Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3
18Pemetaan Konformal dan Teorema Pemetaan Riemann
Sebuah bijeksi holomorfik antara dua daerah mengangkut seluruh analisis kompleks dari yang satu ke yang lain: sehingga pemetaan semacam itu — yang konformal, sebab ia mengawetkan sudut — merupakan isomorfisma dunia holomorfiknya. Bab ini menggolongkannya di tempat penggolongannya mungkin (yakni cakram dan bidangnya: lema Schwarz adalah kuncinya, yaitu sebuah ketaksamaan yang dahsyat kuasanya), membangun teori kekompakan keluarga holomorfiknya (lewat Montel), lalu membuktikan teorema keberadaan yang paling dalam pada pokok bahasan ini: bahwa setiap subdaerah sejati yang terhubung sederhana, betapapun bergerigi batasnya, setara secara konformal dengan cakram satuannya. Kita menutupnya dengan fungsi harmonik dan kernel Poisson, sambil menyelesaikan soal Dirichlet pada cakramnya — yakni hasil analitis geometri konformalnya. Sepanjang bab ini, dan .
18.1 Pemetaan konformal; transformasi Möbius
Definisi 18.1
Sebuah pemetaan konformal (atau biholomorfisma) antara himpunan terbuka adalah bijeksi holomorfik; dan balikannya dengan sendirinya holomorfik (Akibat 17.10). Dua daerah disebut setara secara konformal jika pemetaan semacam itu ada; sedangkan menandai grup pemetaan diri yang konformal. Di tempat — yakni di mana-mana, bagi yang injektif (lihat bukti Akibat 17.10) — diferensialnya adalah perkalian dengan : yakni sebuah keserupaan, sehingga pemetaan konformal mengawetkan sudut antara kurva, termasuk arahnya.
Contoh 18.2 (Transformasi Möbius)
Untuk , transformasi Möbius bersifat konformal dari ke (dengan balikan bertipe sama, dari matriks balikannya; sedangkan komposisinya bersesuaian dengan hasil kali matriksnya). Sedangkan pemetaan Cayley
memetakan secara konformal ke : sebab sungguh tepat saat lebih dekat ke daripada ke , yakni ; dan balikannya adalah . Pemetaan Möbius mengirim keluarga lingkaran-dan-garis ke dirinya sendiri (Latihan 18.1).
Contoh 18.3 (Pemetaan Joukowski)
Di luar Möbius, pemetaan konformal yang paling berguna pada matematika terapan klasik adalah
Pada bagian luar cakram satuannya, bersifat injektif: sebab memberikan padahal . Sedangkan turunannya lenyap hanya di , yakni pada batasnya: jadi merupakan kesetaraan konformal dari ke petanya, yakni — sedangkan lingkaran satuannya sendiri terlipat dua-ke-satu ke ruasnya (sebab ). Jadi bagian luar sebuah ruas, yakni bidang teriris tanpa batas yang mulus, secara konformal adalah bagian luar sebuah cakram: sehingga sudut bukanlah rintangan bagi kesetaraan konformal, melainkan bagi kemulusan batasnya. Sedangkan peta lingkaran yang melalui tetapi tak berpusat di sana berupa kurva berbentuk aerofoil, dan mengomposisikan dengan pemetaan Möbius mengangkut aliran di sekitar sebuah silinder — yang dapat dihitung dengan tangan — ke aliran di sekitar sebuah sayap: sehingga pada paruh pertama abad kedua puluh, contoh inilah aerodinamikanya. Ia juga pintu menuju Chebyshev: sebab mengonjugatkan ke polinomial Chebyshev (Soal 13.1, Bagian V), karena bila .
18.2 Lema Schwarz dan grup automorfismanya
Teorema 18.4 (Lema Schwarz)
Misalkan holomorfik dengan . Maka
dan jika untuk satu , atau , maka merupakan sebuah rotasi.
Bukti. Fungsi diperluas secara holomorfik ke (sebab kesingularannya di terhapuskan: karena terbatas di dekat , Teorema 17.4; dan nilainya di adalah ). Pada : , sehingga menurut asas maksimumnya (Teorema 16.14) pada ; lalu biarkan : pada , yang merupakan kedua ketaksamaannya. Sedangkan kesamaan di titik interiornya membuat mencapai maksimum di interiornya: sehingga konstan bermodulus . ∎
Teorema 18.5 (Automorfisma cakramnya)
Untuk , faktor Blaschke
merupakan automorfisma yang menukar dan , dengan . Dan setiap automorfisma berbentuk untuk dan yang tunggal.
Bukti. Pada : , sehingga di sana; lalu menurut asas maksimumnya , dan keterbukaannya menaruh petanya di . Sedangkan identitas aljabar (lewat perhitungan langsung) menunjukkan kebijektifannya. Kini misalkan dan : maka merupakan automorfisma yang menetapkan . Lalu Schwarz yang diterapkan pada dan pada : dan , sehingga : jadi rotasi, , yakni . Untuk ketunggalannya: dan dari penilaian bertipe (atau dari dan satu nilai lagi). ∎
Teorema 18.6 (Automorfisma bidangnya)
. Karena itu dan tak setara secara konformal.
Bukti. Misalkan lalu tinjaulah pada : yakni fungsi holomorfik yang berkesingularan terpencil di . Seandainya ia hakiki, maka Casorati–Weierstrass (Teorema 17.4) akan membuat padat, sedangkan terbuka dan saling lepas dengannya (sebab injektif: karena kedua himpunannya peta himpunan yang saling lepas) — yang mustahil bagi sebuah himpunan padat dan sebuah himpunan terbuka tak kosong. Jadi berupa kutub atau terhapuskan bagi , yakni bertumbuh paling banyak polinomial: sehingga merupakan polinomial (Latihan 16.4(a)). Lalu keinjektifannya memaksa derajat : sebab polinomial berderajat lebih tinggi entah berakar rangkap pada di suatu tempat (sehingga lenyap) entah berprapeta beberapa yang berbeda (menurut d’Alembert–Gauss, Soal 16.1); dan bagaimanapun keinjektifannya gagal. Akhirnya, sebuah pemetaan konformal akan berupa fungsi utuh yang terbatas: jadi konstan (menurut Liouville) — sehingga tak ada kesetaraannya. ∎
18.3 Teorema Montel
Teorema 18.7 (Montel)
Misalkan terbatas lokal: yakni setiap titiknya berpersekitaran yang padanya. Maka setiap barisan mempunyai subbarisan yang konvergen seragam pada setiap himpunan bagian kompak (dengan limit yang holomorfik).
