2iπze2iπz1\pi z\cot(\pi z) = \iu\pi z + \frac{2\iu\pi z}{\eu^{2\iu\pi z} - 1}

    (buktikanlah identitas ini lebih dahulu), turunkan bentuk tertutupnya

    ζ(2k)=(1)k+1(2π)2kB2k2(2k)!(k1).\zeta(2k) = (-1)^{k+1}\, \frac{(2\pi)^{2k}\,B_{2k}}{2\,(2k)!} \qquad (k \geq 1).
  2. Periksalah rumusnya terhadap B2=16B_2 = \frac16, B4=130B_4 = -\frac1{30}, dan B6=142B_6 = \frac1{42}: pulihkan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 dan ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}, lalu hitunglah ζ(6)=π6945\zeta(6) = \frac{\pi^6}{945}.
  3. (Rekursi Euler) Uraikan kedua ruas (zcotz)=cotzz(1+cot2z)\bigl(z\cot z\bigr)' = \cot z - z(1 + \cot^2z) — atau kuadratkan deret kotangennya secara langsung — untuk membuktikan

    (k+12)ζ(2k)=j=1k1ζ(2j)ζ(2k2j)(k2),\Bigl(k + \frac12\Bigr)\zeta(2k) = \sum_{j=1}^{k-1}\zeta(2j)\,\zeta(2k - 2j) \qquad (k \geq 2),

    lalu periksalah bahwa ia menghitung ζ(4)\zeta(4) dari ζ(2)\zeta(2) dan ζ(6)\zeta(6) dari ζ(2),ζ(4)\zeta(2), \zeta(4) — yakni semua nilai zeta genap dari satu benih π26\frac{\pi^2}6, tanpa pengintegralan yang baru.

Solusi

Solusi Soal 17.1.

1. Fungsi sin(πz)\sin(\pi z) berakar sederhana tepat di Z\Z (sebab sinπz=0\sin\pi z = 0 jika dan hanya jika zZz \in \Z, dan (sinπz)=πcosπz0(\sin\pi z)' = \pi\cos\pi z \neq 0 di sana), dan cos(πn)0\cos(\pi n) \neq 0: sehingga πcot(πz)=πcos(πz)/sin(πz)\pi\cot(\pi z) = \pi\cos(\pi z)/\sin(\pi z) berkutub sederhana di Z\Z dengan

Res(πcotπz, n)=πcos(πn)πcos(πn)=1\operatorname{Res}(\pi\cot\pi z,\ n) = \frac{\pi\cos(\pi n)}{\pi\cos(\pi n)} = 1

(lewat aturan g/hg/h', Metode 17.6).

2. Fungsi sin(πz)πz=1(πz)26+(πz)4120\frac{\sin(\pi z)}{\pi z} = 1 - \frac{(\pi z)^2}6 + \frac{(\pi z)^4}{120} - \cdots bersifat holomorfik dan tak nol di dekat 00: sehingga kebalikannya holomorfik (Definisi 16.1: lewat hasil baginya), dengan deret 1+(πz)26+7(πz)4360+1 + \frac{(\pi z)^2}{6} + \frac{7(\pi z)^4}{360} + \cdots (kenalilah: yakni koefisien bergaya (1u)1(1 - u)^{-1} dari u=(πz)26(πz)4120u = \frac{(\pi z)^2}6 - \frac{(\pi z)^4}{120}: sehingga koefisien z4z^4-nya adalah 1361120=7360\frac1{36} - \frac1{120} = \frac{7}{360}). Lalu kalikan dengan cos(πz)=1(πz)22+(πz)424\cos(\pi z) = 1 - \frac{(\pi z)^2}2 + \frac{(\pi z)^4}{24} - \cdots lalu bagilah dengan zz:

πcot(πz)=1z[1+π2z2(1612)+π4z4(7360112+124)]+=1zπ23zπ445z3\pi\cot(\pi z) = \frac1z\Bigl[1 + \pi^2z^2\Bigl(\frac16 - \frac12\Bigr) + \pi^4z^4\Bigl(\frac7{360} - \frac1{12} + \frac1{24}\Bigr)\Bigr] + \cdots = \frac1z - \frac{\pi^2}3\,z - \frac{\pi^4}{45}\,z^3 - \cdots

(sebab 736030360+15360=8360=145\frac7{360} - \frac{30}{360} + \frac{15}{360} = -\frac8{360} = -\frac1{45}).

3. Untuk sisi tegaknya z=±(N+12)+iyz = \pm(N + \frac12) + \iu y: menurut keperiodikan-π\pi cot\cot, cot(πz)=cot(±π2+iπy)=tan(iπy)=itanh(πy)\cot(\pi z) = \cot(\pm\frac\pi2 + \iu\pi y) = -\tan(\iu\pi y) = -\iu\tanh(\pi y), yang bermodulus 1\leq 1. Sedangkan untuk sisi mendatarnya z=x±i(N+12)z = x \pm \iu(N + \frac12): dari cot(a+ib)2=cos2a+sinh2bsin2a+sinh2b1+sinh2bsinh2b=coth2b\abs{\cot(a + \iu b)}^2 = \frac{\cos^2a + \sinh^2b}{\sin^2a + \sinh^2b} \leq \frac{1 + \sinh^2b}{\sinh^2b} = \coth^2 b,

cot(πz)coth(π(N+12))coth(π/2)<1.1.\abs{\cot(\pi z)} \leq \coth\bigl(\pi(N + \tfrac12)\bigr) \leq \coth(\pi/2) < 1.1 .

Jadi kedua batasnya 2\leq 2.

4. Terapkan Teorema 17.5 pada F(z)=πcot(πz)f(z)F(z) = \pi\cot(\pi z)f(z) di CNC_N (dengan NN di luar semua kutub ff):

12iπCNF=n=NNf(n)+pRes(F,p),\frac1{2\iu\pi}\oint_{C_N}F = \sum_{n=-N}^{N}f(n) + \sum_p\operatorname{Res}(F, p),

dengan kutub bulatnya menyumbang f(n)f(n) (pertanyaan 1; sebab ff holomorfik di sana). Pada CNC_N: F2πCz22πCN2\abs F \leq 2\pi\cdot C\abs z^{-2} \leq 2\pi C N^{-2}, dan kelilingnya 8(N+12)8(N + \frac12): sehingga integralnya O(1/N)0O(1/N) \to 0. Lalu biarkan NN \to \infty: diperolehlah rumus penjumlahan yang ditampilkan itu.

5. Peluruhan f=O(z2)\abs f = O(\abs z^{-2}) membunuh integral konturnya sekaligus membuat f(n)\sum\abs{f(n)} konvergen. Untuk f(z)=1z+12f(z) = \frac1{z + \frac12}: jumlah setangkupnya NN1n+12\sum_{-N}^N\frac1{n + \frac12} berteleskop menjadi 00 (sebab suku nn dan n1-n - 1 saling meniadakan), dan ruas kanannya adalah Res(πcotπzz+12,12)=πcot(π2)=0-\operatorname{Res}\bigl(\frac{\pi\cot\pi z}{z + \frac12}, -\frac12\bigr) = -\pi\cot(-\frac\pi2) = 0: jadi konsisten — padahal f(n)\sum\abs{f(n)} divergen; sehingga metodenya menghitung limit setangkupnya (yakni nilai pokoknya) saja.

6. Untuk g(z)=πcot(πz)z2g(z) = \frac{\pi\cot(\pi z)}{z^2}: kutubnya di bilangan bulat tak nol dengan residu 1n2\frac1{n^2}, dan di 00 tempat, menurut pertanyaan 2,

g(z)=1z3π23zπ445z:Res(g,0)=π23.g(z) = \frac1{z^3} - \frac{\pi^2}{3z} - \frac{\pi^4}{45}z - \cdots : \qquad \operatorname{Res}(g, 0) = -\frac{\pi^2}3 .

Sedangkan integral konturnya atas CNC_N menuju 00 seperti pada pertanyaan 4 (sebab g=O(N2)\abs{g} = O(N^{-2}) pada CNC_N). Karena itu 0=n01n2π230 = \sum_{n\neq0}\frac1{n^2} - \frac{\pi^2}3: sehingga 2ζ(2)=π232\zeta(2) = \frac{\pi^2}3 dan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6.

7. Untuk g(z)=πcot(πz)z4=1z5π23z3π445zg(z) = \frac{\pi\cot(\pi z)}{z^4} = \frac1{z^5} - \frac{\pi^2}{3z^3} - \frac{\pi^4}{45z} - \cdots: residunya di 00 sama dengan π445-\frac{\pi^4}{45}, dan 0=2ζ(4)π4450 = 2\zeta(4) - \frac{\pi^4}{45}: sehingga ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}.

8. Dengan g=πcot(πz)/z2kg = \pi\cot(\pi z)/z^{2k}: residunya di 00 adalah koefisien a2k1a_{2k-1} milik z2k1z^{2k-1} pada uraian πcot(πz)\pi\cot(\pi z), dan konturnya yang lenyap memberikan 2ζ(2k)+a2k1=02\zeta(2k) + a_{2k-1} = 0: sehingga ζ(2k)=a2k1/2\zeta(2k) = -a_{2k-1}/2, yakni kelipatan rasional π2k\pi^{2k} sebab koefisien kotangennya demikian. Lalu satu langkah pembagian lagi melahirkan a5=2π6945a_5 = -\frac{2\pi^6}{945}, sehingga ζ(6)=π6945\zeta(6) = \frac{\pi^6}{945}. Untuk ζ(3)\zeta(3): kernel alaminya g=πcot(πz)/z3g = \pi\cot(\pi z)/z^3 menghasilkan n01n3=0\sum_{n\neq0}\frac1{n^3} = 0 menurut kegasalannya — sehingga metodenya membuktikan 0=00 = 0 dan secara struktural buta terhadap nilai zeta gasalnya (sebab tak ada bentuk tertutup ζ(3)\zeta(3) yang dikenal; dan keirasionalannya, menurut Apéry 1978, memerlukan gagasan yang sama sekali berbeda).