Bukti. Untuk kekontinuan setara lokalnya: jika pada untuk setiap , maka rumus Cauchy memberikan, untuk ,
yakni sebuah batas Lipschitz yang seragam. Lalu habiskan oleh kompak ; sebab setiap terselimuti berhingga banyak cakram semacam itu, sehingga terbatas seragam dan berkekontinuan setara pada : sehingga Arzelà–Ascoli (Teorema 7.11) memetik subbarisan yang konvergen seragam pada ; lalu diagonalkan atas . Sedangkan limitnya holomorfik menurut Teorema 16.15. ∎
18.4 Teorema pemetaan Riemann
Definisi 18.8
Sebuah yang terbuka terhubung disebut terhubung sederhana (dalam arti homologinya, yang mencukupi bagi seluruh keperluan kita) jika untuk setiap siklus di dan setiap — yakni “tak ada siklus yang mengelilingi lubang”. Lalu menurut teorema Cauchy globalnya (Teorema 17.1) dan Proposisi 16.5, pada semacam itu setiap fungsi holomorfik berantiturunan; sehingga setiap yang bebas akar mempunyai logaritma holomorfik (yakni (antiturunan ), yang disesuaikan oleh sebuah konstanta, sebab ) beserta akar ke- holomorfiknya .
Teorema 18.9 (Teorema pemetaan Riemann)
Setiap yang terbuka terhubung sederhana dengan setara secara konformal dengan ; dan diberikan , ada tepat satu yang konformal dengan dan .
Bukti. Langkah 0: keluarganya tak kosong. Pilihlah : maka bebas akar pada , sehingga ia berakar kuadrat holomorfik (dengan ). Lalu injektif (sebab berkuadrat ), dan jika maka (sebab juga berkuadrat , yang memberikan , yang mustahil karena bebas akar). Lalu karena terbuka, ia memuat sebuah cakram ; sehingga , yakni untuk setiap . Karena itu
bersifat holomorfik, injektif (yakni pemetaan Möbius yang dikomposisikan dengan yang injektif), dengan . Lalu dengan mengomposisikannya dengan sebuah faktor Blaschke (Teorema 18.5) untuk memindahkan ke , keluarganya
bersifat tak kosong.
Langkah 1: sebuah unsur ekstremal. Misalkan (yang : sebab anggotanya injektif, sehingga ). Ambil dengan : keluarganya terbatas oleh , sehingga Montel (Teorema 18.7) memetik secara seragam pada kompak; lalu bersifat holomorfik dengan dan (lewat Teorema 16.15 untuk turunannya), sehingga khususnya tak konstan; lalu bersifat injektif menurut Hurwitz (Latihan 17.8(b)), dan , jadi (lewat pemetaan terbukanya). Jadi mencapai supremumnya: sehingga .
Langkah 2: pemetaan ekstremalnya bersifat pada. Andaikan . Maka angkutan Blaschke bebas akar pada yang terhubung sederhana: sehingga ia berakar kuadrat holomorfik (dengan , sebab ), yang injektif (sebab kuadratnya membedakan). Lalu normalkan: . Dengan membalikkannya: dengan ; sedangkan pemetaan bersifat holomorfik dengan dan bukan sebuah rotasi (sebab ia tak injektif: karena tidak). Lalu lema Schwarz (pada kasus sejatinya): , dan aturan rantai memberikan — yang bertentangan dengan kemaksimalannya (perhatikan ). Karena itu bersifat pada: yakni sebuah kesetaraan konformal.
Langkah 3: penormalan dan ketunggalannya. Kalikan dengan untuk membuat (dan ini tetap di ). Lalu jika sama-sama berhasil, maka menetapkan dengan ; sehingga menurut Teorema 18.5 merupakan rotasi dengan : jadi . ∎
Catatan 18.10
Teoremanya merupakan pernyataan keberadaan murni yang jangkauannya menakjubkan: sebuah bujur sangkar, sebuah setengah bidang, komplemen sebuah irisan, daerah antara dua lingkaran yang bersinggungan, sebuah daerah berbatas fraktal — semuanya identik secara konformal dengan . Sedangkan yang tak diberikannya: rumus apa pun (karena pemetaan eksplisit merupakan kekecualian: Latihan 18.5), perilaku batasnya (yang ditangani teori yang lebih dalam — yakni teorema Carathéodory), maupun ketunggalan perluasannya ke atau ke daerah terhubung ganda: sebab anulus tak secara konformal berupa cakram tertusuk, dan anulus yang nisbah jari-jarinya berbeda tak setara (yakni fakta yang sungguh lebih sukar).
18.5 Fungsi harmonik dan kernel Poisson
Proposisi 18.11
Misalkan terhubung sederhana dan harmonik (yakni dengan ). Maka untuk sebuah yang holomorfik dan tunggal sampai sebuah konstanta imajiner. Karena itu bersifat , memenuhi sifat nilai rata-rata, dan menuruti asas maksimumnya (yakni tak ada ekstremum interior sejati kecuali ia konstan).
Bukti. Fungsi memenuhi persamaan Cauchy–Riemann (dengan dan : sebab dan ) beserta turunan parsial yang kontinu: sehingga bersifat holomorfik (Proposisi 16.2; sebab keterturunan--nya menyusul dari ). Lalu misalkan sebuah antiturunan (lewat keterhubungan sederhananya, Definisi 18.8); maka bergradien (sebab terurai tepat menjadi itu lewat Cauchy–Riemann bagi ), sehingga konstan (sebab terhubung): lalu sesuaikan . Sedangkan sifatnya berpindah dari Teorema 16.14 dan Latihan 16.10 (dan untuk asas maksimum yang diterapkan pada sendiri, pakailah seperti di sana). ∎
Teorema 18.12 (Rumus Poisson; soal Dirichlet pada cakramnya)
Untuk definisikan kernel Poisson
Lalu misalkan kontinu, dan tetapkan, untuk ,
Maka bersifat harmonik pada dan diperluas secara kontinu ke dengan nilai batas : yakni satu-satunya fungsi harmonik yang demikian.
Bukti. Identitas kernelnya: dengan menjumlahkan dua deret geometri,
yang merupakan hasil bagi yang ditampilkan itu; sedangkan kepositifannya jelas, dan (sebab hanya yang bertahan).
Keharmonikannya: dengan ,
(sebab kernel di dalam kurungnya berbagian real : hitunglah), dan kurungnya bersifat holomorfik terhadap pada (Latihan 16.7): sehingga merupakan bagian real sebuah fungsi holomorfik, jadi harmonik.
Nilai batasnya: merupakan identitas hampiran saat : sebab bermassa , dan untuk , secara seragam. Lalu pemisahan bakunya (lewat kekontinuan di dekat dan keterbatasannya di tempat lain) memberikan saat , secara seragam terhadap titik batasnya: sehingga perluasannya kontinu. Untuk ketunggalannya: selisih dua solusinya bersifat harmonik pada , kontinu pada penutupnya, dan nol pada batasnya: sehingga menurut asas maksimumnya (yang diterapkan pada selisihnya), ia lenyap. ∎
18.6 Latihan
Latihan 18.1 ★
(a) Periksalah bahwa pemetaan Cayley merupakan bijeksi dengan balikan yang dinyatakan itu, lalu hitunglah peta , , , dan (lewat limitnya). (b) Tunjukkan bahwa memetakan lingkaran dan garis ke lingkaran dan garis. (Tulislah persamaan bersamanya dengan .) Lalu turunkan hal yang sama bagi setiap pemetaan Möbius.
Solusi
Solusi Latihan 18.1.
(a) Pemetaan dan berkomposisi menjadi identitasnya dalam kedua urutannya (lewat perhitungan langsung); sedangkan memetakan ke dalam dan mengembalikannya (Contoh 18.2). Nilainya: , , , dan saat .
(b) Lingkaran dan garis merupakan himpunan penyelesaian (dengan , , dan ): sebab memberi lingkaran dan garis. Lalu dengan menyubstitusikan dan mengalikannya dengan : — yakni keluarga yang sama. Sedangkan pemetaan afin jelas mengawetkan keluarganya, dan setiap pemetaan Möbius merupakan komposisi pemetaan afin dan satu inversi (sebab untuk ).
Latihan 18.2 ★
Misalkan holomorfik. (a) Jika dan untuk suatu , tunjukkan bahwa . (b) Jika merupakan automorfisma dengan dua titik tetap yang berbeda di , tunjukkan bahwa (konjugatkanlah dengan sebuah faktor Blaschke untuk menyusutkannya ke (a)).
Solusi
Solusi Latihan 18.2.
(a) Schwarz memberikan dengan kesamaannya (sebab kedua ruasnya ): sehingga kasus kesamaannya memaksa , dan memakukan .
(b) Misalkan titik tetapnya dan — dengan memakai Teorema 18.5 untuk . Maka dan untuk : sehingga menurut (a), , jadi .
Latihan 18.3 ★★
(Schwarz–Pick) Untuk yang holomorfik, buktikan bahwa
dengan kesamaannya (di satu titik, sehingga di mana-mana) jika dan hanya jika . (Terapkan Schwarz pada .) Tafsirannya: bahwa pemetaan diri yang holomorfik mengerutkan metrik hiperboliknya.
Solusi
Solusi Latihan 18.3.
Tetapkan lalu tetapkan : yakni pemetaan holomorfik dengan , sehingga (menurut Schwarz). Lalu aturan rantai dengan :
sehingga diperolehlah ketaksamaan Schwarz–Pick. Sedangkan kesamaan di suatu membuat menjadi rotasi, jadi — lalu kesamaannya berlaku di mana-mana (hitunglah, atau terapkan ulang dengan peran yang ditukar). Jadi pemetaan diri holomorfik cakramnya bersifat Lipschitz- terhadap metrik hiperbolik ; sedangkan automorfismanya adalah isometrinya.
Latihan 18.4 ★★
Carilah kesetaraan konformal yang eksplisit: (a) dari jalur ; (b) dari kuadran ; (c) dari setengah cakram sebuah kuadran, lalu ; (d) dari yang mengirim ke dengan turunan positif di sana.
Solusi
Solusi Latihan 18.4.
(a) Pemetaan : memetakan secara bijektif ke (sebab : dengan modulus bebas dan argumen ), holomorfik dengan turunan yang tak lenyap dan balikan yang holomorfik (yakni pokoknya). (b) Pemetaan menggandakan argumennya: sehingga kuadran terbuka terpetakan secara konformal ke (dengan balikannya: akar kuadrat pokoknya). (c) Pemetaan memetakan ke setengah bidang kanannya dan mengawetkan kesetangkupan atas dan bawahnya: sehingga ia mengirim setengah cakram atasnya ke kuadran pertama; lalu kuadratkan, menurut (b), untuk mencapai : yakni . (d) Faktor Blaschke : sebab dan .
Latihan 18.5 ★★
(a) Tunjukkan bahwa tak ada pemetaan konformal atau , dan tak ada pula . (b) Manakah di antara berikut yang setara secara konformal dengan ? Benarkanlah lewat Teorema 18.9 atau lewat sebuah rintangan: sebuah bujur sangkar; ; ; dan . (Untuk kedua yang terakhir: sebuah peta konformal cakram tertusuknya akan diperluas melintasi tusukannya menurut Teorema 17.4(1) — kembangkanlah ini.)
Solusi
Solusi Latihan 18.5.
(a) Sebuah pemetaan konformal (atau , setelah dikomposisikan dengan Cayley) merupakan fungsi utuh yang terbatas: jadi konstan menurut Liouville — sehingga tak bijektif. Sedangkan pemetaan konformal akan berbalikan konformal : yakni pertentangan yang sama.