9. Fungsi F(z)=πcot(πz)(zw)(z+w)F(z) = \frac{\pi\cot(\pi z)}{(z - w)(z + w)} berkutub di bilangan bulatnya (dengan residu 1n2w2\frac1{n^2 - w^2}, sambil mencatat tandanya: f(n)=1(nw)(n+w)=1n2w2f(n) = \frac1{(n-w)(n+w)} = \frac1{n^2 - w^2}) dan berkutub sederhana di ±w\pm w dengan residu πcot(±πw)±2w=πcot(πw)2w\frac{\pi\cot(\pm\pi w)}{\pm2w} = \frac{\pi\cot(\pi w)}{2w} masing-masing (sebab cot\cot gasal). Lalu argumen pertanyaan 4 (dengan f=O(z2)\abs f = O(\abs z^{-2})) memberikan

nZ1n2w2+πcot(πw)w=0,yakniπcot(πw)=1w+n12ww2n2,\sum_{n\in\Z}\frac1{n^2 - w^2} + \frac{\pi\cot(\pi w)}{w} = 0, \qquad\text{yakni}\qquad \pi\cot(\pi w) = \frac1w + \sum_{n\geq1}\frac{2w}{w^2 - n^2},

(sebab suku n=0n = 0-nya adalah 1w2-\frac1{w^2}; lalu kelompokkan ulang ±n\pm n). Untuk kekonvergenan normalnya pada kompak CZ\C\setminus\Z: bagi wR\abs w \leq R dan n2Rn \geq 2R, 2ww2n22Rn2R28R3n2\abs{\frac{2w}{w^2 - n^2}} \leq \frac{2R}{n^2 - R^2} \leq \frac{8R}{3n^2}.

10. Untuk wr<1\abs w \leq r < 1: 2ww2n2=2wn211w2/n2=2k0w2k+1n2k+2\frac{2w}{w^2 - n^2} = -\frac{2w}{n^2}\cdot\frac1{1 - w^2/n^2} = -2\sum_{k\geq0}\frac{w^{2k+1}}{n^{2k+2}}, dengan sukunya2r2k+1/n2k+2\abs{\text{sukunya}} \leq 2r^{2k+1}/n^{2k+2}, yang terjumlahkan atas (n,k)(n, k): sehingga Fubini untuk deret menyusun ulangnya menjadi

πcot(πw)=1w2k0ζ(2k+2)w2k+1.\pi\cot(\pi w) = \frac1w - 2\sum_{k\geq0}\zeta(2k+2)\,w^{2k+1} .

Lalu dengan mencocokkannya terhadap pertanyaan 2: 2ζ(2)=π23-2\zeta(2) = -\frac{\pi^2}3 dan 2ζ(4)=π445-2\zeta(4) = -\frac{\pi^4}{45} — yakni nilai yang sama. Jadi tiga jalan menuju π26\frac{\pi^2}6: 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 R1R \geq 1 lalu misalkan n0n_0 bilangan bulat terkecil yang 2R\geq 2R. Untuk zR\abs z \leq R dan nn0n \geq n_0: z2/n214\abs{z^2/n^2} \leq \frac14, sehingga 1z2/n2Dˉ(1,14)1 - z^2/n^2 \in \bar D(1, \frac14), tempat logaritma pokoknya bersifat holomorfik, dan

log(1z2n2)k11kz2n2kz2/n21z2/n22R2n2:\Bigl|\log\Bigl(1 - \frac{z^2}{n^2}\Bigr)\Bigr| \leq \sum_{k\geq1}\frac1k\,\Bigl|\frac{z^2}{n^2}\Bigr|^k \leq \frac{\abs{z^2/n^2}}{1 - \abs{z^2/n^2}} \leq \frac{2R^2}{n^2} :

sehingga jumlahnya S(z)=nn0log(1z2/n2)S(z) = \sum_{n\geq n_0}\log(1 - z^2/n^2) konvergen normal pada Dˉ(0,R)\bar D(0, R), dengan jumlah parsial SNS_N yang holomorfik dan SN2R2ζ(2)\abs{S_N} \leq 2R^2\zeta(2) secara seragam. Lalu karena eaebemax(a,b)ab\abs{\eu^a - \eu^b} \leq \eu^{\max(\abs a,\abs b)}\abs{a - b} (lewat batas nilai rata-rata pada ruasnya), hasil kali ekornya n0nN=eSN\prod_{n_0\leq n\leq N} = \eu^{S_N} konvergen seragam pada Dˉ(0,R)\bar D(0, R) ke eS\eu^S yang bebas akar. Lalu dengan mengalikannya dengan polinomial tetap zn<n0(1z2/n2)z\prod_{n<n_0}(1 - z^2/n^2): PNPP_N \to P secara seragam pada Dˉ(0,R)\bar D(0, R), dan Teorema 16.15 membuat PP holomorfik di sana; dan karena RR sembarang, PP bersifat utuh. Pada Dˉ(0,R)\bar D(0, R) akar PP adalah akar prafaktor polinomialnya — yakni bilangan bulat bermodulus R\leq R, yang masing-masing sederhana (sebab (1z/n)(1+z/n)(1 - z/n)(1 + z/n) berakar sederhana yang berbeda, sedangkan eS\eu^S tak berakar): jadi himpunan akar PP adalah Z\Z, dengan semua akarnya sederhana.

12. Lewat pendiferensialan logaritmik hasil kali berhingganya, jauh dari akarnya:

PN(z)PN(z)=1z+n=1N2z/n21z2/n2=1z+n=1N2zz2n2.\frac{P_N'(z)}{P_N(z)} = \frac1z + \sum_{n=1}^{N}\frac{-2z/n^2}{1 - z^2/n^2} = \frac1z + \sum_{n=1}^{N}\frac{2z}{z^2 - n^2} .

Pada sebuah kompak KCZK \subseteq \C\setminus\Z: PNPP_N \to P dan PNPP_N' \to P' secara seragam (Teorema 16.15), dan minKP>0\min_K \abs P > 0 (sebab PP lenyap hanya pada Z\Z), sehingga akhirnya PN12minKP\abs{P_N} \geq \frac12\min_K\abs P dan PN/PNP/PP_N'/P_N \to P'/P secara seragam pada KK. Sedangkan anggota tengahnya konvergen ke 1z+n12zz2n2=πcot(πz)\frac1z + \sum_{n\geq1}\frac{2z}{z^2-n^2} = \pi\cot(\pi z) menurut pertanyaan 9: sehingga P/P=πcot(πz)P'/P = \pi\cot(\pi z) pada CZ\C\setminus\Z.

13. Fungsi sin(πz)\sin(\pi z) dan PP bersifat utuh dengan himpunan akar yang sama Z\Z, dan semua akarnya sederhana (pertanyaan 1 dan 11). Di dekat mZm \in \Z tulislah sin(πz)=(zm)σ(z)\sin(\pi z) = (z - m)\,\sigma(z) dan P(z)=(zm)ψ(z)P(z) = (z - m)\,\psi(z) dengan σ,ψ\sigma, \psi yang holomorfik dan tak lenyap di mm (faktorkanlah deret pangkatnya): maka Q=sin(πz)/P=σ/ψQ = \sin(\pi z)/P = \sigma/\psi diperluas secara holomorfik dan bebas akar melintasi setiap bilangan bulatnya, dan ia bebas akar pada CZ\C\setminus\Z sebagai hasil bagi fungsi yang bebas akar. Di sana,

QQ=(sinπz)sinπzPP=πcot(πz)πcot(πz)=0,\frac{Q'}{Q} = \frac{(\sin\pi z)'}{\sin\pi z} - \frac{P'}{P} = \pi\cot(\pi z) - \pi\cot(\pi z) = 0 ,

sehingga fungsi utuh QQ' lenyap pada CZ\C\setminus\Z, jadi di mana-mana lewat kekontinuannya: sehingga QQ konstan. Lalu saat z0z \to 0: sin(πz)/zπ\sin(\pi z)/z \to \pi dan P(z)/z1P(z)/z \to 1, sehingga Q=πQ = \pi:

sin(πz)=πzn1(1z2n2).\sin(\pi z) = \pi z\prod_{n\geq1} \Bigl(1 - \frac{z^2}{n^2}\Bigr) .

14. Di z=12z = \frac12: 1=sinπ2=π2n1(114n2)=π24n214n21 = \sin\frac\pi2 = \frac\pi2\prod_{n\geq1}\bigl(1 - \frac1{4n^2}\bigr) = \frac\pi2\prod\frac{4n^2-1}{4n^2}, sehingga

π2=n14n24n21=limNn=1N(2n)(2n)(2n1)(2n+1)=limN2244(2N)(2N)1335(2N1)(2N+1):\frac\pi2 = \prod_{n\geq1}\frac{4n^2}{4n^2 - 1} = \lim_{N\to\infty}\prod_{n=1}^N \frac{(2n)(2n)}{(2n-1)(2n+1)} = \lim_{N\to\infty} \frac{2\cdot2\cdot4\cdot4\cdots(2N)(2N)} {1\cdot3\cdot3\cdot5\cdots(2N-1)(2N+1)} :

yakni hasil kali Wallis, sebuah akibat satu baris dari pemfaktoran Euler.