(b) Bujur sangkarnya cembung, jadi terhubung sederhana, dan sejati: sehingga secara konformal (Teorema 18.9). Sedangkan bidang teriris berbentuk bintang terhadap (sebab ruas dari menghindari irisannya), jadi terhubung sederhana, dan sejati: sehingga secara konformal . Untuk cakram tertusuknya: jika bersifat konformal, maka terbatas, sehingga terhapuskan (Teorema 17.4): jadi diperluas menjadi , dan , karena berada di peta terbukanya , juga berupa untuk suatu ; lalu dua persekitaran yang saling lepas atas dan berpeta terbuka yang berbagi nilai , sehingga berbagi nilai lain pula (sebab himpunannya terbuka): jadi mengambil suatu nilai dua kali pada — yang bertentangan dengan keinjektifannya. Sedangkan untuk anulus : andaikan konformal. Maka bebas akar pada yang terhubung sederhana, sehingga untuk yang holomorfik (Definisi 18.8). Lalu misalkan lingkaran di dan , yakni lintasan tertutup di ; maka
(sebab berantiturunan): jadi bertentangan. Sehingga baik cakram tertusuknya maupun anulusnya bukanlah cakram yang menyamar.
Latihan 18.6 ★★
Misalkan . (a) Tunjukkan bahwa terbatas lokal. (Komposisikanlah dengan pemetaan bertipe Cayley yang mengirim setengah bidang kanannya ke , lalu terapkan Schwarz.) (b) Turunkan batas Herglotz: untuk , beserta kemungkinan kesamaannya.
Solusi
Solusi Latihan 18.6.
(a) Pemetaan memetakan secara konformal ke (yakni Cayley yang dirotasikan: sebab jika dan hanya jika ), dengan . Lalu untuk , bersifat holomorfik dengan : sehingga Schwarz memberikan .
(b) Dengan membalikkan : , sehingga
sehingga terbatas lokal (secara seragam pada ). Sedangkan kesamaan di memaksa beserta kesejajarannya: sehingga menjadi rotasi, yakni — yakni ekstremal Herglotz, yaitu pemetaan konformal ke setengah bidang kanannya.
Latihan 18.7 ★★★
Di manakah bukti Teorema 18.9 memakai masing-masing hipotesisnya? Lacaklah: (i) keterhubungan sederhananya (dua kali); (ii) ; (iii) keterhubungannya. Lalu tunjukkan bahwa teoremanya gagal untuk dan untuk anulusnya, sambil menunjuk langkah mana pada buktinya yang patah pada masing-masing kasusnya.
Solusi
Solusi Latihan 18.7.
(i) Keterhubungan sederhananya masuk tepat dua kali, lewat keberadaan akar kuadrat holomorfik fungsi yang bebas akar (Definisi 18.8): yakni pada Langkah 0 (untuk akar ) dan pada Langkah 2 (untuk akar ). (ii) Syarat menyediakan titik pada Langkah 0 — sebab tanpanya keluarga kosong dari pemetaan terbatas yang injektif (menurut Liouville). (iii) Sedangkan keterhubungannya dipakai setiap kali teorema keidentikan atau Hurwitz (Latihan 17.8) berbicara: sebab limit ekstremalnya “injektif atau konstan”, dan kekonstanannya dikecualikan oleh ; dan juga pada “turunan nol mengakibatkan konstan”. Untuk kegagalannya bagi : Langkah 0 mustahil, dan kesimpulannya salah (Latihan 18.5(a)). Sedangkan untuk kegagalannya bagi anulusnya: ia tak terhubung sederhana — sehingga konstruksi akar kuadratnya patah (misalnya sendiri, yang bebas akar pada , tak berakar kuadrat holomorfik: lewat perhitungan indeks yang sama seperti pada Latihan 18.5(b) dengan ) — dan kesimpulannya pun salah.
Latihan 18.8 ★★
Selesaikan soal Dirichlet pada untuk data batas: (a) ; (b) ; (c) — dan untuk (c) hitunglah lalu tafsirkan lewat sifat nilai rata-ratanya. (Uraikan menjadi deret Fourier lalu pakailah deret : .)
Solusi
Solusi Latihan 18.8.
Dengan menyubstitusikan uraian Fourier ke dalam integral Poissonnya lalu memakai (yang terbaca dari deret ): , dengan penukarannya dibenarkan kekonvergenan normalnya (sebab dan ).
(a) Untuk : , sehingga — yang memang harmonik dengan nilai batas yang tepat.
(b) Karena : maka .
(c) Untuk (yakni setengah lingkaran atasnya): dan untuk , sehingga
sehingga pusatnya melihat tepat rata-rata data batasnya — yakni sifat nilai rata-rata yang menjelma.
Latihan 18.9 ★★★
(Harnack) Misalkan harmonik pada . Buktikan, untuk :
(batasilah kernel Poissonnya antara dan ; lalu terapkan penyajiannya pada cakram yang sedikit lebih kecil lalu ambil limitnya). Lalu turunkan: bahwa fungsi harmonik pada yang terbatas dari bawah bersifat konstan.
Solusi
Solusi Latihan 18.9.
Dari :
Lalu untuk yang harmonik pada dan : bersifat harmonik pada sebuah persekitaran , sehingga sama dengan integral Poissonnya (Teorema 18.12, lewat ketunggalannya, yang diterapkan pada nilai batasnya sendiri); lalu dengan menjepit kernelnya dan memakai nilai rata-ratanya :
Lalu biarkan pada yang tetap (lewat kekontinuan ): diperolehlah ketaksamaan Harnack. Sedangkan jika harmonik pada dengan : terapkan Harnack pada di cakram , yakni pada : maka untuk yang tetap dan , kedua batasnya menuju : sehingga — jadi konstan (yakni Liouville dua sisi dari sebuah batas sepihak).
Latihan 18.10 ★★
Dengan memakai keinvarianan konformal keharmonikannya (yakni bersifat harmonik bila harmonik dan holomorfik — buktikanlah lewat Proposisi 18.11 secara lokal), selesaikanlah soal Dirichlet pada setengah bidang atasnya dengan data batas : tunjukkan bahwa
bersifat harmonik pada (yakni bagian imajiner sebuah logaritma holomorfik) dengan limit batas yang dituntut di setiap , lalu angkutlah ia ke cakramnya lewat Cayley untuk menurunkan kembali Latihan 18.8(c).
Solusi
Solusi Latihan 18.10.
Secara lokal, dengan yang holomorfik (Proposisi 18.11), sehingga bersifat harmonik di mana pun ia terdefinisi: jadi keharmonikannya invarian secara konformal. Pada : logaritma pokoknya memberikan yang holomorfik pada , sehingga bersifat harmonik, dengan limit batasnya: sebab untuk , dan ; sedangkan untuk , dan : yakni data di setiap . Lalu dengan mengangkutnya lewat pemetaan Cayley (yang mengirim setelah inversinya dan mencocokkan setengah lingkaran atasnya dengan sumbu negatifnya, sampai rotasi yang ditetapkan lewat pengejaran tiga titik batasnya), menyelesaikan soal cakram Latihan 18.8(c); lalu menilaikannya di pusatnya memulihkan di sana, dan bentuk tertutupnya dapat diperiksa terhadap deretnya dengan menjumlahkan identitas bertipe — yakni jalur dasar menuju jawaban yang sama.
Latihan 18.11 ★★
(Titik tetap dan iterasi di cakramnya) Misalkan holomorfik. (a) Tunjukkan bahwa jika mempunyai dua titik tetap yang berbeda, maka (pindahkanlah salah satunya ke lewat sebuah automorfisma lalu terapkan kasus kesamaan Schwarz). (b) Andaikan dan bukan rotasi. Tunjukkan bahwa iterasinya secara seragam pada setiap kompak dengan (sebab Schwarz memberikan pada dengan — benarkanlah konstanta sejati ini lewat asas maksimum yang diterapkan pada ). (c) Peragakan dengan : yakni titik tetapnya, dan laju kekonvergenan orbit .
Solusi
Solusi Latihan 18.11.
(a) Misalkan tetap. Lalu dengan mengonjugatkannya lewat (yakni automorfisma yang menukar dan ), menetapkan dan titik . Lalu Schwarz: , dan di kesamaannya berlaku (sebab ): sehingga kasus kesamaannya memaksa dengan , dan memberikan : jadi , sehingga .
(b) Fungsi (dengan kesingularan terhapuskan di ) bersifat holomorfik pada dengan (menurut Schwarz); dan di mana-mana, sebab jika tidak asas maksimumnya (lewat maksimum interior ) akan membuat menjadi konstanta unimodular, yakni sebuah rotasi — yang terkecualikan. Lalu pada kompak , , sehingga di sana; lebih lanjut memetakan ke dirinya (sebab ), sehingga batasnya teriterasi: secara seragam pada .
(c) Titik tetap : sebab jika dan hanya jika ; sehingga hanya yang terletak di (sebab pada batasnya). Ia bukan rotasi (sebab ), sehingga orbitnya menuju ; dan secara kuantitatif memberikan pada , lalu begitu orbitnya kecil, : jadi asimtotik geometri bernisbah . Dari : , , dan — yakni separuh setiap langkahnya, seperti yang diramalkan pengalinya.
Latihan 18.12 ★★
(Sekawan harmonik, secara konkret) Misalkan . (a) Periksalah bahwa harmonik pada , lalu carilah semua sekawan harmoniknya (yakni yang -nya holomorfik) dengan mengintegralkan persamaan Cauchy–Riemannya; lalu kenali sebagai polinomial dalam . (b) Tunjukkan bahwa pada himpunan terbuka berbentuk bintang, setiap fungsi harmonik memiliki sekawan harmonik, yang tunggal sampai sebuah konstanta penjumlah (sebab bentuk- bersifat tertutup; lalu pakailah mesin antiturunan Teorema 16.8, atau lema Poincaré Bab 21). (c) Berikan contoh penyangkal bakunya pada : bahwa tak bersekawan global — lalu kaitkan dengan bentuk sudutnya dan bilangan lilitannya (Bab 21).
Solusi
Solusi Latihan 18.12.
(a) Berlaku . Lalu Cauchy–Riemann menuntut dan . Dengan mengintegralkan yang pertama terhadap : ; lalu memasukkannya ke yang kedua: , sehingga . Jadi dan
(b) Bentuk bersifat tertutup justru karena (sebab ). Lalu pada himpunan terbuka berbentuk bintang lema Poincaré (Teorema 21.15; atau konstruksi antiturunan Teorema 16.8 yang diterapkan pada yang holomorfik) menyediakan dengan , yakni sistem Cauchy–Riemannya: sehingga holomorfik. Sedangkan dua sekawannya berselisih sebuah fungsi yang gradiennya lenyap: yakni sebuah konstanta (lewat keterhubungannya).
(c) Untuk pada : , yakni bentuk sudutnya (Contoh 21.14), yang integralnya sepanjang lingkaran satuannya adalah : jadi tak eksak, sehingga tak ada sekawan global — sebab sebuah sekawan akan berupa penentuan argumen yang kontinu, dan bilangan lilitannya tepat merupakan rintangannya. Sedangkan secara lokal (pada sembarang subdaerah berbentuk bintang), berhasil dan : jadi kegagalannya global, bukan lokal.
18.7 Soal: teorema luas dan teorema seperempat Koebe
Soal 18.1
Soal akhir pekan — seberapa banyak yang harus diselimuti sebuah pemetaan univalen?
Sebuah fungsi univalen adalah injeksi holomorfik. Sedangkan fungsi univalen yang ternormalkan pada cakramnya,
terkendala secara kaku: kita membuktikan ketaksamaan Bieberbach lalu menurunkan teorema seperempat Koebe: bahwa peta setiap memuat cakram — yakni konstanta semesta yang tajam pada geometri konformalnya.
Bagian I — Teorema luasnya. Misalkan holomorfik dan injektif pada .
Untuk , misalkan luas (yakni ukuran Lebesgue) himpunan kompak , yakni daerah yang dilingkupi kurva Jordan mulus . Dengan memakai rumus luas dari teorema Green–Riemann pada jilid Tahun ke-2 — yakni luas terlingkupinya adalah sepanjang batas yang berarah positif — tunjukkan bahwa
substitusikanlah deret Laurent dan pada lalu integralkan suku demi suku (lewat kekonvergenan normalnya; sebab hanya hasil kali berfrekuensi nol yang bertahan).
Lalu biarkan dan simpulkan teorema luasnya:
Khususnya . Kapankah ?
Bagian II — Ketaksamaan milik Bieberbach. Misalkan .
- Tunjukkan bahwa bersifat holomorfik dan bebas akar pada , dan memiliki akar kuadrat holomorfik dengan ; lalu tetapkan , sehingga . Lalu tunjukkan bahwa merupakan fungsi univalen yang gasal pada dengan uraian . (Untuk keinjektifannya: memaksa ; lalu pakailah kegasalannya untuk menuntaskannya.)
- Terapkan teorema luasnya pada di (periksalah keunivalenannya dan uraiannya), lalu simpulkan .