15. Untuk zr<1\abs z \leq r < 1 setiap faktornya terletak di D(1,r2)D(1,1)D(1, r^2) \subseteq D(1, 1), sehingga P(z)/z=exp(n1log(1z2/n2))P(z)/z = \exp\bigl( \sum_{n\geq1}\log(1 - z^2/n^2)\bigr): sebab setiap hasil kali parsialnya adalah eksponensial sebuah jumlah parsial, dan kedua ruasnya beralih ke limitnya lewat kekontinuan exp\exp. Sedangkan deret rangkapnya

n1log(1z2n2)=n1k1z2kkn2k=k1ζ(2k)kz2k=ζ(2)z2+O(z4)\sum_{n\geq1}\log\Bigl(1 - \frac{z^2}{n^2}\Bigr) = -\sum_{n\geq1}\sum_{k\geq1}\frac{z^{2k}}{k\,n^{2k}} = -\sum_{k\geq1}\frac{\zeta(2k)}k\,z^{2k} = -\zeta(2)\,z^2 + O(z^4)

tersusun ulang lewat Fubini untuk deret: sebab n,kr2kkn2kkζ(2k)r2kζ(2)r21r2<\sum_{n,k} \frac{r^{2k}}{kn^{2k}} \leq \sum_k\zeta(2k)r^{2k} \leq \zeta(2)\frac{r^2}{1-r^2} < \infty. Karena itu

P(z)=zexp(ζ(2)z2+O(z4))=zζ(2)z3+O(z5),P(z) = z\,\exp\bigl(-\zeta(2)z^2 + O(z^4)\bigr) = z - \zeta(2)\,z^3 + O(z^5) ,

dan pertanyaan 13 membandingkannya dengan sin(πz)=πzπ36z3+O(z5)\sin(\pi z) = \pi z - \frac{\pi^3}6z^3 + O(z^5): sehingga πζ(2)=π36\pi\zeta(2) = \frac{\pi^3}6, yakni ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6. Jadi wajah penjumlahannya (pertanyaan 10) dan wajah perkaliannya menghitung bilangan yang sama.

16. Pada sebuah kompak KCZK \subseteq \C\setminus\Z jumlah parsialnya SN=1z+nN(1zn+1z+n)S_N = \frac1z + \sum_{n\leq N}\bigl( \frac1{z-n} + \frac1{z+n}\bigr) (pertanyaan 9, dengan sukunya dikelompokkan ulang sebagai 2zz2n2=1zn+1z+n\frac{2z}{z^2-n^2} = \frac1{z-n} + \frac1{z+n}) konvergen seragam ke πcot(πz)\pi\cot(\pi z), sehingga Teorema 16.15 memberikan SN(πcotπz)=π2/sin2(πz)S_N' \to (\pi\cot\pi z)' = -\pi^2/\sin^2(\pi z) secara seragam pada KK. Lalu karena SN=nN(zn)2S_N' = -\sum_{\abs n\leq N}(z - n)^{-2}:

π2sin2(πz)=nZ1(zn)2,\frac{\pi^2}{\sin^2(\pi z)} = \sum_{n\in\Z}\frac1{(z - n)^2} ,

dengan kekonvergenannya normal pada kompak CZ\C\setminus\Z (sebab sukunya O(n2)O(n^{-2})).

17. Di z=12z = \frac12 ruas kirinya adalah π2\pi^2; sedangkan pada ruas kanannya, (12n)2=(2n1)24(\frac12 - n)^2 = \frac{(2n-1)^2}4 dengan 2n12n - 1 melintasi setiap bilangan bulat gasal tepat sekali saat nn melintasi Z\Z:

π2=nZ4(2n1)2=8m01(2m+1)2,m01(2m+1)2=π28.\pi^2 = \sum_{n\in\Z}\frac{4}{(2n-1)^2} = 8\sum_{m\geq0}\frac1{(2m+1)^2}, \qquad \sum_{m\geq0}\frac1{(2m+1)^2} = \frac{\pi^2}8 .

Lalu pemisahan paritasnya: ζ(2)=π28+n11(2n)2=π28+ζ(2)4\zeta(2) = \frac{\pi^2}8 + \sum_{n\geq1}\frac1{(2n)^2} = \frac{\pi^2}8 + \frac{\zeta(2)}4, sehingga 34ζ(2)=π28\frac34\zeta(2) = \frac{\pi^2}8 dan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 sekali lagi.

18. Dengan c=cotθc = \cot\theta dan cot(2θ)=c212c\cot(2\theta) = \frac{c^2-1}{2c}: cotθ2cot(2θ)=cc21c=1c=tanθ\cot\theta - 2\cot(2\theta) = c - \frac{c^2-1}c = \frac1c = \tan\theta. Karena itu πtan(πz)=πcot(πz)2πcot(2πz)\pi\tan(\pi z) = \pi\cot(\pi z) - 2\pi\cot(2\pi z), dan pertanyaan 9 di zz dan di 2z2z memberikan

πcot(πz)=1z+n12zz2n2,2πcot(2πz)=1z+n18z4z2n2.\pi\cot(\pi z) = \frac1z + \sum_{n\geq1}\frac{2z}{z^2 - n^2}, \qquad 2\pi\cot(2\pi z) = \frac1z + \sum_{n\geq1}\frac{8z}{4z^2 - n^2} .