Tunjukkan bahwa fungsi Koebe
termasuk , mempunyai , dan memetakan ke (tulislah lalu lacaklah petanya): sehingga semua ketaksamaan yang akan datang bersifat tajam.
Bagian III — Teorema seperempatnya.
Misalkan dan . Tunjukkan bahwa
termasuk , lalu hitunglah koefisien keduanya: .
- Terapkan Bieberbach pada maupun : lalu simpulkan , yakni . Jadi setiap nilai yang dilewatkan bermodulus : sehingga — yakni teorema seperempat Koebe. Lalu periksalah ketajamannya pada fungsi Koebenya.
Turunkan sebuah taksiran kuantitatif pemetaan Riemannya: bahwa jika merupakan pemetaan Riemann Teorema 18.9 di , maka
— lalu buktikanlah setidaknya ketaksamaan kirinya dengan menerapkan Koebe pada yang dinormalkan secara sesuai, dan yang kanannya lewat Schwarz yang diterapkan pada pada cakram .
Bagian IV — Perspektifnya.
Bieberbach menduga (1916) bahwa untuk setiap , dengan kesamaannya hanya bagi rotasi fungsi Koebenya; dan de Branges membuktikannya pada 1985. Periksalah dugaannya dengan tangan bagi fungsi Koebe dan rotasinya . Lalu dorong uraian pertanyaan 4 satu suku lebih jauh: dengan menulis , tunjukkan bahwa dan
sehingga teorema luasnya melahirkan ketaksamaan yang diperhalus . Lalu periksalah pada fungsi Koebenya (dengan dan ).
Bagian V — Teorema kesesatannya. Ketaksamaan Bieberbach, yang diangkut mengelilingi cakramnya lewat automorfismanya, mengendalikan di mana-mana. Tetapkan .
(Transformasi Koebe) Untuk misalkan , yakni sebuah automorfisma cakram (Teorema 18.5) dengan . Tunjukkan bahwa
termasuk (sebab keunivalenannya diwarisi; lalu hitunglah lalu periksa penormalannya; dan ingatlah bagi yang injektif, Definisi 18.1).
Hitunglah koefisien kedua milik :
lalu turunkan dari Bieberbach (pertanyaan 4), untuk , ketaksamaan fundamentalnya:
Ambillah bagian realnya:
Tunjukkan bahwa di (sebab bagi fungsi yang tak lenyap atas variabel real, ), lalu integralkan batas pertanyaan 12 sepanjang sinarnya untuk memperoleh teorema kesesatannya:
Turunkan teorema pertumbuhannya:
(untuk batas atasnya: integralkan pada ruas ; sedangkan untuk batas bawahnya: jika , maka ruas terletak di menurut pertanyaan 7; lalu tariklah ia kembali lewat — yang holomorfik menurut Akibat 17.10 — lalu batasi , dengan memakai ).
- Periksalah bahwa fungsi Koebenya mencapai kesamaan pada keempat batasnya, di untuk yang atas dan untuk yang bawah: sehingga sekaligus merupakan anggota yang paling memuai dan, di antipodenya, yang paling mengerut.
Bagian VI — Kekakuan ekstremalnya. Pada setiap ketaksamaan sejauh ini, kesamaannya mengenali fungsi Koebe sampai rotasinya. Kita membuktikannya, lalu memanennya.
Andaikan mempunyai . Kejarlah kesamaannya melalui pertanyaan 2–4: sebab teorema luasnya memaksa ; lalu kegasalan membuat gasal, sehingga ; lalu balikkan untuk mencari , kemudian , lalu simpulkan bahwa
sehingga rotasi fungsi Koebe merupakan satu-satunya anggota yang .
- Tunjukkan bahwa jika melewatkan sebuah nilai yang persis, maka merupakan rotasi fungsi Koebe, lalu kenali (lacaklah kesamaannya melalui rantai pertanyaan 7 ): sehingga konstanta teorema seperempatnya tercapai hanya oleh keluarga ekstremalnya.
(Koefisien secara murah) Gabungkan teorema pertumbuhannya dengan taksiran Cauchy (Teorema 16.10) pada lingkaran untuk membuktikan bahwa
(Menurut de Branges 1985: ; sedangkan faktor -nya adalah harga perkakas dasarnya.)
(Penyelimutan subcakramnya) Tunjukkan bahwa untuk setiap ,
yang tajam bagi fungsi Koebenya, lalu pulihkan teorema seperempatnya saat . (Sebab titik batas peta terbukanya terletak pada , sehingga bermodulus menurut pertanyaan 14; dan sebuah ruas dari ke sebuah titik terlewat yang bermodulus lebih kecil harus menyeberangi batas itu.)
(Koebe di setiap titiknya) Misalkan univalen pada , yang tak harus ternormalkan, dan . Buktikan bahwa
(untuk yang kiri: pakailah teorema seperempat yang diterapkan pada transformasi Koebe pertanyaan 10; sedangkan untuk yang kanan: Schwarz (Teorema 18.4) yang diterapkan pada , dengan , jaraknya, dan sebuah automorfisma cakram yang mengirim ke ). Lalu mengapa tak kosong?
- Periksalah pertanyaan 20 pada di : hitunglah lalu periksalah bahwa ketaksamaan kirinya berupa kesamaan: sehingga fungsi Koebe menjenuhkan teoremanya sendiri di setiap titik .
- (Moralnya) Dalam sepuluh baris: asas tunggal apa yang mendasari teorema luasnya, dan bagaimana Bieberbach, teorema seperempatnya, kesesatannya, pertumbuhannya, dan penyelimutannya semuanya mengalir darinya? Lalu bandingkan dengan dunia Schwarz–Pick pada Teorema 18.4: sebab pada keduanya, satu ketaksamaan interior mengakukan seluruh geometrinya, dan ekstremalnya tunggal sampai rotasinya.
Bagian VII — Kekompakan, balikan, dan sebuah uji kenyataan.
- Tunjukkan bahwa kelas bersifat kompak terhadap kekonvergenan seragam lokalnya: sebab ia terbatas lokal menurut teorema pertumbuhannya, sehingga normal (Teorema 18.7); dan limit seragam lokal anggota kembali berada di (sebab penormalannya beralih ke limitnya lewat kekonvergenan turunan Weierstrass; sedangkan keinjektifannya bertahan lewat Hurwitz, Latihan 17.8, karena limitnya tak konstan). Lalu mengapa ini penting bagi soal ekstremal seperti soal Bieberbach?
- Untuk , misalkan yang terdefinisi di dekat . Tunjukkan bahwa , sehingga koefisien kedua balikannya menuruti batas tajam yang sama , dengan kesamaannya tepat bagi fungsi Koebe yang dirotasikan.
- Tentukan untuk yang mana polinomial termasuk : tunjukkan bahwa bersifat injektif pada jika dan hanya jika (faktorkanlah ). Lalu simpulkan: bahwa untuk polinomial berderajat dua batas koefisien yang sebenarnya adalah , yakni empat kali lebih kecil daripada milik Bieberbach — sehingga ekstremal sungguh merupakan objek transenden, dan tak ada polinomial yang mendekatinya.
Solusi
Solusi Soal 18.1.
1. Fungsi bersifat injektif dan holomorfik; sedangkan pada (dengan ) ia mulus, dan luas terlingkupinya adalah (yakni rumus luas Green–Riemann Tahun ke-2, yang diterapkan dengan arah positif). Lalu dengan menyubstitusikan dan :
Sisipkan dan : maka setelah dikalikan , hanya hasil kali berfrekuensi nol yang bertahan pada pengintegralan--nya (sebab kekonvergenan normalnya membenarkan kerja suku demi sukunya): sehingga pasangan menyumbang , dan setiap pasangan menyumbang :
2. Luas bersifat tak negatif: sehingga untuk setiap ; lalu biarkan kemudian : diperoleh . Sedangkan kesamaan pada memaksa semua lainnya: jadi , yang memetakan ke komplemen sebuah ruas berpanjang (yakni pemetaan bertipe Joukowski): itulah ekstremalnya.
3. Fungsi bersifat holomorfik dan bebas akar pada (sebab lenyap hanya di , secara sederhana: menurut keinjektifannya), sehingga demikian pula , yang berakar kuadrat holomorfik dengan (Definisi 18.8; sebab cembung). Maka memenuhi , (lewat deret binomial akarnya), dan bersifat gasal menurut konstruksinya (sebab genap). Untuk keinjektifannya: memberikan , sehingga , yakni ; lalu jika maka kegasalannya memberikan , sehingga , yang memaksa (sebab bebas akar): jadi .
4. Untuk : bagi , dan di sana: jadi terdefinisi baik, injektif (sebab komposisi injeksi), dengan uraian
yakni berbentuk Bagian I dengan . Lalu teorema luasnya memberikan : sehingga .
5. Berlaku : sehingga koefisiennya , jadi . Untuk keunivalenan dan petanya: dengan , yakni pemetaan konformal ke setengah bidang kanannya; lalu memetakan setengah bidang itu secara konformal ke ; kemudian memberikan : jadi injektif pada setiap tahapnya, dengan peta seperti yang diklaim.
6. Untuk : karena , penyebutnya tak pernah lenyap: sehingga holomorfik, dan injektif (sebab bersifat Möbius dan injektif di luar ). Untuk uraiannya: dengan ,
sehingga dengan .
7. Bieberbach dua kali: dan , sehingga : jadi . Sehingga setiap nilai yang dilewatkan terletak di luar , yakni . Dan tajam: sebab fungsi Koebenya melewatkan (pertanyaan 5).
8. Misalkan dan dengan dan . Maka penormalannya terletak di , sehingga petanya memuat ; lalu dengan menskalakannya kembali, , sehingga : yakni ketaksamaan kirinya. Sedangkan untuk yang kanan: memetakan ke dalam dengan ; sehingga Schwarz membatasi turunannya di : , yakni — sehingga bersama-sama
(Sedangkan ketaksamaan kiri seperti yang ditampilkan pada pernyataannya adalah rantai yang sama, yang disusun ulang.)
9. Untuk fungsi Koebe : sehingga kesamaannya berlaku di sepanjang dugaannya; dan rotasinya mempunyai pula. Lalu dengan mendorong pertanyaan 4: dengan ; sehingga dengan membandingkan koefisien -nya: , jadi . Maka
dan teorema luasnya (yakni ) melahirkan
Untuk pemeriksaan Koebenya (dengan dan ): dan : sehingga totalnya tepat — jadi ekstremal, seperti yang seharusnya.
10. Pemetaan merupakan automorfisma cakram dengan , sehingga bersifat univalen pada (sebab komposisi injeksi), dan (Definisi 18.1): jadi terdefinisi baik dan univalen, dengan . Lalu lewat aturan hasil bagi:
sehingga dan : jadi .
11. Dengan : , dan memberikan . Karena itu
Lalu Bieberbach untuk (pertanyaan 4): , yakni . Kalikanlah dengan , yang bermodulus untuk , lalu pakailah :
12. Sebuah bilangan kompleks yang berjarak paling banyak dari titik real berbagian real di : lalu terapkan ini pada dan .
13. Untuk fungsi tak lenyap : , sehingga . Lalu dengan (yang bebas akar menurut keunivalenannya), , sehingga di :
menurut pertanyaan 12 pada jari-jari . Lalu karena dan , mengintegralkannya dari ke (sebab ketiga fungsinya lenyap di dan ) memberikan
yakni teorema kesesatannya, setelah dieksponensialkan.
14. Untuk yang atas: sepanjang ruas ,
(sebab ). Untuk yang bawah: perhatikan bagi (sebab ia menyatakan ), sehingga jika maka tak ada yang perlu dibuktikan. Selain itu ruas terletak di (pertanyaan 7), dan merupakan lintasan dari ke di (sebab holomorfik, Akibat 17.10). Lalu dengan menyubstitusikan ,
dengan , memakai batas kesesatan bawahnya pada jari-jari . Lalu karena (di mana pun ia terdefinisi; sebab bersifat Lipschitz) dan faktor integrannya positif,
(sebab dan ; dan substitusinya hanya memakai sebuah antiturunan, , bukan kemonotonannya).
15. Berlaku . Di : dan — sehingga kedua batas atasnya tercapai. Sedangkan di : dan — sehingga kedua batas bawahnya tercapai. Jadi fungsi Koebe merentangkan sumbu positifnya secara maksimal menuju batas yang jauh dan mengerutkan sinar antipodalnya secara maksimal ke arah ujung irisannya.