Kedua deretnya konvergen mutlak di setiap zz yang tetap di luar kutubnya, sehingga selisihnya boleh dikelompokkan ulang sesuka hati: pada deret keduanya suku genap n=2mn = 2m memberikan 8z4z24m2=2zz2m2\frac{8z}{4z^2 - 4m^2} = \frac{2z}{z^2 - m^2} dan meniadakan deret pertamanya seluruhnya, menyisakan

πtan(πz)=m08z4z2(2m+1)2=m08z(2m+1)24z2,\pi\tan(\pi z) = -\sum_{m\geq0}\frac{8z}{4z^2 - (2m+1)^2} = \sum_{m\geq0}\frac{8z}{(2m+1)^2 - 4z^2} ,

secara normal pada kompak yang menghindari 12+Z\frac12 + \Z (sebab sukunya O(m2)O(m^{-2})).

19. Untuk zr<12\abs z \leq r < \frac12:

8z(2m+1)24z2=8z(2m+1)2k0(4z2(2m+1)2)k,\frac{8z}{(2m+1)^2 - 4z^2} = \frac{8z}{(2m+1)^2} \sum_{k\geq0}\Bigl(\frac{4z^2}{(2m+1)^2}\Bigr)^{k},

dengan m,k8r(4r2)k(2m+1)2k2<\sum_{m,k}8r\,(4r^2)^k(2m+1)^{-2k-2} < \infty sebab 4r2<14r^2 < 1: sehingga Fubini menyusun ulang jumlah rangkapnya menjadi

πtan(πz)=k084kλ(2k+2)z2k+1.\pi\tan(\pi z) = \sum_{k\geq0}8\cdot4^k\,\lambda(2k+2)\,z^{2k+1} .

Lalu terhadap πtan(πz)=π2z+π43z3+O(z5)\pi\tan(\pi z) = \pi^2z + \frac{\pi^4}3z^3 + O(z^5): koefisien zz-nya memberikan 8λ(2)=π28\lambda(2) = \pi^2 — yakni pertanyaan 17 lagi — sedangkan koefisien z3z^3-nya memberikan 32λ(4)=π4332\lambda(4) = \frac{\pi^4}3, yakni λ(4)=π496\lambda(4) = \frac{\pi^4}{96}. Lalu dengan membuang penyebut genapnya, λ(4)=ζ(4)24ζ(4)=1516ζ(4)\lambda(4) = \zeta(4) - 2^{-4}\zeta(4) = \frac{15}{16}\zeta(4): sehingga ζ(4)=1615π496=π490\zeta(4) = \frac{16}{15}\cdot \frac{\pi^4}{96} = \frac{\pi^4}{90}, yang cocok dengan pertanyaan 7.

20. Berlaku cotθ2cotθ=cosθ2sinθcosθsinθ2sinθ2sinθ=sinθ2sinθ2sinθ=1sinθ\cot\frac\theta2 - \cot\theta = \frac{\cos\frac\theta2\,\sin\theta - \cos\theta\,\sin\frac\theta2}{\sin\frac\theta2\,\sin\theta} = \frac{\sin\frac\theta2}{\sin\frac\theta2\,\sin\theta} = \frac1{\sin\theta}, sebab pembilangnya adalah sin(θθ2)\sin(\theta - \frac\theta2). Lalu dengan θ=πz\theta = \pi z, pertanyaan 9 di z2\frac z2 berbunyi πcotπz2=2z+n14zz24n2\pi\cot\frac{\pi z}2 = \frac2z + \sum_{n\geq1}\frac{4z}{z^2 - 4n^2}, sehingga

πsin(πz)=πcotπz2πcot(πz)=1z+n14zz24n2n12zz2n2.\frac{\pi}{\sin(\pi z)} = \pi\cot\frac{\pi z}2 - \pi\cot(\pi z) = \frac1z + \sum_{n\geq1}\frac{4z}{z^2 - 4n^2} - \sum_{n\geq1}\frac{2z}{z^2 - n^2} .

Lalu kekonvergenan mutlaknya mengizinkan pengelompokan ulang menurut paritas: sebab n=2mn = 2m yang genap pada deret yang dikurangkan menyumbang 2zz24m2\frac{2z}{z^2-4m^2}, menyisakan +2zz24m2+\frac{2z}{z^2-4m^2} dari jumlah pertamanya, sedangkan nn yang gasal bertahan bertanda -:

πsin(πz)=1z+n1(1)n2zz2n2.\frac{\pi}{\sin(\pi z)} = \frac1z + \sum_{n\geq1}(-1)^n\,\frac{2z}{z^2 - n^2} .

Untuk pemeriksaan tandanya: Res(π/sin(πz),n)=π/(πcosπn)=(1)n\operatorname{Res}\bigl(\pi/\sin(\pi z), n\bigr) = \pi/(\pi\cos\pi n) = (-1)^n (Metode 17.6), dan (1)n2zz2n2=(1)nzn+(1)nz+n(-1)^n\frac{2z}{z^2 - n^2} = \frac{(-1)^n}{z-n} + \frac{(-1)^n}{z+n} membawa tepat residu itu di ±n\pm n.

21. Untuk zr<1\abs z \leq r < 1, dengan menguraikan setiap sukunya seperti pada pertanyaan 19 (yakni (1)n2zz2n2=(1)n12zn2kz2kn2k(-1)^n\frac{2z}{z^2-n^2} = (-1)^{n-1}\frac{2z}{n^2}\sum_k\frac{z^{2k}}{n^{2k}}) lalu menerapkan Fubini:

πsin(πz)=1z+2k0η(2k+2)z2k+1,η(s)=n1(1)n1ns.\frac{\pi}{\sin(\pi z)} = \frac1z + 2\sum_{k\geq0}\eta(2k+2)\,z^{2k+1}, \qquad \eta(s) = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^s} .

Sedangkan pada sisi Taylornya: sin(πz)=πz(1(πz)26+O(z4))\sin(\pi z) = \pi z(1 - \frac{(\pi z)^2}6 + O(z^4)) memberikan πsinπz=1z+π26z+O(z3)\frac\pi{\sin\pi z} = \frac1z + \frac{\pi^2}6z + O(z^3): sehingga 2η(2)=π262\eta(2) = \frac{\pi^2}6, jadi η(2)=π212\eta(2) = \frac{\pi^2}{12}. Untuk kekonsistenannya: η(2)=ζ(2)2n(2n)2=(1212)ζ(2)=ζ(2)2=π212\eta(2) = \zeta(2) - 2\sum_n(2n)^{-2} = (1 - 2^{1-2})\zeta(2) = \frac{\zeta(2)}2 = \frac{\pi^2}{12}.

22. Di z=12z = \frac12, pertanyaan 20 memberikan

π=2+n1(1)n114n2=2+4n1(1)n1(2n1)(2n+1).\pi = 2 + \sum_{n\geq1}(-1)^n\frac{1}{\frac14 - n^2} = 2 + 4\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{(2n-1)(2n+1)} .

Lalu dengan 1(2n1)(2n+1)=12(12n112n+1)\frac1{(2n-1)(2n+1)} = \frac12\bigl(\frac1{2n-1} - \frac1{2n+1}\bigr), dan kedua deret berganti tandanya konvergen (menurut kriteria Leibniz), jumlahnya terbelah menjadi 12[L(1L)]=L12\frac12\bigl[L - (1 - L)\bigr] = L - \frac12, dengan L=113+15L = 1 - \frac13 + \frac15 - \cdots dan 1315+17=1L\frac13 - \frac15 + \frac17 - \cdots = 1 - L. Karena itu π=2+4(L12)=4L\pi = 2 + 4(L - \frac12) = 4L:

π4=113+1517+\frac\pi4 = 1 - \frac13 + \frac15 - \frac17 + \cdots

Moralnya: bahwa setiap kernelnya bersifat meromorfik dengan kutub pada sebuah deret aritmetika dan residu yang ditetapkan. Sedangkan kotangennya menaruh residu 11 di setiap bilangan bulat lalu menjumlahkan f(n)f(n); turunannya mengkuadratkan kutubnya lalu menghargai λ(2)\lambda(2); tangennya menggeser kutubnya ke 12+Z\frac12 + \Z lalu menghargai penyebut gasalnya; sedangkan π/sin\pi/\sin menyimpan kutub bulatnya tetapi menyelang-nyelingkan residunya (1)n(-1)^n, sehingga menghasilkan deret berganti tandanya. Adapun kernel orde pertamanya semuanya fungsi gasal: sehingga memasangkan nn dengan n-n menggandakan koefisien berpangkat genapnya dan memusnahkan yang gasal, jadi ζ(2k)\zeta(2k) tercurah secara mekanis sedangkan ζ(3)\zeta(3) tak pernah muncul. Jadi kebutaannya adalah paritas, bukan kekurangan teknik.

23. Dengan w=2iπzw = 2\iu\pi z:

iπz+2iπze2iπz1=iπze2iπz+1e2iπz1=iπzeiπz+eiπzeiπzeiπz=πzcosπzsinπz=πzcot(πz).\iu\pi z + \frac{2\iu\pi z}{\eu^{2\iu\pi z} - 1} = \iu\pi z\,\frac{\eu^{2\iu\pi z} + 1}{\eu^{2\iu\pi z} - 1} = \iu\pi z\,\frac{\eu^{\iu\pi z} + \eu^{-\iu\pi z}}{\eu^{\iu\pi z} - \eu^{-\iu\pi z}} = \pi z\,\frac{\cos\pi z}{\sin\pi z} = \pi z\cot(\pi z) .