16. Bahwa berarti bagi (pertanyaan 4); lalu teorema luasnya membunuh setiap koefisien lainnya: sehingga dengan . Lalu karena gasal, : sehingga gasal, jadi . Lalu dengan membalikkannya, , dan memberikan
Sebaliknya setiap rotasinya mempunyai yang bermodulus : sehingga ekstremal Bieberbach tepat berupa fungsi Koebe yang dirotasikan.
17. Jika dilewatkan dengan : maka pertanyaan 6 memberikan dengan , sehingga dan
sehingga kesamaannya di sepanjangnya, khususnya . Lalu menurut pertanyaan 16, , yang himpunan terlewatnya adalah : sehingga satu-satunya nilai terlewat yang bermodulus adalah . (Periksalah: dan , sehingga : jadi ketaksamaan segitiganya jenuh lewat pelawanan arah, seperti yang seharusnya.)
18. Taksiran Cauchy pada lingkaran (Teorema 16.10), yang digabungkan dengan teorema pertumbuhannya, memberikan
Lalu pilihlah (dengan ): maka (sebab barisannya naik dengan limit ) dan : sehingga .
19. Himpunan bersifat terbuka (Akibat 17.10) dan memuat . Untuk batasnya: jika , tulislah dengan ; maka sebuah subbarisan memberikan , dan memaksa : sehingga , jadi setiap titik batas bermodulus (pertanyaan 14). Kini misalkan dan andaikan . Maka ruas terhubung, memotong (di ) dan komplemennya (di ), sehingga ia memotong ; padahal semua titiknya bermodulus : jadi bertentangan. Karena itu . Untuk ketajamannya: merupakan peta sebuah titik batas , dan injektif, sehingga : jadi jari-jarinya tak dapat diperbesar. Lalu saat , : yakni teorema seperempatnya bagi cakram penuhnya.
20. Pertama, : sebab jika tidak, , yang terbuka, tertutup, dan tak kosong, akan seluruh , sehingga akan berupa fungsi utuh yang terbatas dan tak konstan, yang bertentangan dengan Akibat 16.12. Untuk ketaksamaan kirinya: transformasi Koebe pada pertanyaan 10 terletak di dan ; sehingga menurut pertanyaan 7 ia memuat , jadi
dan setiap titik — yang saling lepas dengan himpunan terbuka — berjarak dari . Untuk ketaksamaan kanannya: misalkan . Maka cakram terletak di : sebab sebuah ruas dari ke sembarang titiknya tetap berjarak dari , sehingga tak pernah memotong , dan argumen keterhubungan pertanyaan 19 menjaganya di . Lalu memetakan ke dalam dengan , dan , dengan , menetapkan : sehingga Schwarz (Teorema 18.4) memberikan . Lalu karena , ini berarti .
21. Berlaku , sehingga , dan untuk titik real positif titik batas terdekatnya adalah :
Sedangkan anggota kiri pertanyaan 20: : yakni kesamaan. (Sedangkan anggota kanannya bernilai : sehingga faktor penuhnya memisahkan kedua sisinya, dan fungsi Koebe duduk tepat di dasarnya.)
22. Asas tunggalnya adalah Parseval: sebab keunivalenannya melarang pertindihan, sehingga luas komplemen peta , yang diuraikan pada ragam Fourier pada lingkarannya, bersifat tak negatif — jadi teorema luasnya merupakan identitas beserta sebuah tanda. Sedangkan selebihnya adalah ketaksamaan itu yang diangkut: sebab sebuah akar kuadrat (pertanyaan 3) mengubahnya menjadi ; lalu sebuah pencerminan Möbius dari sebuah nilai terlewat (pertanyaan 6) mengubah menjadi teorema seperempatnya; lalu automorfisma cakramnya (pertanyaan 10) menyebarkan ke seluruh cakramnya sebagai teorema kesesatannya; lalu pengintegralan radialnya mengubah kesesatan menjadi pertumbuhan, dan pertumbuhan menjadi penyelimutan. Dan pada setiap tahapnya kasus kesamaannya merambat pula, yang selalu mendarat pada fungsi Koebe yang dirotasikan — yakni satu keluarga ekstremal bagi seluruh teorinya, persis seperti rotasi merupakan satu-satunya ekstremal lema Schwarz. Jadi satu ketaksamaan interior, ditambah kekakuan kasus kesamaannya, mengatur seluruh geometrinya: sehingga pemetaan konformal adalah seni memanfaatkan ketaksamaan semacam itu.
23. Teorema pertumbuhannya membatasi secara seragam pada setiap dengan , bagi semua sekaligus: jadi terbatas lokal, sehingga merupakan keluarga normal (Teorema 18.7). Lalu jika secara seragam lokal: maka holomorfik dengan secara seragam lokal (menurut Weierstrass), sehingga dan — jadi khususnya tak konstan — dan Hurwitz (Latihan 17.8) membuat limit pemetaan injektifnya injektif: sehingga . Sedangkan sebuah fungsional kontinu (misalnya ) pada sebuah kelas kompak mencapai supremumnya: sehingga fungsi ekstremalnya ada sebelum orang tahu apa itu — yakni titik awal setiap serangan variasi atas soal koefisien, termasuk soal Bieberbach.
24. Tulis lalu komposisikan:
sehingga dan (menurut Bieberbach), dengan kesamaannya jika dan hanya jika , yakni jika dan hanya jika merupakan fungsi Koebe yang dirotasikan (pertanyaan 16) — dan lalu merupakan balikan yang bersesuaian, yang terdefinisi pada bidang teririsnya.
25. Berlaku . Jika : maka untuk di , (secara sejati, sebab ), sehingga faktor keduanya tak dapat lenyap: jadi injektif, dan (sebab penormalannya sudah tertanam). Sedangkan jika : titik mempunyai , sehingga terletak di untuk yang kecil, berbeda, dan membunuh faktornya: sehingga , jadi tak injektif. Karena itu memuat tepat untuk . Jadi batas Bieberbach sangat tak terjenuhkan oleh polinomial berderajat — sebab koefisien fungsi Koebe datang dari sebuah deret tak berhingga yang bersekongkol sepanjang sinar terlewatnya, yakni perilaku yang tak dapat ditiru polinomial mana pun (yang termasuk hanya dengan koefisien yang mungil).