Karena itu, dengan memakai fungsi pembangkitnya pada w=2iπzw = 2\iu\pi z (dan B1=12B_1 = -\frac12 yang meniadakan suku iπz\iu\pi z-nya, sedangkan BB gasalnya lenyap selebihnya):

πzcot(πz)=k0B2k(2k)!(2iπz)2k=1+k1(1)k(2π)2kB2k(2k)!z2k.\pi z\cot(\pi z) = \sum_{k\geq0}\frac{B_{2k}}{(2k)!} (2\iu\pi z)^{2k} = 1 + \sum_{k\geq1}(-1)^k\frac{(2\pi)^{2k}B_{2k}}{(2k)!} z^{2k} .

Sedangkan di sisi lain uraian pecahan parsialnya (Bagian IV) memberikan πzcot(πz)=12k1ζ(2k)z2k\pi z\cot(\pi z) = 1 - 2\sum_{k\geq1}\zeta(2k)z^{2k} (uraikanlah setiap 2z2z2n2=2kz2kn2k\frac{2z^2}{z^2 - n^2} = -2\sum_k\frac{z^{2k}}{n^{2k}} lalu jumlahkan atas nn, dengan kekonvergenan normalnya membenarkan penukarannya untuk z<1\abs z < 1). Lalu dengan membandingkan koefisiennya: 2ζ(2k)=(1)k(2π)2kB2k(2k)!-2\zeta(2k) = (-1)^k\frac{(2\pi)^{2k}B_{2k}}{(2k)!}, yakni rumus yang dinyatakan itu.

24. Untuk k=1k = 1: (2π)22216=π26\frac{(2\pi)^2}{2\cdot2}\cdot\frac16 = \frac{\pi^2}6. Untuk k=2k = 2: (2π)4224(130)=16π44830=π490-\frac{(2\pi)^4}{2\cdot24} \cdot\bigl(-\frac1{30}\bigr) = \frac{16\pi^4}{48\cdot30} = \frac{\pi^4}{90}. Dan untuk k=3k = 3: (2π)62720142=64π6144042=π6945\frac{(2\pi)^6}{2\cdot720} \cdot\frac1{42} = \frac{64\pi^6}{1440\cdot42} = \frac{\pi^6}{945}.

25. Tulis C(z)=πzcot(πz)=12k1ζ(2k)z2kC(z) = \pi z\cot(\pi z) = 1 - 2\sum_{k\geq1}\zeta(2k)z^{2k} (pertanyaan 23). Lalu lewat pendiferensialan langsung C=πzcot(πz)C = \pi z\cot(\pi z), dengan memakai (cotu)=1cot2u(\cot u)' = -1 - \cot^2u:

zC(z)=πzcot(πz)π2z2(1+cot2(πz))=Cπ2z2C2.zC'(z) = \pi z\cot(\pi z) - \pi^2z^2\bigl(1 + \cot^2(\pi z)\bigr) = C - \pi^2z^2 - C^2 .

Kini uraikan kedua ruasnya dalam pangkat z2z^2. Ruas kirinya: k(4k)ζ(2k)z2k\sum_k(-4k)\,\zeta(2k)\,z^{2k}. Sedangkan ruas kanannya: dengan mengkuadratkan deretnya,

CC2=2k1ζ(2k)z2k4k2(j=1k1ζ(2j)ζ(2k2j))z2k,C - C^2 = 2\sum_{k\geq1}\zeta(2k)z^{2k} - 4\sum_{k\geq2}\Bigl(\sum_{j=1}^{k-1}\zeta(2j) \zeta(2k-2j)\Bigr)z^{2k},

dan suku π2z2=6ζ(2)z2-\pi^2z^2 = -6\zeta(2)z^2 hanya menyesuaikan k=1k = 1. Lalu dengan membandingkan koefisien z2kz^{2k} untuk k2k \geq 2:

4kζ(2k)=2ζ(2k)4j=1k1ζ(2j)ζ(2k2j),-4k\,\zeta(2k) = 2\,\zeta(2k) - 4\sum_{j=1}^{k-1}\zeta(2j)\,\zeta(2k-2j),

yakni (k+12)ζ(2k)=j=1k1ζ(2j)ζ(2k2j)\bigl(k + \frac12\bigr)\zeta(2k) = \sum_{j=1}^{k-1}\zeta(2j)\zeta(2k-2j). (Di k=1k = 1 identitasnya berbunyi 4ζ(2)=2ζ(2)6ζ(2)-4\zeta(2) = 2\zeta(2) - 6\zeta(2): yakni sebuah pemeriksaan kekonsistenan, bukan keterangan baru.) Untuk terapannya: k=2k = 2: 52ζ(4)=ζ(2)2=π436\frac52\zeta(4) = \zeta(2)^2 = \frac{\pi^4}{36}, sehingga ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}; sedangkan k=3k = 3: 72ζ(6)=2ζ(2)ζ(4)=π6270\frac72\zeta(6) = 2\zeta(2)\zeta(4) = \frac{\pi^6}{270}, sehingga ζ(6)=27π6270=π6945\zeta(6) = \frac{2}{7}\cdot\frac{\pi^6}{270} = \frac{\pi^6}{945}. Jadi satu benih transenden (ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6), lalu aljabar murni menghasilkan setiap nilai zeta genapnya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium