Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

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 C\C 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, D=D(0,1)\mathbb D = D(0,1) dan H={Imz>0}\mathbb H = \{\operatorname{Im}z > 0\}.

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 Aut(Ω)\operatorname{Aut}(\Omega) menandai grup pemetaan diri yang konformal. Di tempat f0f' \neq 0 — yakni di mana-mana, bagi ff yang injektif (lihat bukti Akibat 17.10) — diferensialnya adalah perkalian dengan f(z)0f'(z) \neq 0: yakni sebuah keserupaan, sehingga pemetaan konformal mengawetkan sudut antara kurva, termasuk arahnya.

Contoh 18.2 (Transformasi Möbius)

Untuk (abcd)GL2(C)\bigl(\begin{smallmatrix}a & b\\ c & d\end{smallmatrix}\bigr) \in GL_2(\C), transformasi Möbius zaz+bcz+dz \mapsto \frac{az + b}{cz + d} bersifat konformal dari C{d/c}\C\setminus\{-d/c\} ke C{a/c}\C\setminus\{a/c\} (dengan balikan bertipe sama, dari matriks balikannya; sedangkan komposisinya bersesuaian dengan hasil kali matriksnya). Sedangkan pemetaan Cayley

φ(z)=ziz+i\varphi(z) = \frac{z - \iu}{z + \iu}

memetakan H\mathbb H secara konformal ke D\mathbb D: sebab sungguh zi<z+i\abs{z - \iu} < \abs{z + \iu} tepat saat zz lebih dekat ke i\iu daripada ke i-\iu, yakni Imz>0\operatorname{Im}z > 0; dan balikannya adalah wi1+w1ww \mapsto \iu\frac{1 + w}{1 - w}. 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

J(z)=12(z+1z).J(z) = \frac12\Bigl(z + \frac1z\Bigr) .

Pada bagian luar Ω={z>1}\Omega = \{\abs z > 1\} cakram satuannya, JJ bersifat injektif: sebab J(z)=J(w)J(z) = J(w) memberikan (zw)(11zw)=0(z - w)(1 - \frac1{zw}) = 0 padahal zw>1\abs{zw} > 1. Sedangkan turunannya J(z)=12(1z2)J'(z) = \frac12(1 - z^{-2}) lenyap hanya di z=±1z = \pm1, yakni pada batasnya: jadi JJ merupakan kesetaraan konformal dari Ω\Omega ke petanya, yakni C[1,1]\C\setminus\intcc{-1}1 — sedangkan lingkaran satuannya sendiri terlipat dua-ke-satu ke ruasnya (sebab J(eiθ)=cosθJ(\eu^{\iu\theta}) = \cos\theta). 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 ±1\pm1 tetapi tak berpusat di sana berupa kurva berbentuk aerofoil, dan mengomposisikan JJ 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 JJ mengonjugatkan zznz \mapsto z^n ke polinomial Chebyshev TnT_n (Soal 13.1, Bagian V), karena J(zn)=cos(nθ)J(z^n) = \cos(n\theta) bila z=eiθz = \eu^{\iu\theta}.

18.2 Lema Schwarz dan grup automorfismanya

Teorema 18.4 (Lema Schwarz)

Misalkan f ⁣:DDf \colon \mathbb D \to \mathbb D holomorfik dengan f(0)=0f(0) = 0. Maka

f(z)z  (zD)danf(0)1,\abs{f(z)} \leq \abs z \ \ (z \in \mathbb D) \qquad\text{dan}\qquad \abs{f'(0)} \leq 1 ,

dan jika f(z0)=z0\abs{f(z_0)} = \abs{z_0} untuk satu z00z_0 \neq 0, atau f(0)=1\abs{f'(0)} = 1, maka f(z)=eiθzf(z) = \eu^{\iu\theta}z merupakan sebuah rotasi.

Bukti. Fungsi g(z)=f(z)/zg(z) = f(z)/z diperluas secara holomorfik ke D\mathbb D (sebab kesingularannya di 00 terhapuskan: karena gg terbatas di dekat 00, Teorema 17.4; dan nilainya di 00 adalah f(0)f'(0)). Pada z=r<1\abs z = r < 1: g1r\abs g \leq \frac1r, sehingga menurut asas maksimumnya (Teorema 16.14) g1r\abs g \leq \frac1r pada Dˉ(0,r)\bar D(0,r); lalu biarkan r1r \to 1: g1\abs g \leq 1 pada D\mathbb D, yang merupakan kedua ketaksamaannya. Sedangkan kesamaan di titik interiornya membuat g\abs g mencapai maksimum di interiornya: sehingga gg konstan bermodulus 11.

Teorema 18.5 (Automorfisma cakramnya)

Untuk aDa \in \mathbb D, faktor Blaschke

φa(z)=za1aˉz\varphi_a(z) = \frac{z - a}{1 - \bar a z}

merupakan automorfisma D\mathbb D yang menukar aa dan 00, dengan φa1=φa\varphi_a^{-1} = \varphi_{-a}. Dan setiap automorfisma D\mathbb D berbentuk eiθφa\eu^{\iu\theta}\varphi_a untuk θR/2πZ\theta \in \R/2\pi\Z dan aDa \in \mathbb D yang tunggal.

Bukti. Pada z=1\abs z = 1: 1aˉz=zˉ1aˉz=zˉaˉz2=zˉaˉ=za\abs{1 - \bar az} = \abs{\bar z}\abs{1 - \bar az} = \abs{\bar z - \bar a\abs z^2} = \abs{\bar z - \bar a} = \abs{z - a}, sehingga φa=1\abs{\varphi_a} = 1 di sana; lalu menurut asas maksimumnya φa(D)Dˉ\varphi_a(\mathbb D) \subseteq \bar{\mathbb D}, dan keterbukaannya menaruh petanya di D\mathbb D. Sedangkan identitas aljabar φaφa=id\varphi_{-a}\circ\varphi_a = \mathrm{id} (lewat perhitungan langsung) menunjukkan kebijektifannya. Kini misalkan fAut(D)f \in \operatorname{Aut}(\mathbb D) dan a=f1(0)a = f^{-1}(0): maka g=fφag = f\circ\varphi_{-a} merupakan automorfisma yang menetapkan 00. Lalu Schwarz yang diterapkan pada gg dan pada g1g^{-1}: g(z)z\abs{g(z)} \leq \abs z dan g1(w)w\abs{g^{-1}(w)} \leq \abs w, sehingga g(z)=z\abs{g(z)} = \abs z: jadi rotasi, g=eiθidg = \eu^{\iu\theta}\,\mathrm{id}, yakni f=eiθφaf = \eu^{\iu\theta}\varphi_a. Untuk ketunggalannya: a=f1(0)a = f^{-1}(0) dan θ\theta dari penilaian bertipe ff' (atau dari f(0)=eiθaf(0) = -\eu^{\iu\theta}a dan satu nilai lagi).

Teorema 18.6 (Automorfisma bidangnya)

Aut(C)={zaz+b:aC, bC}\operatorname{Aut}(\C) = \{z \mapsto az + b : a \in \C^*,\ b \in \C\}. Karena itu C\C dan D\mathbb D tak setara secara konformal.

Bukti. Misalkan fAut(C)f \in \operatorname{Aut}(\C) lalu tinjaulah g(z)=f(1/z)g(z) = f(1/z) pada C\C^*: yakni fungsi holomorfik yang berkesingularan terpencil di 00. Seandainya ia hakiki, maka Casorati–Weierstrass (Teorema 17.4) akan membuat g(D(0,ε){0})g\bigl(D(0,\varepsilon)\setminus\{0\}\bigr) padat, sedangkan f(D(0,1))f(D(0, 1)) terbuka dan saling lepas dengannya (sebab ff injektif: karena kedua himpunannya peta himpunan yang saling lepas) — yang mustahil bagi sebuah himpunan padat dan sebuah himpunan terbuka tak kosong. Jadi 00 berupa kutub atau terhapuskan bagi gg, yakni f(z)\abs{f(z)} bertumbuh paling banyak polinomial: sehingga ff merupakan polinomial (Latihan 16.4(a)). Lalu keinjektifannya memaksa derajat 11: sebab polinomial berderajat lebih tinggi entah berakar rangkap pada fcf - c di suatu tempat (sehingga ff' lenyap) entah berprapeta beberapa yang berbeda (menurut d’Alembert–Gauss, Soal 16.1); dan bagaimanapun keinjektifannya gagal. Akhirnya, sebuah pemetaan konformal CD\C \to \mathbb D akan berupa fungsi utuh yang terbatas: jadi konstan (menurut Liouville) — sehingga tak ada kesetaraannya.

18.3 Teorema Montel

Teorema 18.7 (Montel)

Misalkan FH(Ω)\mathcal F \subseteq \mathcal H(\Omega) terbatas lokal: yakni setiap titiknya berpersekitaran yang supfFsupf<\sup_{f\in \mathcal F}\sup\abs f < \infty padanya. Maka setiap barisan F\mathcal F mempunyai subbarisan yang konvergen seragam pada setiap himpunan bagian kompak Ω\Omega (dengan limit yang holomorfik).

Bukti. Untuk kekontinuan setara lokalnya: jika fM\abs f \leq M pada D(a,2r)ΩD(a, 2r) \subseteq \Omega untuk setiap fFf \in \mathcal F, maka rumus Cauchy memberikan, untuk z,zD(a,r)z, z' \in D(a, r),

f(z)f(z)=zz2πC2rf(w) ⁣dw(wz)(wz)zz2π2rM2πr2=2Mrzz:\abs{f(z) - f(z')} = \frac{\abs{z - z'}}{2\pi} \Bigl|\int_{C_{2r}}\frac{f(w)\,\dd w}{(w-z)(w-z')}\Bigr| \leq \frac{\abs{z - z'}\,2\pi\cdot2r\,M}{2\pi\,r^2} = \frac{2M}{r}\,\abs{z - z'} :

yakni sebuah batas Lipschitz yang seragam. Lalu habiskan Ω\Omega oleh kompak KmK_m; sebab setiap KmK_m terselimuti berhingga banyak cakram semacam itu, sehingga F\mathcal F terbatas seragam dan berkekontinuan setara pada KmK_m: sehingga Arzelà–Ascoli (Teorema 7.11) memetik subbarisan yang konvergen seragam pada KmK_m; lalu diagonalkan atas mm. Sedangkan limitnya holomorfik menurut Teorema 16.15.

18.4 Teorema pemetaan Riemann

Definisi 18.8

Sebuah ΩC\Omega \subseteq \C yang terbuka terhubung disebut terhubung sederhana (dalam arti homologinya, yang mencukupi bagi seluruh keperluan kita) jika Indγ(w)=0\operatorname{Ind}_\gamma(w) = 0 untuk setiap siklus γ\gamma di Ω\Omega dan setiap wΩw \notin \Omega — yakni “tak ada siklus Ω\Omega yang mengelilingi lubang”. Lalu menurut teorema Cauchy globalnya (Teorema 17.1) dan Proposisi 16.5, pada Ω\Omega semacam itu setiap fungsi holomorfik berantiturunan; sehingga setiap fH(Ω)f \in \mathcal H(\Omega) yang bebas akar mempunyai logaritma holomorfik (yakni exp\exp\circ(antiturunan f/ff'/f), yang disesuaikan oleh sebuah konstanta, sebab (feL)=0(f\eu^{-L})' = 0) beserta akar ke-nn holomorfiknya eL/n\eu^{L/n}.

Teorema 18.9 (Teorema pemetaan Riemann)

Setiap ΩC\Omega \subsetneq \C yang terbuka terhubung sederhana dengan Ω\Omega \neq \varnothing setara secara konformal dengan D\mathbb D; dan diberikan z0Ωz_0 \in \Omega, ada tepat satu f ⁣:ΩDf \colon \Omega \to \mathbb D yang konformal dengan f(z0)=0f(z_0) = 0 dan f(z0)>0f'(z_0) > 0.

Bukti. Langkah 0: keluarganya tak kosong. Pilihlah bΩb \notin \Omega: maka zbz - b bebas akar pada Ω\Omega, sehingga ia berakar kuadrat holomorfik hh (dengan h2=zbh^2 = z - b). Lalu hh injektif (sebab h(z)=h(z)h(z) = h(z') berkuadrat z=zz = z'), dan jika wh(Ω)w \in h(\Omega) maka wh(Ω)-w \notin h(\Omega) (sebab h(z)=h(z)h(z) = -h(z') juga berkuadrat z=zz = z', yang memberikan w=w=0w = -w = 0, yang mustahil karena hh bebas akar). Lalu karena h(Ω)h(\Omega) terbuka, ia memuat sebuah cakram D(h(z0),ρ)D(h(z_0), \rho); sehingga D(h(z0),ρ)h(Ω)=D(-h(z_0), \rho) \cap h(\Omega) = \varnothing, yakni h(z)+h(z0)ρ\abs{h(z) + h(z_0)} \geq \rho untuk setiap zΩz \in \Omega. Karena itu

g(z)=ρ2(h(z)+h(z0))g(z) = \frac{\rho}{2\,\bigl(h(z) + h(z_0)\bigr)}

bersifat holomorfik, injektif (yakni pemetaan Möbius yang dikomposisikan dengan hh yang injektif), dengan g12<1\abs g \leq \frac12 < 1. Lalu dengan mengomposisikannya dengan sebuah faktor Blaschke (Teorema 18.5) untuk memindahkan g(z0)g(z_0) ke 00, keluarganya

F={f ⁣:ΩD holomorfik, injektif, f(z0)=0}\mathcal F = \{f \colon \Omega \to \mathbb D \text{ holomorfik, injektif, } f(z_0) = 0\}

bersifat tak kosong.

Langkah 1: sebuah unsur ekstremal. Misalkan s=supFf(z0)(0,+]s = \sup_{\mathcal F}\abs{f'(z_0)} \in \intoc0{+\infty} (yang >0> 0: sebab anggotanya injektif, sehingga f(z0)0f'(z_0) \neq 0). Ambil fnFf_n \in \mathcal F dengan fn(z0)s\abs{f_n'(z_0)} \to s: keluarganya terbatas oleh 11, sehingga Montel (Teorema 18.7) memetik fnff_n \to f secara seragam pada kompak; lalu ff bersifat holomorfik dengan f(z0)=0f(z_0) = 0 dan f(z0)=s\abs{f'(z_0)} = s (lewat Teorema 16.15 untuk turunannya), sehingga khususnya ff tak konstan; lalu ff bersifat injektif menurut Hurwitz (Latihan 17.8(b)), dan f(Ω)Dˉf(\Omega) \subseteq \bar{\mathbb D}, jadi D\subseteq \mathbb D (lewat pemetaan terbukanya). Jadi fFf \in \mathcal F mencapai supremumnya: sehingga s<s < \infty.

Langkah 2: pemetaan ekstremalnya bersifat pada. Andaikan aDf(Ω)a \in \mathbb D\setminus f(\Omega). Maka angkutan Blaschke φaf\varphi_a\circ f bebas akar pada Ω\Omega yang terhubung sederhana: sehingga ia berakar kuadrat holomorfik FF (dengan F(Ω)DF(\Omega) \subseteq \mathbb D, sebab F2=φaf<1\abs F^2 = \abs{\varphi_a\circ f} < 1), yang injektif (sebab kuadratnya membedakan). Lalu normalkan: G=φF(z0)FFG = \varphi_{F(z_0)}\circ F \in \mathcal F. Dengan membalikkannya: f=φas2φF(z0)Gf = \varphi_{-a}\circ s_2 \circ \varphi_{-F(z_0)}\circ G dengan s2(w)=w2s_2(w) = w^2; sedangkan pemetaan Ψ=φas2φF(z0) ⁣:DD\Psi = \varphi_{-a}\circ s_2\circ\varphi_{-F(z_0)} \colon \mathbb D \to \mathbb D bersifat holomorfik dengan Ψ(0)=f(z0)=0\Psi(0) = f(z_0) = 0 dan bukan sebuah rotasi (sebab ia tak injektif: karena s2s_2 tidak). Lalu lema Schwarz (pada kasus sejatinya): Ψ(0)<1\abs{\Psi'(0)} < 1, dan aturan rantai f=ΨGf = \Psi\circ G memberikan f(z0)=Ψ(0)G(z0)<G(z0)\abs{f'(z_0)} = \abs{\Psi'(0)}\,\abs{G'(z_0)} < \abs{G'(z_0)} — yang bertentangan dengan kemaksimalannya (perhatikan GFG \in \mathcal F). Karena itu ff bersifat pada: yakni sebuah kesetaraan konformal.

Langkah 3: penormalan dan ketunggalannya. Kalikan ff dengan eiargf(z0)\eu^{-\iu\arg f'(z_0)} untuk membuat f(z0)>0f'(z_0) > 0 (dan ini tetap di F\mathcal F). Lalu jika f1,f2f_1, f_2 sama-sama berhasil, maka ψ=f2f11Aut(D)\psi = f_2\circ f_1^{-1} \in \operatorname{Aut}(\mathbb D) menetapkan 00 dengan ψ(0)=f2(z0)/f1(z0)>0\psi'(0) = f_2'(z_0)/f_1'(z_0) > 0; sehingga menurut Teorema 18.5 ψ\psi merupakan rotasi eiθ\eu^{\iu\theta} dengan eiθ>0\eu^{\iu\theta} > 0: jadi ψ=id\psi = \mathrm{id}.

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 D\mathbb D. 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 C\C atau ke daerah terhubung ganda: sebab anulus {1<z<2}\{1 < \abs z < 2\} 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 Ω\Omega terhubung sederhana dan u ⁣:ΩRu \colon \Omega \to \R harmonik (yakni C2\mathcal C^2 dengan Δu=uxx+uyy=0\Delta u = u_{xx} + u_{yy} = 0). Maka u=ReFu = \operatorname{Re}F untuk sebuah FF yang holomorfik dan tunggal sampai sebuah konstanta imajiner. Karena itu uu bersifat C\mathcal C^\infty, memenuhi sifat nilai rata-rata, dan menuruti asas maksimumnya (yakni tak ada ekstremum interior sejati kecuali ia konstan).

Bukti. Fungsi g=uxiuyg = u_x - \iu u_y memenuhi persamaan Cauchy–Riemann (dengan P=uxP = u_x dan Q=uyQ = -u_y: sebab Px=uxx=uyy=QyP_x = u_{xx} = -u_{yy} = Q_y dan Py=uxy=uyx=QxP_y = u_{xy} = u_{yx} = -Q_x) beserta turunan parsial yang kontinu: sehingga gg bersifat holomorfik (Proposisi 16.2; sebab keterturunan-R\R-nya menyusul dari C1\mathcal C^1). Lalu misalkan F0F_0 sebuah antiturunan (lewat keterhubungan sederhananya, Definisi 18.8); maka ReF0\operatorname{Re}F_0 bergradien (ux,uy)(u_x, u_y) (sebab F0=gF_0' = g terurai tepat menjadi itu lewat Cauchy–Riemann bagi F0F_0), sehingga uReF0u - \operatorname{Re}F_0 konstan (sebab Ω\Omega terhubung): lalu sesuaikan F=F0+cF = F_0 + c. Sedangkan sifatnya berpindah dari Teorema 16.14 dan Latihan 16.10 (dan untuk asas maksimum yang diterapkan pada uu sendiri, pakailah eF\eu^{F} seperti di sana).

Teorema 18.12 (Rumus Poisson; soal Dirichlet pada cakramnya)

Untuk 0r<10 \leq r < 1 definisikan kernel Poisson

Pr(θ)=nZrneinθ=1r212rcosθ+r2  >  0.P_r(\theta) = \sum_{n\in\Z}r^{\abs n}\eu^{\iu n\theta} = \frac{1 - r^2}{1 - 2r\cos\theta + r^2} \;>\; 0 .

Lalu misalkan g ⁣:DRg \colon \partial\mathbb D \to \R kontinu, dan tetapkan, untuk z=reiφDz = r\eu^{\iu\varphi} \in \mathbb D,

u(z)=12π02πPr(φt)g(eit) ⁣dt.u(z) = \frac1{2\pi}\int_0^{2\pi} P_r(\varphi - t)\,g(\eu^{\iu t})\,\dd t .

Maka uu bersifat harmonik pada D\mathbb D dan diperluas secara kontinu ke Dˉ\bar{\mathbb D} dengan nilai batas gg: yakni satu-satunya fungsi harmonik yang demikian.

Bukti. Identitas kernelnya: dengan menjumlahkan dua deret geometri,

nZrneinθ=Re1+reiθ1reiθ=1r21reiθ2,\sum_{n\in\Z}r^{\abs n}\eu^{\iu n\theta} = \operatorname{Re}\frac{1 + r\eu^{\iu\theta}}{1 - r\eu^{\iu\theta}} = \frac{1 - r^2}{\abs{1 - r\eu^{\iu\theta}}^2},

yang merupakan hasil bagi yang ditampilkan itu; sedangkan kepositifannya jelas, dan 12π02πPr=1\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}P_r = 1 (sebab hanya n=0n = 0 yang bertahan).

Keharmonikannya: dengan z=reiφz = r\eu^{\iu\varphi},

u(z)=Re[12π02πeit+zeitzg(eit) ⁣dt],u(z) = \operatorname{Re}\biggl[\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi} \frac{\eu^{\iu t} + z}{\eu^{\iu t} - z}\, g(\eu^{\iu t})\,\dd t\biggr],

(sebab kernel di dalam kurungnya berbagian real Pr(φt)P_r(\varphi - t): hitunglah), dan kurungnya bersifat holomorfik terhadap zz pada D\mathbb D (Latihan 16.7): sehingga uu merupakan bagian real sebuah fungsi holomorfik, jadi harmonik.

Nilai batasnya: Pr()P_r(\cdot) merupakan identitas hampiran saat r1r \to 1^-: sebab bermassa 11, dan untuk δθπ\delta \leq \abs\theta \leq \pi, Pr(θ)1r212rcosδ+r20P_r(\theta) \leq \frac{1 - r^2}{1 - 2r\cos\delta + r^2} \to 0 secara seragam. Lalu pemisahan bakunya (lewat kekontinuan gg di dekat eiφ0\eu^{\iu\varphi_0} dan keterbatasannya di tempat lain) memberikan u(reiφ)g(eiφ0)u(r\eu^{\iu\varphi}) \to g(\eu^{\iu\varphi_0}) saat reiφeiφ0r\eu^{\iu\varphi} \to \eu^{\iu\varphi_0}, secara seragam terhadap titik batasnya: sehingga perluasannya kontinu. Untuk ketunggalannya: selisih dua solusinya bersifat harmonik pada D\mathbb D, kontinu pada penutupnya, dan nol pada batasnya: sehingga menurut asas maksimumnya (yang diterapkan pada ±\pm selisihnya), ia lenyap.

Kurva aras Rez2 = x2 - y2 (yakni hiperbola merah) dan Imz2 = 2xy (yakni hiperbola biru) berpotongan tegak lurus jauh dari 0: sehingga sebuah pemetaan konformal (z z2, di tempat z ≠ 0) mengawetkan keortogonalan garis koordinatnya. Sedangkan di z = 0, tempat turunannya lenyap, sudutnya justru berlipat dua.
Kurva aras Rez2=x2y2\operatorname{Re}z^2 = x^2 - y^2 (yakni hiperbola merah) dan Imz2=2xy\operatorname{Im}z^2 = 2xy (yakni hiperbola biru) berpotongan tegak lurus jauh dari 00: sehingga sebuah pemetaan konformal (zz2z \mapsto z^2, di tempat z0z \neq 0) mengawetkan keortogonalan garis koordinatnya. Sedangkan di z=0z = 0, tempat turunannya lenyap, sudutnya justru berlipat dua.

18.6 Latihan

Latihan 18.1

(a) Periksalah bahwa pemetaan Cayley φ(z)=ziz+i\varphi(z) = \frac{z - \iu}{z + \iu} merupakan bijeksi HD\mathbb H \to \mathbb D dengan balikan yang dinyatakan itu, lalu hitunglah peta i\iu, 00, 11, dan \infty (lewat limitnya). (b) Tunjukkan bahwa z1/zz \mapsto 1/z memetakan lingkaran dan garis ke lingkaran dan garis. (Tulislah persamaan bersamanya αz2+βˉz+βzˉ+γ=0\alpha\abs z^2 + \bar\beta z + \beta\bar z + \gamma = 0 dengan α,γR\alpha, \gamma \in \R.) Lalu turunkan hal yang sama bagi setiap pemetaan Möbius.

Solusi

Solusi Latihan 18.1.

(a) Pemetaan φ\varphi dan ψ(w)=i1+w1w\psi(w) = \iu\frac{1+w}{1-w} berkomposisi menjadi identitasnya dalam kedua urutannya (lewat perhitungan langsung); sedangkan φ\varphi memetakan H\mathbb H ke dalam D\mathbb D dan ψ\psi mengembalikannya (Contoh 18.2). Nilainya: φ(i)=0\varphi(\iu) = 0, φ(0)=1\varphi(0) = -1, φ(1)=1i1+i=i\varphi(1) = \frac{1 - \iu}{1 + \iu} = -\iu, dan φ(z)1\varphi(z) \to 1 saat zz \to \infty.

(b) Lingkaran dan garis merupakan himpunan penyelesaian αz2+βˉz+βzˉ+γ=0\alpha\abs z^2 + \bar\beta z + \beta\bar z + \gamma = 0 (dengan α,γR\alpha, \gamma \in \R, βC\beta \in \C, dan β2>αγ\abs\beta^2 > \alpha\gamma): sebab α0\alpha \neq 0 memberi lingkaran dan α=0\alpha = 0 garis. Lalu dengan menyubstitusikan z=1/wz = 1/w dan mengalikannya dengan w2\abs w^2: γw2+βw+βˉwˉ+α=0\gamma\abs w^2 + \beta w + \bar\beta\bar w + \alpha = 0 — yakni keluarga yang sama. Sedangkan pemetaan afin jelas mengawetkan keluarganya, dan setiap pemetaan Möbius merupakan komposisi pemetaan afin dan satu inversi (sebab az+bcz+d=ac+bcadc1cz+d\frac{az+b}{cz+d} = \frac ac + \frac{bc - ad}{c}\cdot\frac1{cz + d} untuk c0c \neq 0).

Latihan 18.2

Misalkan f ⁣:DDf \colon \mathbb D \to \mathbb D holomorfik. (a) Jika f(0)=0f(0) = 0 dan f(a)=af(a) = a untuk suatu a0a \neq 0, tunjukkan bahwa f=idf = \mathrm{id}. (b) Jika ff merupakan automorfisma dengan dua titik tetap yang berbeda di D\mathbb D, tunjukkan bahwa f=idf = \mathrm{id} (konjugatkanlah dengan sebuah faktor Blaschke untuk menyusutkannya ke (a)).

Solusi

Solusi Latihan 18.2.

(a) Schwarz memberikan f(a)a\abs{f(a)} \leq \abs a dengan kesamaannya (sebab kedua ruasnya =a= \abs a): sehingga kasus kesamaannya memaksa f(z)=eiθzf(z) = \eu^{\iu\theta}z, dan f(a)=af(a) = a memakukan eiθ=1\eu^{\iu\theta} = 1.

(b) Misalkan aba \neq b titik tetapnya dan g=φafφaAut(D)g = \varphi_a\circ f\circ\varphi_{-a} \in \operatorname{Aut}(\mathbb D) — dengan memakai Teorema 18.5 untuk φ±a\varphi_{\pm a}. Maka g(0)=φa(f(a))=0g(0) = \varphi_a(f(a)) = 0 dan g(c)=cg(c) = c untuk c=φa(b)0c = \varphi_a(b) \neq 0: sehingga menurut (a), g=idg = \mathrm{id}, jadi f=φaφa=idf = \varphi_{-a}\circ\varphi_a = \mathrm{id}.

Latihan 18.3 ★★

(Schwarz–Pick) Untuk f ⁣:DDf\colon \mathbb D \to \mathbb D yang holomorfik, buktikan bahwa

f(z)1f(z)2    11z2(zD),\frac{\abs{f'(z)}}{1 - \abs{f(z)}^2} \;\leq\; \frac{1}{1 - \abs z^2} \qquad (z \in \mathbb D),

dengan kesamaannya (di satu titik, sehingga di mana-mana) jika dan hanya jika fAut(D)f \in \operatorname{Aut}(\mathbb D). (Terapkan Schwarz pada φf(z)fφz\varphi_{f(z)}\circ f\circ\varphi_{-z}.) Tafsirannya: bahwa pemetaan diri yang holomorfik mengerutkan metrik hiperboliknya.

Solusi

Solusi Latihan 18.3.

Tetapkan zz lalu tetapkan g=φf(z)fφzg = \varphi_{f(z)}\circ f\circ\varphi_{-z}: yakni pemetaan holomorfik DD\mathbb D \to \mathbb D dengan g(0)=0g(0) = 0, sehingga g(0)1\abs{g'(0)} \leq 1 (menurut Schwarz). Lalu aturan rantai dengan φa(ζ)=1a2(1aˉζ)2\varphi_a'(\zeta) = \frac{1 - \abs a^2}{(1 - \bar a\zeta)^2}:

g(0)=φf(z)(f(z))f(z)φz(0)=11f(z)2f(z)(1z2),g'(0) = \varphi_{f(z)}'\bigl(f(z)\bigr)\cdot f'(z)\cdot \varphi_{-z}'(0) = \frac{1}{1 - \abs{f(z)}^2}\cdot f'(z)\cdot(1 - \abs z^2),

sehingga diperolehlah ketaksamaan Schwarz–Pick. Sedangkan kesamaan di suatu zz membuat gg menjadi rotasi, jadi f=φf(z)(rotasi)φzAut(D)f = \varphi_{-f(z)}\circ(\text{rotasi})\circ\varphi_z \in \operatorname{Aut}(\mathbb D) — lalu kesamaannya berlaku di mana-mana (hitunglah, atau terapkan ulang dengan peran f,f1f, f^{-1} yang ditukar). Jadi pemetaan diri holomorfik cakramnya bersifat Lipschitz-11 terhadap metrik hiperbolik 2 ⁣dz1z2\frac{2\abs{\dd z}}{1 - \abs z^2}; sedangkan automorfismanya adalah isometrinya.

Latihan 18.4 ★★

Carilah kesetaraan konformal yang eksplisit: (a) dari jalur {0<Imz<π}H\{0 < \operatorname{Im}z < \pi\} \to \mathbb H; (b) dari kuadran {Rez>0,Imz>0}H\{\operatorname{Re}z > 0, \operatorname{Im}z > 0\} \to \mathbb H; (c) dari setengah cakram DH\mathbb D\cap\mathbb H \to sebuah kuadran, lalu H\to \mathbb H; (d) dari DD\mathbb D \to \mathbb D yang mengirim 12\frac12 ke 00 dengan turunan positif di sana.

Solusi

Solusi Latihan 18.4.

(a) Pemetaan zezz \mapsto \eu^z: memetakan {0<Imz<π}\{0 < \operatorname{Im}z < \pi\} secara bijektif ke H\mathbb H (sebab ex+iy=exeiy\eu^{x+\iu y} = \eu^x\eu^{\iu y}: dengan modulus bebas dan argumen y(0,π)y \in \intoo0\pi), holomorfik dengan turunan yang tak lenyap dan balikan yang holomorfik (yakni log\log pokoknya). (b) Pemetaan zz2z \mapsto z^2 menggandakan argumennya: sehingga kuadran terbuka {0<argz<π2}\{0 < \arg z < \frac\pi2\} terpetakan secara konformal ke H\mathbb H (dengan balikannya: akar kuadrat pokoknya). (c) Pemetaan z1+z1zz \mapsto \frac{1 + z}{1 - z} memetakan D\mathbb D 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 H\mathbb H: yakni z(1+z1z)2z \mapsto \bigl(\frac{1 + z}{1 - z}\bigr)^2. (d) Faktor Blaschke φ1/2(z)=z121z2\varphi_{1/2}(z) = \frac{z - \frac12}{1 - \frac z2}: sebab φ1/2(12)=0\varphi_{1/2}(\tfrac12) = 0 dan φ1/2(12)=114(114)2=43>0\varphi_{1/2}'(\tfrac12) = \frac{1 - \frac14}{(1 - \frac14)^2} = \frac43 > 0.

Latihan 18.5 ★★

(a) Tunjukkan bahwa tak ada pemetaan konformal CD\C \to \mathbb D atau CH\C \to \mathbb H, dan tak ada pula DC\mathbb D \to \C. (b) Manakah di antara berikut yang setara secara konformal dengan D\mathbb D? Benarkanlah lewat Teorema 18.9 atau lewat sebuah rintangan: sebuah bujur sangkar; C(,0]\C\setminus\intoc{-\infty}0; D{0}\mathbb D\setminus\{0\}; dan {1<z<2}\{1 < \abs z < 2\}. (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 CD\C \to \mathbb D (atau H\mathbb H, setelah dikomposisikan dengan Cayley) merupakan fungsi utuh yang terbatas: jadi konstan menurut Liouville — sehingga tak bijektif. Sedangkan pemetaan konformal DC\mathbb D \to \C akan berbalikan konformal CD\C \to \mathbb D: yakni pertentangan yang sama.

(b) Bujur sangkarnya cembung, jadi terhubung sederhana, dan sejati: sehingga secara konformal D\mathbb D (Teorema 18.9). Sedangkan bidang teriris C(,0]\C\setminus\intoc{-\infty}0 berbentuk bintang terhadap 11 (sebab ruas dari 11 menghindari irisannya), jadi terhubung sederhana, dan sejati: sehingga secara konformal D\mathbb D. Untuk cakram tertusuknya: jika g ⁣:D{0}Dg \colon \mathbb D\setminus\{0\} \to \mathbb D bersifat konformal, maka gg terbatas, sehingga 00 terhapuskan (Teorema 17.4): jadi gg diperluas menjadi g~ ⁣:DD\tilde g \colon \mathbb D \to \mathbb D, dan g~(0)\tilde g(0), karena berada di peta terbukanya g(D{0})=Dg(\mathbb D\setminus\{0\}) = \mathbb D, juga berupa g(w)g(w) untuk suatu w0w \neq 0; lalu dua persekitaran yang saling lepas atas 00 dan ww berpeta terbuka yang berbagi nilai g~(0)\tilde g(0), sehingga berbagi nilai lain pula (sebab himpunannya terbuka): jadi gg mengambil suatu nilai dua kali pada D{0}\mathbb D\setminus\{0\} — yang bertentangan dengan keinjektifannya. Sedangkan untuk anulus A={1<z<2}A = \{1 < \abs z < 2\}: andaikan F ⁣:DAF \colon \mathbb D \to A konformal. Maka FF bebas akar pada D\mathbb D yang terhubung sederhana, sehingga F=eLF = \eu^L untuk LL yang holomorfik (Definisi 18.8). Lalu misalkan σ\sigma lingkaran z=32\abs z = \frac32 di AA dan γ=F1σ\gamma = F^{-1}\circ\sigma, yakni lintasan tertutup di D\mathbb D; maka

1=Indσ(0)=12iπFγ ⁣dww=12iπγFF=12iπγL=01 = \operatorname{Ind}_\sigma(0) = \frac1{2\iu\pi}\int_{F\circ\gamma}\frac{\dd w}{w} = \frac1{2\iu\pi}\int_\gamma\frac{F'}{F} = \frac1{2\iu\pi}\int_\gamma L' = 0

(sebab LL' berantiturunan): jadi bertentangan. Sehingga baik cakram tertusuknya maupun anulusnya bukanlah cakram yang menyamar.

Latihan 18.6 ★★

Misalkan F={fH(D):f(0)=1, Ref>0}\mathcal F = \{f \in \mathcal H(\mathbb D) : f(0) = 1,\ \operatorname{Re}f > 0\}. (a) Tunjukkan bahwa F\mathcal F terbatas lokal. (Komposisikanlah dengan pemetaan bertipe Cayley ww1w+1w \mapsto \frac{w - 1}{w + 1} yang mengirim setengah bidang kanannya ke D\mathbb D, lalu terapkan Schwarz.) (b) Turunkan batas Herglotz: f(z)1+z1z\abs{f(z)} \leq \frac{1 + \abs z}{1 - \abs z} untuk fFf \in \mathcal F, beserta kemungkinan kesamaannya.

Solusi

Solusi Latihan 18.6.

(a) Pemetaan T(w)=w1w+1T(w) = \frac{w - 1}{w + 1} memetakan {Rew>0}\{\operatorname{Re}w > 0\} secara konformal ke D\mathbb D (yakni Cayley yang dirotasikan: sebab w1<w+1\abs{w - 1} < \abs{w + 1} jika dan hanya jika Rew>0\operatorname{Re}w > 0), dengan T(1)=0T(1) = 0. Lalu untuk fFf \in \mathcal F, g=Tf ⁣:DDg = T\circ f\colon \mathbb D \to \mathbb D bersifat holomorfik dengan g(0)=0g(0) = 0: sehingga Schwarz memberikan g(z)z\abs{g(z)} \leq \abs z.

(b) Dengan membalikkan TT: f=1+g1gf = \frac{1 + g}{1 - g}, sehingga

f(z)1+g(z)1g(z)1+z1z:\abs{f(z)} \leq \frac{1 + \abs{g(z)}}{1 - \abs{g(z)}} \leq \frac{1 + \abs z}{1 - \abs z} :

sehingga terbatas lokal (secara seragam pada zr<1\abs z \leq r < 1). Sedangkan kesamaan di z00z_0 \neq 0 memaksa g(z0)=z0\abs{g(z_0)} = \abs{z_0} beserta kesejajarannya: sehingga gg menjadi rotasi, yakni f(z)=1+eiθz1eiθzf(z) = \frac{1 + \eu^{\iu\theta}z}{1 - \eu^{\iu\theta}z} — 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) ΩC\Omega \neq \C; (iii) keterhubungannya. Lalu tunjukkan bahwa teoremanya gagal untuk Ω=C\Omega = \C 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 zbz - b) dan pada Langkah 2 (untuk akar φaf\varphi_a\circ f). (ii) Syarat ΩC\Omega \neq \C menyediakan titik bb pada Langkah 0 — sebab tanpanya keluarga F\mathcal F 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 s>0s > 0; dan juga pada “turunan nol mengakibatkan konstan”. Untuk kegagalannya bagi C\C: 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 zz sendiri, yang bebas akar pada AA, tak berakar kuadrat holomorfik: lewat perhitungan indeks yang sama seperti pada Latihan 18.5(b) dengan 12σ ⁣dzz2iπZ\frac12\int_\sigma\frac{\dd z}z \notin 2\iu\pi\Z) — dan kesimpulannya pun salah.

Latihan 18.8 ★★

Selesaikan soal Dirichlet pada D\mathbb D untuk data batas: (a) g(eit)=costg(\eu^{\iu t}) = \cos t; (b) g(eit)=cos2tg(\eu^{\iu t}) = \cos^2 t; (c) g=1setengah lingkaran atasg = \mathbf 1_{\text{setengah lingkaran atas}} — dan untuk (c) hitunglah u(0)u(0) lalu tafsirkan lewat sifat nilai rata-ratanya. (Uraikan gg menjadi deret Fourier lalu pakailah deret PrP_r: u(reiφ)=ncn(g)rneinφu(r\eu^{\iu\varphi}) = \sum_n c_n(g) r^{\abs n}\eu^{\iu n\varphi}.)

Solusi

Solusi Latihan 18.8.

Dengan menyubstitusikan uraian Fourier gg ke dalam integral Poissonnya lalu memakai 12πPr(φt)eint ⁣dt=rneinφ\frac1{2\pi}\int P_r(\varphi - t)\eu^{\iu nt}\dd t = r^{\abs n}\eu^{\iu n\varphi} (yang terbaca dari deret PrP_r): u(reiφ)=ncn(g)rneinφu(r\eu^{\iu\varphi}) = \sum_nc_n(g)\,r^{\abs n}\eu^{\iu n\varphi}, dengan penukarannya dibenarkan kekonvergenan normalnya (sebab cng\abs{c_n} \leq \norm g_\infty dan r<1r < 1).

(a) Untuk g=costg = \cos t: c±1=12c_{\pm1} = \frac12, sehingga u=rcosφ=Rez=xu = r\cos\varphi = \operatorname{Re}z = x — yang memang harmonik dengan nilai batas yang tepat.

(b) Karena cos2t=12+cos2t2\cos^2t = \frac12 + \frac{\cos 2t}2: maka u=12+r2cos2φ2=12+Re(z2)2=12+x2y22u = \frac12 + \frac{r^2\cos2\varphi}2 = \frac12 + \frac{\operatorname{Re}(z^2)}2 = \frac12 + \frac{x^2 - y^2}{2}.

(c) Untuk g=1(0,π)g = \mathbf 1_{(0,\pi)} (yakni setengah lingkaran atasnya): c0=12c_0 = \frac12 dan cn=1(1)n2iπnc_n = \frac{1 - (-1)^n}{2\iu\pi n} untuk n0n \neq 0, sehingga

u(reiφ)=12+2πk0r2k+1sin((2k+1)φ)2k+1,u(0)=12:u(r\eu^{\iu\varphi}) = \frac12 + \frac2\pi\sum_{k\geq0} \frac{r^{2k+1}\sin\bigl((2k+1)\varphi\bigr)}{2k + 1}, \qquad u(0) = \frac12 :

sehingga pusatnya melihat tepat rata-rata data batasnya — yakni sifat nilai rata-rata yang menjelma.

Latihan 18.9 ★★★

(Harnack) Misalkan u0u \geq 0 harmonik pada D\mathbb D. Buktikan, untuk z=r<1\abs z = r < 1:

1r1+ru(0)    u(z)    1+r1ru(0)\frac{1 - r}{1 + r}\,u(0) \;\leq\; u(z) \;\leq\; \frac{1 + r}{1 - r}\,u(0)

(batasilah kernel Poissonnya antara 1r1+r\frac{1-r}{1+r} dan 1+r1r\frac{1+r}{1-r}; lalu terapkan penyajiannya pada cakram yang sedikit lebih kecil lalu ambil limitnya). Lalu turunkan: bahwa fungsi harmonik pada C\C yang terbatas dari bawah bersifat konstan.

Solusi

Solusi Latihan 18.9.

Dari (1r)212rcosθ+r2(1+r)2(1-r)^2 \leq 1 - 2r\cos\theta + r^2 \leq (1+r)^2:

1r1+r=1r2(1+r)2Pr(θ)1r2(1r)2=1+r1r.\frac{1-r}{1+r} = \frac{1 - r^2}{(1+r)^2} \leq P_r(\theta) \leq \frac{1 - r^2}{(1 - r)^2} = \frac{1+r}{1-r} .

Lalu untuk u0u \geq 0 yang harmonik pada D\mathbb D dan s<1s < 1: us(z)=u(sz)u_s(z) = u(sz) bersifat harmonik pada sebuah persekitaran Dˉ\bar{\mathbb D}, 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 12πus(eit) ⁣dt=u(0)\frac1{2\pi}\int u_s(\eu^{\iu t})\dd t = u(0):

1r1+ru(0)u(sreiφ)1+r1ru(0).\frac{1-r}{1+r}\,u(0) \leq u(s\,r\eu^{\iu\varphi}) \leq \frac{1+r}{1-r}\,u(0).

Lalu biarkan s1s \to 1^- pada reiφr\eu^{\iu\varphi} yang tetap (lewat kekontinuan uu): diperolehlah ketaksamaan Harnack. Sedangkan jika uu harmonik pada C\C dengan umu \geq m: terapkan Harnack pada umu - m di cakram D(0,R)D(0, R), yakni pada zu(Rz)mz \mapsto u(Rz) - m: maka untuk zz yang tetap dan r=z/R0r = \abs z/R \to 0, kedua batasnya menuju u(0)mu(0) - m: sehingga u(z)=u(0)u(z) = u(0) — jadi konstan (yakni Liouville dua sisi dari sebuah batas sepihak).

Latihan 18.10 ★★

Dengan memakai keinvarianan konformal keharmonikannya (yakni ufu\circ f bersifat harmonik bila uu harmonik dan ff holomorfik — buktikanlah lewat Proposisi 18.11 secara lokal), selesaikanlah soal Dirichlet pada setengah bidang atasnya dengan data batas 1(,0)\mathbf 1_{\intoo{-\infty}0}: tunjukkan bahwa

u(x+iy)=1πarg(x+iy)(arg(0,π) pada H)u(x + \iu y) = \frac1\pi\,\arg(x + \iu y) \qquad (\arg \in \intoo0\pi \text{ pada } \mathbb H)

bersifat harmonik pada H\mathbb H (yakni bagian imajiner sebuah logaritma holomorfik) dengan limit batas yang dituntut di setiap x0x \neq 0, lalu angkutlah ia ke cakramnya lewat Cayley untuk menurunkan kembali Latihan 18.8(c).

Solusi

Solusi Latihan 18.10.

Secara lokal, u=ReFu = \operatorname{Re}F dengan FF yang holomorfik (Proposisi 18.11), sehingga uf=Re(Ff)u\circ f = \operatorname{Re}(F\circ f) bersifat harmonik di mana pun ia terdefinisi: jadi keharmonikannya invarian secara konformal. Pada H\mathbb H: logaritma pokoknya memberikan logz=lnz+iargz\log z = \ln\abs z + \iu\arg z yang holomorfik pada H\mathbb H, sehingga u=1πargz=Im(1πlogz)u = \frac1\pi\arg z = \operatorname{Im}\bigl(\frac1\pi\log z\bigr) bersifat harmonik, dengan limit batasnya: sebab untuk x>0x > 0, arg0\arg \to 0 dan u0u \to 0; sedangkan untuk x<0x < 0, argπ\arg \to \pi dan u1u \to 1: yakni data 1(,0)\mathbf 1_{\intoo{-\infty}0} di setiap x0x \neq 0. Lalu dengan mengangkutnya lewat pemetaan Cayley (yang mengirim DH\mathbb D \to \mathbb H setelah inversinya dan mencocokkan setengah lingkaran atasnya dengan sumbu negatifnya, sampai rotasi yang ditetapkan lewat pengejaran tiga titik batasnya), u(Cayley)u\circ(\text{Cayley}) menyelesaikan soal cakram Latihan 18.8(c); lalu menilaikannya di pusatnya memulihkan u=12u = \frac12 di sana, dan bentuk tertutupnya 1πarg\frac1\pi\arg dapat diperiksa terhadap deretnya dengan menjumlahkan identitas bertipe r2k+1sin((2k+1)φ)2k+1=12arctan2rsinφ1r2\sum\frac{r^{2k+1}\sin((2k+1)\varphi)}{2k+1} = \frac12\arctan\frac{2r\sin\varphi}{1 - r^2} — yakni jalur dasar menuju jawaban yang sama.

Latihan 18.11 ★★

(Titik tetap dan iterasi di cakramnya) Misalkan f ⁣:DDf\colon\mathbb D \to \mathbb D holomorfik. (a) Tunjukkan bahwa jika ff mempunyai dua titik tetap yang berbeda, maka f=idf = \mathrm{id} (pindahkanlah salah satunya ke 00 lewat sebuah automorfisma lalu terapkan kasus kesamaan Schwarz). (b) Andaikan f(0)=0f(0) = 0 dan ff bukan rotasi. Tunjukkan bahwa iterasinya fn0f^{\circ n} \to 0 secara seragam pada setiap kompak Dˉ(0,r)\bar D(0, r) dengan r<1r < 1 (sebab Schwarz memberikan f(z)crz\abs{f(z)} \leq c_r\abs z pada Dˉ(0,r)\bar D(0,r) dengan cr<1c_r < 1 — benarkanlah konstanta sejati ini lewat asas maksimum yang diterapkan pada f(z)/zf(z)/z). (c) Peragakan dengan f(z)=z2+z2f(z) = \frac{z^2 + z}2: yakni titik tetapnya, dan laju kekonvergenan orbit z0=12z_0 = \frac12.

Solusi

Solusi Latihan 18.11.

(a) Misalkan aba \neq b tetap. Lalu dengan mengonjugatkannya lewat φa(z)=za1aˉz\varphi_a(z) = \frac{z - a}{1 - \bar az} (yakni automorfisma yang menukar aa dan 00), g=φafφa1g = \varphi_a\circ f\circ\varphi_a^{-1} menetapkan 00 dan titik c=φa(b)0c = \varphi_a(b) \neq 0. Lalu Schwarz: g(z)z\abs{g(z)} \leq \abs z, dan di z=cz = c kesamaannya berlaku (sebab g(c)=cg(c) = c): sehingga kasus kesamaannya memaksa g(z)=λzg(z) = \lambda z dengan λ=1\abs\lambda = 1, dan λc=c\lambda c = c memberikan λ=1\lambda = 1: jadi g=idg = \mathrm{id}, sehingga f=idf = \mathrm{id}.

(b) Fungsi h(z)=f(z)/zh(z) = f(z)/z (dengan kesingularan terhapuskan di 00) bersifat holomorfik pada D\mathbb D dengan h1\abs h \leq 1 (menurut Schwarz); dan h<1\abs h < 1 di mana-mana, sebab jika tidak asas maksimumnya (lewat maksimum interior h\abs h) akan membuat hh menjadi konstanta unimodular, yakni ff sebuah rotasi — yang terkecualikan. Lalu pada kompak Dˉ(0,r)\bar D(0,r), cr=maxh<1c_r = \max\abs h < 1, sehingga f(z)crz\abs{f(z)} \leq c_r\abs z di sana; lebih lanjut ff memetakan Dˉ(0,r)\bar D(0,r) ke dirinya (sebab crzrc_r\abs z \leq r), sehingga batasnya teriterasi: fn(z)crnr0\abs{f^{\circ n}(z)} \leq c_r^n\,r \to 0 secara seragam pada Dˉ(0,r)\bar D(0, r).

(c) Titik tetap z2+z2\frac{z^2 + z}2: sebab z2+z=2zz^2 + z = 2z jika dan hanya jika z(z1)=0z(z - 1) = 0; sehingga hanya z=0z = 0 yang terletak di D\mathbb D (sebab z=1z = 1 pada batasnya). Ia bukan rotasi (sebab f(0)=12f'(0) = \frac12), sehingga orbitnya menuju 00; dan secara kuantitatif f(z)=z2(1+z)f(z) = \frac z2(1 + z) memberikan f(z)34z\abs{f(z)} \leq \frac{3}{4}\abs z pada z12\abs z \leq \frac12, lalu begitu orbitnya kecil, f(z)z2\abs{f(z)} \approx \frac{\abs z}2: jadi asimtotik geometri bernisbah f(0)=12f'(0) = \frac12. Dari z0=12z_0 = \frac12: z1=38z_1 = \frac38, z20.258z_2 \approx 0.258, dan z30.162z_3 \approx 0.162 — yakni separuh setiap langkahnya, seperti yang diramalkan pengalinya.

Latihan 18.12 ★★

(Sekawan harmonik, secara konkret) Misalkan u(x,y)=x33xy2+2yu(x, y) = x^3 - 3xy^2 + 2y. (a) Periksalah bahwa uu harmonik pada R2\R^2, lalu carilah semua sekawan harmoniknya vv (yakni yang u+ivu + \iu v-nya holomorfik) dengan mengintegralkan persamaan Cauchy–Riemannya; lalu kenali f(z)=u+ivf(z) = u + \iu v sebagai polinomial dalam zz. (b) Tunjukkan bahwa pada himpunan terbuka berbentuk bintang, setiap fungsi harmonik memiliki sekawan harmonik, yang tunggal sampai sebuah konstanta penjumlah (sebab bentuk-11 uy ⁣dx+ux ⁣dy-u_y\,\dd x + u_x\,\dd y bersifat tertutup; lalu pakailah mesin antiturunan Teorema 16.8, atau lema Poincaré Bab 21). (c) Berikan contoh penyangkal bakunya pada C\C^*: bahwa u=lnzu = \ln\abs z tak bersekawan global — lalu kaitkan dengan bentuk sudutnya dan bilangan lilitannya (Bab 21).

Solusi

Solusi Latihan 18.12.

(a) Berlaku Δu=6x6x+0=0\Delta u = 6x - 6x + 0 = 0. Lalu Cauchy–Riemann menuntut vy=ux=3x23y2v_y = u_x = 3x^2 - 3y^2 dan vx=uy=6xy2v_x = -u_y = 6xy - 2. Dengan mengintegralkan yang pertama terhadap yy: v=3x2yy3+c(x)v = 3x^2y - y^3 + c(x); lalu memasukkannya ke yang kedua: 6xy+c(x)=6xy26xy + c'(x) = 6xy - 2, sehingga c(x)=2x+Cc(x) = -2x + C. Jadi v=3x2yy32x+Cv = 3x^2y - y^3 - 2x + C dan

f=u+iv=(x33xy2)+i(3x2yy3)+2y2ix+iC=z32iz+iC.f = u + \iu v = (x^3 - 3xy^2) + \iu(3x^2y - y^3) + 2y - 2\iu x + \iu C = z^3 - 2\iu z + \iu C .

(b) Bentuk ω=uy ⁣dx+ux ⁣dy\omega = -u_y\,\dd x + u_x\,\dd y bersifat tertutup justru karena Δu=0\Delta u = 0 (sebab y(uy)=uyy=uxx=x(ux)\partial_y(-u_y) = -u_{yy} = u_{xx} = \partial_x(u_x)). Lalu pada himpunan terbuka berbentuk bintang lema Poincaré (Teorema 21.15; atau konstruksi antiturunan Teorema 16.8 yang diterapkan pada uxiuyu_x - \iu u_y yang holomorfik) menyediakan vv dengan  ⁣dv=ω\dd v = \omega, yakni sistem Cauchy–Riemannya: sehingga u+ivu + \iu v holomorfik. Sedangkan dua sekawannya berselisih sebuah fungsi yang gradiennya lenyap: yakni sebuah konstanta (lewat keterhubungannya).

(c) Untuk u=lnzu = \ln\abs z pada C\C^*: ω=uy ⁣dx+ux ⁣dy=y ⁣dx+x ⁣dyx2+y2=ωθ\omega = -u_y\dd x + u_x\dd y = \frac{-y\,\dd x + x\,\dd y}{x^2 + y^2} = \omega_\theta, yakni bentuk sudutnya (Contoh 21.14), yang integralnya sepanjang lingkaran satuannya adalah 2π02\pi \neq 0: 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), v=argzv = \arg z berhasil dan u+iv=logzu + \iu v = \log z: 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,

S={fH(D) injektif, f(z)=z+a2z2+a3z3+},\mathcal S = \bigl\{f \in \mathcal H(\mathbb D) \text{ injektif},\ f(z) = z + a_2z^2 + a_3z^3 + \cdots\bigr\},

terkendala secara kaku: kita membuktikan ketaksamaan Bieberbach a22\abs{a_2} \leq 2 lalu menurunkan teorema seperempat Koebe: bahwa peta setiap fSf \in \mathcal S memuat cakram D(0,14)D(0, \frac14) — yakni konstanta semesta yang tajam pada geometri konformalnya.

Bagian I — Teorema luasnya. Misalkan g(w)=w+b0+b1w+b2w2+g(w) = w + b_0 + \frac{b_1}w + \frac{b_2}{w^2} + \cdots holomorfik dan injektif pada {w>1}\{\abs w > 1\}.

  1. Untuk ρ>1\rho > 1, misalkan AρA_\rho luas (yakni ukuran Lebesgue) himpunan kompak Kρ=Cg({w>ρ})K_\rho = \C\setminus g(\{\abs w > \rho\}), yakni daerah yang dilingkupi kurva Jordan mulus g(Cρ)g(C_\rho). Dengan memakai rumus luas dari teorema Green–Riemann pada jilid Tahun ke-2 — yakni luas terlingkupinya adalah 12iζˉ ⁣dζ\frac1{2\iu} \oint\bar\zeta\,\dd\zeta sepanjang batas yang berarah positif — tunjukkan bahwa

    Aρ=12iCρg(w)g(w) ⁣dw=π(ρ2n1nbn2ρ2n):A_\rho = \frac{1}{2\iu}\int_{C_\rho} \overline{g(w)}\,g'(w)\,\dd w = \pi\Bigl(\rho^2 - \sum_{n\geq1}n\,\abs{b_n}^2\rho^{-2n}\Bigr) :

    substitusikanlah deret Laurent gˉ\bar g dan gg' pada CρC_\rho lalu integralkan suku demi suku (lewat kekonvergenan normalnya; sebab hanya hasil kali berfrekuensi nol yang bertahan).

  2. Lalu biarkan ρ1+\rho \to 1^+ dan simpulkan teorema luasnya:

    n1nbn2    1.\sum_{n\geq1}n\,\abs{b_n}^2 \;\leq\; 1 .

    Khususnya b11\abs{b_1} \leq 1. Kapankah b1=1\abs{b_1} = 1?

Bagian II — Ketaksamaan a22\abs{a_2} \leq 2 milik Bieberbach. Misalkan f=z+a2z2+Sf = z + a_2z^2 + \cdots \in \mathcal S.

  1. Tunjukkan bahwa f(z2)/z2f(z^2)/z^2 bersifat holomorfik dan bebas akar pada D\mathbb D, dan memiliki akar kuadrat holomorfik φ\varphi dengan φ(0)=1\varphi(0) = 1; lalu tetapkan h(z)=zφ(z2)h(z) = z\varphi(z^2), sehingga h(z)2=f(z2)h(z)^2 = f(z^2). Lalu tunjukkan bahwa hh merupakan fungsi univalen yang gasal pada D\mathbb D dengan uraian h(z)=z+a22z3+h(z) = z + \frac{a_2}2z^3 + \cdots. (Untuk keinjektifannya: h(z)2=h(z)2h(z)^2 = h(z')^2 memaksa z2=z2z^2 = z'^2; lalu pakailah kegasalannya untuk menuntaskannya.)
  2. Terapkan teorema luasnya pada g(w)=1/h(1/w)=wa22w+g(w) = 1/h(1/w) = w - \frac{a_2}{2w} + \cdots di {w>1}\{\abs w > 1\} (periksalah keunivalenannya dan uraiannya), lalu simpulkan a22\abs{a_2} \leq 2.
  3. Tunjukkan bahwa fungsi Koebe

    k(z)=z(1z)2=n1nznk(z) = \frac{z}{(1 - z)^2} = \sum_{n\geq1}n\,z^n

    termasuk S\mathcal S, mempunyai a2=2a_2 = 2, dan memetakan D\mathbb D ke C(,14]\C\setminus\intoc{-\infty}{-\frac14} (tulislah k=14[(1+z1z)21]k = \frac14\bigl[\bigl(\frac{1+z}{1 - z}\bigr)^2 - 1\bigr] lalu lacaklah petanya): sehingga semua ketaksamaan yang akan datang bersifat tajam.

Bagian III — Teorema seperempatnya.

  1. Misalkan fSf \in \mathcal S dan cf(D)c \notin f(\mathbb D). Tunjukkan bahwa

    F(z)=cf(z)cf(z)F(z) = \frac{c\,f(z)}{c - f(z)}

    termasuk S\mathcal S, lalu hitunglah koefisien keduanya: A2=a2+1cA_2 = a_2 + \frac1c.

  2. Terapkan Bieberbach pada ff maupun FF: lalu simpulkan 1cA2+a24\abs{\frac1c} \leq \abs{A_2} + \abs{a_2} \leq 4, yakni c14\abs c \geq \frac14. Jadi setiap nilai yang dilewatkan bermodulus 14\geq \frac14: sehingga f(D)D(0,14)f(\mathbb D) \supseteq D(0, \frac14) — yakni teorema seperempat Koebe. Lalu periksalah ketajamannya pada fungsi Koebenya.
  3. Turunkan sebuah taksiran kuantitatif pemetaan Riemannya: bahwa jika φ ⁣:ΩD\varphi \colon \Omega \to \mathbb D merupakan pemetaan Riemann Teorema 18.9 di z0z_0, maka

    d(z0,Ω)4    1φ(z0)    4d(z0,Ω)\frac{d\bigl(z_0, \partial\Omega\bigr)}{4} \;\leq\; \frac1{\varphi'(z_0)} \;\leq\; 4\,d\bigl(z_0, \partial\Omega\bigr)

    — lalu buktikanlah setidaknya ketaksamaan kirinya dengan menerapkan Koebe pada φ1\varphi^{-1} yang dinormalkan secara sesuai, dan yang kanannya lewat Schwarz yang diterapkan pada φ\varphi pada cakram D(z0,d)ΩD(z_0, d) \subseteq \Omega.

Bagian IV — Perspektifnya.

  1. Bieberbach menduga (1916) bahwa ann\abs{a_n} \leq n untuk setiap nn, dengan kesamaannya hanya bagi rotasi fungsi Koebenya; dan de Branges membuktikannya pada 1985. Periksalah dugaannya dengan tangan bagi fungsi Koebe dan rotasinya eiθk(eiθz)\eu^{-\iu\theta}k(\eu^{\iu\theta}z). Lalu dorong uraian pertanyaan 4 satu suku lebih jauh: dengan menulis h(z)=z+a22z3+c5z5+h(z) = z + \frac{a_2}2z^3 + c_5z^5 + \cdots, tunjukkan bahwa c5=a32a228c_5 = \frac{a_3}2 - \frac{a_2^2}8 dan

    g(w)=wa22w1+(3a228a32)w3+,g(w) = w - \frac{a_2}{2}\,w^{-1} + \Bigl(\frac{3a_2^2}8 - \frac{a_3}2\Bigr)w^{-3} + \cdots ,

    sehingga teorema luasnya melahirkan ketaksamaan yang diperhalus a222+33a228a3221\bigl|\frac{a_2}2\bigr|^2 + 3\bigl|\frac{3a_2^2}8 - \frac{a_3}2\bigr|^2 \leq 1. Lalu periksalah pada fungsi Koebenya (dengan a2=2a_2 = 2 dan a3=3a_3 = 3).

Bagian V — Teorema kesesatannya. Ketaksamaan Bieberbach, yang diangkut mengelilingi cakramnya lewat automorfismanya, mengendalikan ff' di mana-mana. Tetapkan fSf \in \mathcal S.

  1. (Transformasi Koebe) Untuk z0Dz_0 \in \mathbb D misalkan φ(z)=z+z01+zˉ0z\varphi(z) = \frac{z + z_0}{1 + \bar z_0z}, yakni sebuah automorfisma cakram (Teorema 18.5) dengan φ(0)=z0\varphi(0) = z_0. Tunjukkan bahwa

    F(z)=f(φ(z))f(z0)f(z0)(1z02)F(z) = \frac{f(\varphi(z)) - f(z_0)} {f'(z_0)\,\bigl(1 - \abs{z_0}^2\bigr)}

    termasuk S\mathcal S (sebab keunivalenannya diwarisi; lalu hitunglah φ(0)=1z02\varphi'(0) = 1 - \abs{z_0}^2 lalu periksa penormalannya; dan ingatlah f0f' \neq 0 bagi ff yang injektif, Definisi 18.1).

  2. Hitunglah koefisien kedua A2=12F(0)A_2 = \frac12F''(0) milik FF:

    A2=12[(1z02)f(z0)f(z0)2zˉ0],A_2 = \frac12\Bigl[\bigl(1 - \abs{z_0}^2\bigr) \frac{f''(z_0)}{f'(z_0)} - 2\bar z_0\Bigr] ,

    lalu turunkan dari Bieberbach (pertanyaan 4), untuk z=reiθz = r\eu^{\iu\theta}, ketaksamaan fundamentalnya:

    zf(z)f(z)2r21r2    4r1r2.\Bigl|\,z\,\frac{f''(z)}{f'(z)} - \frac{2r^2}{1 - r^2}\Bigr| \;\leq\; \frac{4r}{1 - r^2} .
  3. Ambillah bagian realnya:

    2r24r1r2    Re(zf(z)f(z))    2r2+4r1r2.\frac{2r^2 - 4r}{1 - r^2} \;\leq\; \operatorname{Re}\Bigl(z\,\frac{f''(z)}{f'(z)}\Bigr) \;\leq\; \frac{2r^2 + 4r}{1 - r^2} .
  4. Tunjukkan bahwa  ⁣d ⁣dtlogf(teiθ)=1tRe(zf(z)f(z))\frac{\dd}{\dd t}\log\bigl| f'(t\eu^{\iu\theta})\bigr| = \frac1t \operatorname{Re}\bigl(z\frac{f''(z)}{f'(z)}\bigr) di z=teiθz = t\eu^{\iu\theta} (sebab bagi fungsi C1\mathcal C^1 yang tak lenyap gg atas variabel real,  ⁣d ⁣dtlogg=Re(g/g)\frac{\dd}{\dd t}\log\abs g = \operatorname{Re}(g'/g)), lalu integralkan batas pertanyaan 12 sepanjang sinarnya untuk memperoleh teorema kesesatannya:

    1r(1+r)3    f(z)    1+r(1r)3,z=r.\frac{1 - r}{(1 + r)^3} \;\leq\; \abs{f'(z)} \;\leq\; \frac{1 + r}{(1 - r)^3}, \qquad \abs z = r .
  5. Turunkan teorema pertumbuhannya:

    r(1+r)2    f(z)    r(1r)2,z=r\frac{r}{(1 + r)^2} \;\leq\; \abs{f(z)} \;\leq\; \frac{r}{(1 - r)^2}, \qquad \abs z = r

    (untuk batas atasnya: integralkan ff' pada ruas [0,z][0, z]; sedangkan untuk batas bawahnya: jika f(z)<14\abs{f(z)} < \frac14, maka ruas [0,f(z)][0, f(z)] terletak di f(D)f(\mathbb D) menurut pertanyaan 7; lalu tariklah ia kembali lewat f1f^{-1} — yang holomorfik menurut Akibat 17.10 — lalu batasi f(z)=γf(ζ) ⁣dζ0r1t(1+t)3 ⁣dt\abs{f(z)} = \int_\gamma\abs{f'(\zeta)} \,\abs{\dd\zeta} \geq \int_0^r\frac{1 - t}{(1 + t)^3}\,\dd t, dengan memakai  ⁣dζ ⁣dζ\abs{\dd\zeta} \geq \dd\abs\zeta).

  6. Periksalah bahwa fungsi Koebenya mencapai kesamaan pada keempat batasnya, di z=rz = r untuk yang atas dan z=rz = -r untuk yang bawah: sehingga kk sekaligus merupakan anggota S\mathcal S 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.

  1. Andaikan fSf \in \mathcal S mempunyai a2=2\abs{a_2} = 2. Kejarlah kesamaannya melalui pertanyaan 2–4: sebab teorema luasnya memaksa g(w)=w+b0+eiα/wg(w) = w + b_0 + \eu^{\iu\alpha}/w; lalu kegasalan hh membuat gg gasal, sehingga b0=0b_0 = 0; lalu balikkan untuk mencari hh, kemudian ff, lalu simpulkan bahwa

    f(z)=eiθk(eiθz)dengan eiθ=eiα:f(z) = \eu^{-\iu\theta}k\bigl(\eu^{\iu\theta}z\bigr) \quad\text{dengan } \eu^{\iu\theta} = -\eu^{\iu\alpha} :

    sehingga rotasi fungsi Koebe merupakan satu-satunya anggota S\mathcal S yang a2=2\abs{a_2} = 2.

  2. Tunjukkan bahwa jika fSf \in \mathcal S melewatkan sebuah nilai cc yang c=14\abs c = \frac14 persis, maka ff merupakan rotasi fungsi Koebe, lalu kenali c=eiθ/4c = -\eu^{-\iu\theta}/4 (lacaklah kesamaannya melalui rantai pertanyaan 7 4=1/c=A2a2A2+a244 = \abs{1/c} = \abs{A_2 - a_2} \leq \abs{A_2} + \abs{a_2} \leq 4): sehingga konstanta teorema seperempatnya tercapai hanya oleh keluarga ekstremalnya.
  3. (Koefisien secara murah) Gabungkan teorema pertumbuhannya dengan taksiran Cauchy (Teorema 16.10) pada lingkaran z=11n\abs z = 1 - \frac1n untuk membuktikan bahwa

    an    en2(n2).\abs{a_n} \;\leq\; \eu\,n^2 \qquad (n \geq 2) .

    (Menurut de Branges 1985: ann\abs{a_n} \leq n; sedangkan faktor en\eu n-nya adalah harga perkakas dasarnya.)

  4. (Penyelimutan subcakramnya) Tunjukkan bahwa untuk setiap 0<r<10 < r < 1,

    f(D(0,r))D(0,r(1+r)2),f\bigl(D(0, r)\bigr) \supseteq D\Bigl(0, \frac{r}{(1 + r)^2}\Bigr),

    yang tajam bagi fungsi Koebenya, lalu pulihkan teorema seperempatnya saat r1r \to 1^-. (Sebab titik batas peta terbukanya f(D(0,r))f(D(0,r)) terletak pada f(D(0,r))f(\partial D(0,r)), sehingga bermodulus r(1+r)2\geq \frac{r}{(1+r)^2} menurut pertanyaan 14; dan sebuah ruas dari 00 ke sebuah titik terlewat yang bermodulus lebih kecil harus menyeberangi batas itu.)

  5. (Koebe di setiap titiknya) Misalkan ff univalen pada D\mathbb D, yang tak harus ternormalkan, dan z0Dz_0 \in \mathbb D. Buktikan bahwa

    14(1z02)f(z0)    d(f(z0),f(D))    (1z02)f(z0)\tfrac14\bigl(1 - \abs{z_0}^2\bigr)\abs{f'(z_0)} \;\leq\; d\bigl(f(z_0), \partial f(\mathbb D)\bigr) \;\leq\; \bigl(1 - \abs{z_0}^2\bigr)\abs{f'(z_0)}

    (untuk yang kiri: pakailah teorema seperempat yang diterapkan pada transformasi Koebe pertanyaan 10; sedangkan untuk yang kanan: Schwarz (Teorema 18.4) yang diterapkan pada ψ1g^\psi^{-1}\circ\hat g, dengan g^(w)=f1(f(z0)+dw)\hat g(w) = f^{-1}\bigl(f(z_0) + dw\bigr), dd jaraknya, dan ψ\psi sebuah automorfisma cakram yang mengirim 00 ke z0z_0). Lalu mengapa f(D)\partial f(\mathbb D) tak kosong?

  6. Periksalah pertanyaan 20 pada f=kf = k di z0=r(0,1)z_0 = r \in \intoo01: hitunglah d(k(r),k(D))=(1+r)24(1r)2d\bigl(k(r), \partial k(\mathbb D)\bigr) = \frac{(1+r)^2}{4(1-r)^2} lalu periksalah bahwa ketaksamaan kirinya berupa kesamaan: sehingga fungsi Koebe menjenuhkan teoremanya sendiri di setiap titik (0,1)\intoo01.
  7. (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.

  1. Tunjukkan bahwa kelas S\mathcal S bersifat kompak terhadap kekonvergenan seragam lokalnya: sebab ia terbatas lokal menurut teorema pertumbuhannya, sehingga normal (Teorema 18.7); dan limit seragam lokal anggota S\mathcal S kembali berada di S\mathcal S (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?
  2. Untuk fSf \in \mathcal S, misalkan g=f1g = f^{-1} yang terdefinisi di dekat 00. Tunjukkan bahwa g(w)=wa2w2+O(w3)g(w) = w - a_2w^2 + O(w^3), sehingga koefisien kedua balikannya menuruti batas tajam yang sama A2=a22\abs{A_2} = \abs{a_2} \leq 2, dengan kesamaannya tepat bagi fungsi Koebe yang dirotasikan.
  3. Tentukan untuk aCa \in \C yang mana polinomial f(z)=z+az2f(z) = z + az^2 termasuk S\mathcal S: tunjukkan bahwa ff bersifat injektif pada D\mathbb D jika dan hanya jika a12\abs a \leq \frac12 (faktorkanlah f(z1)f(z2)f(z_1) - f(z_2)). Lalu simpulkan: bahwa untuk polinomial berderajat dua batas koefisien yang sebenarnya adalah 12\frac12, yakni empat kali lebih kecil daripada 22 milik Bieberbach — sehingga ekstremal S\mathcal S sungguh merupakan objek transenden, dan tak ada polinomial yang mendekatinya.
Solusi

Solusi Soal 18.1.

1. Fungsi gg bersifat injektif dan holomorfik; sedangkan pada CρC_\rho (dengan ρ>1\rho > 1) ia mulus, dan luas terlingkupinya adalah 12ig(Cρ)ζˉ ⁣dζ\frac1{2\iu}\oint_{g(C_\rho)}\bar\zeta\,\dd\zeta (yakni rumus luas Green–Riemann Tahun ke-2, yang diterapkan dengan arah positif). Lalu dengan menyubstitusikan ζ=g(w)\zeta = g(w) dan w=ρeiθw = \rho\eu^{\iu\theta}:

Aρ=12iCρg(w)g(w) ⁣dw=ρ202πg(ρeiθ)g(ρeiθ)eiθ ⁣dθ.A_\rho = \frac1{2\iu}\int_{C_\rho}\overline{g(w)}\,g'(w)\dd w = \frac\rho2\int_0^{2\pi}\overline{g(\rho\eu^{\iu\theta})} \,g'(\rho\eu^{\iu\theta})\,\eu^{\iu\theta}\,\dd\theta .

Sisipkan gˉ=ρeiθ+bˉ0+mbˉmρmeimθ\bar g = \rho\eu^{-\iu\theta} + \bar b_0 + \sum_m\bar b_m\rho^{-m}\eu^{\iu m\theta} dan g=1nnbnρn1ei(n+1)θg' = 1 - \sum_nnb_n\rho^{-n-1}\eu^{-\iu(n+1)\theta}: maka setelah dikalikan eiθ\eu^{\iu\theta}, hanya hasil kali berfrekuensi nol yang bertahan pada pengintegralan-θ\theta-nya (sebab kekonvergenan normalnya membenarkan kerja suku demi sukunya): sehingga pasangan (ρeiθ)1(\rho\eu^{-\iu\theta})\cdot1 menyumbang 2πρ2\pi\rho, dan setiap pasangan bˉnρneinθ(nbnρn1ei(n+1)θ)\bar b_n\rho^{-n}\eu^{\iu n\theta}\cdot(-nb_n\rho^{-n-1}\eu^{-\iu(n+1)\theta}) menyumbang 2πnbn2ρ2n1-2\pi n\abs{b_n}^2\rho^{-2n-1}:

Aρ=πρ2πn1nbn2ρ2n.A_\rho = \pi\rho^2 - \pi\sum_{n\geq1}n\abs{b_n}^2\rho^{-2n}.

2. Luas bersifat tak negatif: sehingga nNnbn2ρ2nρ2\sum_{n\leq N}n\abs{b_n}^2\rho^{-2n} \leq \rho^2 untuk setiap NN; lalu biarkan ρ1+\rho \to 1^+ kemudian NN \to \infty: diperoleh n1nbn21\sum_{n\geq1}n\abs{b_n}^2 \leq 1. Sedangkan kesamaan pada b11\abs{b_1} \leq 1 memaksa semua bn=0b_n = 0 lainnya: jadi g(w)=w+b0+eiα/wg(w) = w + b_0 + \eu^{\iu\alpha}/w, yang memetakan ke komplemen sebuah ruas berpanjang 44 (yakni pemetaan bertipe Joukowski): itulah ekstremalnya.

3. Fungsi f(z)/z=1+a2z+f(z)/z = 1 + a_2z + \cdots bersifat holomorfik dan bebas akar pada D\mathbb D (sebab ff lenyap hanya di 00, secara sederhana: menurut keinjektifannya), sehingga demikian pula f(z2)/z2f(z^2)/z^2, yang berakar kuadrat holomorfik φ\varphi dengan φ(0)=1\varphi(0) = 1 (Definisi 18.8; sebab D\mathbb D cembung). Maka h(z)=zφ(z2)h(z) = z\varphi(z^2) memenuhi h2=f(z2)h^2 = f(z^2), h(z)=z(1+a22z2+)h(z) = z\bigl(1 + \frac{a_2}2z^2 + \cdots\bigr) (lewat deret binomial akarnya), dan h(z)=zφ(z2)h(z) = z\varphi(z^2) bersifat gasal menurut konstruksinya (sebab φ(z2)\varphi(z^2) genap). Untuk keinjektifannya: h(z)=h(z)h(z) = h(z') memberikan f(z2)=f(z2)f(z^2) = f(z'^2), sehingga z2=z2z^2 = z'^2, yakni z=±zz' = \pm z; lalu jika z=zz' = -z maka kegasalannya memberikan h(z)=h(z)h(z) = -h(z), sehingga h(z)=0h(z) = 0, yang memaksa z=0z = 0 (sebab φ\varphi bebas akar): jadi z=z=0z = z' = 0.

4. Untuk g(w)=1/h(1/w)g(w) = 1/h(1/w): bagi w>1\abs w > 1, 1/wD{0}1/w \in \mathbb D\setminus\{0\} dan h0h \neq 0 di sana: jadi terdefinisi baik, injektif (sebab komposisi injeksi), dengan uraian

g(w)=11w(1+a22w2+)=w(1a22w2+)=wa22w1+:g(w) = \frac{1}{\frac1w\bigl(1 + \frac{a_2}{2w^2} + \cdots\bigr)} = w\Bigl(1 - \frac{a_2}{2w^2} + \cdots\Bigr) = w - \frac{a_2}{2}\,w^{-1} + \cdots :

yakni berbentuk Bagian I dengan b1=a22b_1 = -\frac{a_2}2. Lalu teorema luasnya memberikan a221\abs{\frac{a_2}2} \leq 1: sehingga a22\abs{a_2} \leq 2.

5. Berlaku k(z)=z(1z)2=zm0(m+1)zm=n1nznk(z) = \frac z{(1-z)^2} = z\sum_{m\geq0}(m + 1)z^m = \sum_{n\geq1}nz^n: sehingga koefisiennya an=na_n = n, jadi a2=2a_2 = 2. Untuk keunivalenan dan petanya: k=14[w21]k = \frac14\bigl[w^2 - 1\bigr] dengan w=1+z1zw = \frac{1 + z}{1 - z}, yakni pemetaan konformal D\mathbb D ke setengah bidang kanannya; lalu w2w^2 memetakan setengah bidang itu secara konformal ke C(,0]\C\setminus\intoc{-\infty}0; kemudian 14\frac{\cdot - 1}4 memberikan C(,14]\C\setminus\intoc{-\infty}{-\frac14}: jadi injektif pada setiap tahapnya, dengan peta seperti yang diklaim.

6. Untuk F=cfcfF = \frac{cf}{c - f}: karena cf(D)c \notin f(\mathbb D), penyebutnya tak pernah lenyap: sehingga FF holomorfik, dan injektif (sebab wcwcww \mapsto \frac{cw}{c - w} bersifat Möbius dan injektif di luar w=cw = c). Untuk uraiannya: dengan f=z+a2z2+f = z + a_2z^2 + \cdots,

F=f11f/c=(z+a2z2)(1+zc)+O(z3)=z+(a2+1c)z2+O(z3):F = f\cdot\frac1{1 - f/c} = \bigl(z + a_2z^2\bigr)\Bigl(1 + \frac zc\Bigr) + O(z^3) = z + \Bigl(a_2 + \frac1c\Bigr)z^2 + O(z^3):

sehingga FSF \in \mathcal S dengan A2=a2+1cA_2 = a_2 + \frac1c.

7. Bieberbach dua kali: a22\abs{a_2} \leq 2 dan a2+1c2\abs{a_2 + \frac1c} \leq 2, sehingga 1c4\abs{\frac1c} \leq 4: jadi c14\abs c \geq \frac14. Sehingga setiap nilai yang dilewatkan terletak di luar D(0,14)D(0,\frac14), yakni f(D)D(0,14)f(\mathbb D) \supseteq D(0, \frac14). Dan tajam: sebab fungsi Koebenya melewatkan 14-\frac14 (pertanyaan 5).

8. Misalkan d=d(z0,Ω)d = d(z_0, \partial\Omega) dan ψ=φ1 ⁣:DΩ\psi = \varphi^{-1} \colon \mathbb D \to \Omega dengan ψ(0)=z0\psi(0) = z_0 dan ψ(0)=1/φ(z0)>0\psi'(0) = 1/\varphi'(z_0) > 0. Maka penormalannya f~(z)=ψ(z)z0ψ(0)\tilde f(z) = \frac{\psi(z) - z_0}{\psi'(0)} terletak di S\mathcal S, sehingga petanya memuat D(0,14)D(0, \frac14); lalu dengan menskalakannya kembali, Ω=ψ(D)D(z0,ψ(0)4)\Omega = \psi(\mathbb D) \supseteq D\bigl(z_0, \tfrac{\psi'(0)}4\bigr), sehingga dψ(0)4=14φ(z0)d \geq \frac{\psi'(0)}4 = \frac1{4\varphi'(z_0)}: yakni ketaksamaan kirinya. Sedangkan untuk yang kanan: φ(z0+d)\varphi\circ(z_0 + d\,\cdot) memetakan D\mathbb D ke dalam D\mathbb D dengan 000 \mapsto 0; sehingga Schwarz membatasi turunannya di 00: dφ(z0)1d\,\varphi'(z_0) \leq 1, yakni 1φ(z0)d\frac1{\varphi'(z_0)} \geq d — sehingga bersama-sama

d1φ(z0)4d.d \leq \frac1{\varphi'(z_0)} \leq 4d .

(Sedangkan ketaksamaan kiri seperti yang ditampilkan pada pernyataannya adalah rantai yang sama, yang disusun ulang.)

9. Untuk fungsi Koebe an=na_n = n: sehingga kesamaannya berlaku di sepanjang dugaannya; dan rotasinya eiθk(eiθz)=nei(n1)θzn\eu^{-\iu\theta}k(\eu^{\iu\theta}z) = \sum n\eu^{\iu(n-1)\theta}z^n mempunyai an=n\abs{a_n} = n pula. Lalu dengan mendorong pertanyaan 4: h=z+a22z3+c5z5+h = z + \frac{a_2}2z^3 + c_5z^5 + \cdots dengan h2=f(z2)h^2 = f(z^2); sehingga dengan membandingkan koefisien z6z^6-nya: 2c5+a224=a32c_5 + \frac{a_2^2}4 = a_3, jadi c5=a32a228c_5 = \frac{a_3}2 - \frac{a_2^2}8. Maka

g(w)=1h(1/w)=w(1a22w2+(a224c5)1w4+)=wa22w1+(3a228a32)w3+,g(w) = \frac1{h(1/w)} = w\Bigl(1 - \frac{a_2}{2w^2} + \Bigl(\frac{a_2^2}4 - c_5\Bigr)\frac1{w^4} + \cdots\Bigr) = w - \frac{a_2}2w^{-1} + \Bigl(\frac{3a_2^2}8 - \frac{a_3}2\Bigr)w^{-3} + \cdots,

dan teorema luasnya (yakni nbn21\sum n\abs{b_n}^2 \leq 1) melahirkan

a222+33a228a3221.\Bigl|\frac{a_2}2\Bigr|^2 + 3\,\Bigl|\frac{3a_2^2}8 - \frac{a_3}2\Bigr|^2 \leq 1 .

Untuk pemeriksaan Koebenya (dengan a2=2a_2 = 2 dan a3=3a_3 = 3): a222=1\abs{\frac{a_2}2}^2 = 1 dan 34832=0\frac{3\cdot4}8 - \frac32 = 0: sehingga totalnya tepat 11 — jadi ekstremal, seperti yang seharusnya.

10. Pemetaan φ\varphi merupakan automorfisma cakram dengan φ(0)=z0\varphi(0) = z_0, sehingga fφf\circ\varphi bersifat univalen pada D\mathbb D (sebab komposisi injeksi), dan f(z0)0f'(z_0) \neq 0 (Definisi 18.1): jadi FF terdefinisi baik dan univalen, dengan F(0)=0F(0) = 0. Lalu lewat aturan hasil bagi:

φ(z)=(1+zˉ0z)(z+z0)zˉ0(1+zˉ0z)2=1z02(1+zˉ0z)2,φ(0)=1z02,\varphi'(z) = \frac{(1 + \bar z_0z) - (z + z_0)\bar z_0} {(1 + \bar z_0z)^2} = \frac{1 - \abs{z_0}^2}{(1 + \bar z_0z)^2}, \qquad \varphi'(0) = 1 - \abs{z_0}^2 ,

sehingga (fφ)(0)=f(z0)(1z02)(f\circ\varphi)'(0) = f'(z_0)(1 - \abs{z_0}^2) dan F(0)=1F'(0) = 1: jadi FSF \in \mathcal S.

11. Dengan G=fφG = f\circ\varphi: G=f(φ)φ2+f(φ)φG'' = f''(\varphi)\,\varphi'^2 + f'(\varphi)\,\varphi'', dan φ(z)=2zˉ0(1z02)(1+zˉ0z)3\varphi''(z) = -2\bar z_0(1 - \abs{z_0}^2)(1 + \bar z_0z)^{-3} memberikan φ(0)=2zˉ0(1z02)\varphi''(0) = -2\bar z_0(1 - \abs{z_0}^2). Karena itu

A2=G(0)2f(z0)(1z02)=12[(1z02)f(z0)f(z0)2zˉ0].A_2 = \frac{G''(0)}{2f'(z_0)(1 - \abs{z_0}^2)} = \frac12\Bigl[\bigl(1 - \abs{z_0}^2\bigr) \frac{f''(z_0)}{f'(z_0)} - 2\bar z_0\Bigr] .

Lalu Bieberbach untuk FF (pertanyaan 4): A22\abs{A_2} \leq 2, yakni (1z02)f(z0)f(z0)2zˉ04\bigl|(1 - \abs{z_0}^2)\frac{f''(z_0)}{f'(z_0)} - 2\bar z_0\bigr| \leq 4. Kalikanlah dengan z0/(1z02)z_0/(1 - \abs{z_0}^2), yang bermodulus r/(1r2)r/(1 - r^2) untuk z0=reiθz_0 = r\eu^{\iu\theta}, lalu pakailah z0zˉ0=r2z_0\bar z_0 = r^2:

z0f(z0)f(z0)2r21r24r1r2.\Bigl|\,z_0\frac{f''(z_0)}{f'(z_0)} - \frac{2r^2}{1 - r^2}\Bigr| \leq \frac{4r}{1 - r^2} .

12. Sebuah bilangan kompleks yang berjarak paling banyak ρ\rho dari titik real cc berbagian real di [cρ,c+ρ]\intcc{c - \rho}{c + \rho}: lalu terapkan ini pada c=2r21r2c = \frac{2r^2}{1-r^2} dan ρ=4r1r2\rho = \frac{4r}{1-r^2}.

13. Untuk fungsi C1\mathcal C^1 tak lenyap gg: logg=12log(ggˉ)\log\abs g = \frac12\log(g\bar g), sehingga  ⁣d ⁣dtlogg=ggˉ+ggˉ2g2=Regg\frac{\dd}{\dd t}\log\abs g = \frac{g'\bar g + g\bar g'}{2\abs g^2} = \operatorname{Re}\frac{g'}g. Lalu dengan g(t)=f(teiθ)g(t) = f'(t\eu^{\iu\theta}) (yang bebas akar menurut keunivalenannya), g(t)=eiθf(teiθ)g'(t) = \eu^{\iu\theta}f''(t\eu^{\iu\theta}), sehingga di z=teiθz = t\eu^{\iu\theta}:

 ⁣d ⁣dtlogf(teiθ)=Re(eiθff)=1tRe(zff)[2t41t2, 2t+41t2]\frac{\dd}{\dd t}\log\bigl|f'(t\eu^{\iu\theta})\bigr| = \operatorname{Re}\Bigl(\eu^{\iu\theta} \frac{f''}{f'}\Bigr) = \frac1t\operatorname{Re}\Bigl(z\frac{f''}{f'}\Bigr) \in \Bigl[\frac{2t - 4}{1 - t^2},\ \frac{2t + 4}{1 - t^2}\Bigr]

menurut pertanyaan 12 pada jari-jari tt. Lalu karena  ⁣d ⁣dtlog1+t(1t)3=11+t+31t=2t+41t2\frac{\dd}{\dd t}\log\frac{1+t}{(1-t)^3} = \frac1{1+t} + \frac3{1-t} = \frac{2t+4}{1-t^2} dan  ⁣d ⁣dtlog1t(1+t)3=11t31+t=2t41t2\frac{\dd}{\dd t}\log\frac{1-t}{(1+t)^3} = \frac{-1}{1-t} - \frac3{1+t} = \frac{2t-4}{1-t^2}, mengintegralkannya dari 00 ke rr (sebab ketiga fungsinya lenyap di t=0t = 0 dan f(0)=1f'(0) = 1) memberikan

log1r(1+r)3logf(z)log1+r(1r)3:\log\frac{1-r}{(1+r)^3} \leq \log\abs{f'(z)} \leq \log\frac{1+r}{(1-r)^3} :

yakni teorema kesesatannya, setelah dieksponensialkan.

14. Untuk yang atas: sepanjang ruas [0,z][0, z],

f(z)=0rf(teiθ)eiθ ⁣dt0r1+t(1t)3 ⁣dt=r(1r)2\abs{f(z)} = \Bigl|\int_0^rf'(t\eu^{\iu\theta}) \eu^{\iu\theta}\dd t\Bigr| \leq \int_0^r\frac{1+t}{(1-t)^3}\dd t = \frac{r}{(1-r)^2}

(sebab  ⁣d ⁣dtt(1t)2=1+t(1t)3\frac{\dd}{\dd t}\frac t{(1-t)^2} = \frac{1+t}{(1-t)^3}). Untuk yang bawah: perhatikan r(1+r)2<14\frac r{(1+r)^2} < \frac14 bagi r<1r < 1 (sebab ia menyatakan (1r)2>0(1-r)^2 > 0), sehingga jika f(z)14\abs{f(z)} \geq \frac14 maka tak ada yang perlu dibuktikan. Selain itu ruas [0,f(z)][0, f(z)] terletak di D(0,14)f(D)D(0, \frac14) \subseteq f(\mathbb D) (pertanyaan 7), dan γ=f1[0,f(z)]\gamma = f^{-1}\circ[0, f(z)] merupakan lintasan C1\mathcal C^1 dari 00 ke zz di D\mathbb D (sebab f1f^{-1} holomorfik, Akibat 17.10). Lalu dengan menyubstitusikan w=f(ζ)w = f(\zeta),

f(z)=[0,f(z)] ⁣dw=γf(ζ) ⁣dζ011ρ(s)(1+ρ(s))3γ(s) ⁣ds\abs{f(z)} = \int_{[0,f(z)]}\abs{\dd w} = \int_\gamma\abs{f'(\zeta)}\,\abs{\dd\zeta} \geq \int_0^1\frac{1 - \rho(s)}{(1 + \rho(s))^3} \,\abs{\gamma'(s)}\,\dd s

dengan ρ=γ\rho = \abs\gamma, memakai batas kesesatan bawahnya pada jari-jari ρ(s)\rho(s). Lalu karena γρ\abs{\gamma'} \geq \rho' (di mana pun ia terdefinisi; sebab ρ\rho bersifat Lipschitz) dan faktor integrannya positif,

f(z)011ρ(s)(1+ρ(s))3ρ(s) ⁣ds=0r1u(1+u)3 ⁣du=r(1+r)2\abs{f(z)} \geq \int_0^1 \frac{1 - \rho(s)}{(1 + \rho(s))^3}\,\rho'(s)\,\dd s = \int_0^{r}\frac{1 - u}{(1 + u)^3}\,\dd u = \frac{r}{(1 + r)^2}

(sebab ρ(0)=0\rho(0) = 0 dan ρ(1)=r\rho(1) = r; dan substitusinya hanya memakai sebuah antiturunan,  ⁣d ⁣duu(1+u)2=1u(1+u)3\frac{\dd}{\dd u}\frac u{(1+u)^2} = \frac{1-u}{(1+u)^3}, bukan kemonotonannya).

15. Berlaku k(z)= ⁣d ⁣dzz(1z)2=1+z(1z)3k'(z) = \frac{\dd}{\dd z}\,z(1 - z)^{-2} = \frac{1 + z}{(1 - z)^3}. Di z=rz = r: k(r)=1+r(1r)3k'(r) = \frac{1+r}{(1-r)^3} dan k(r)=r(1r)2k(r) = \frac r{(1-r)^2} — sehingga kedua batas atasnya tercapai. Sedangkan di z=rz = -r: k(r)=1r(1+r)3k'(-r) = \frac{1-r}{(1+r)^3} dan k(r)=r(1+r)2\abs{k(-r)} = \frac r{(1+r)^2} — 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 a2=2\abs{a_2} = 2 berarti b1=1\abs{b_1} = 1 bagi g(w)=1/h(1/w)=wa22w1+g(w) = 1/h(1/w) = w - \frac{a_2}2w^{-1} + \cdots (pertanyaan 4); lalu teorema luasnya nbn21\sum n\abs{b_n}^2 \leq 1 membunuh setiap koefisien lainnya: sehingga g(w)=w+b0+eiα/wg(w) = w + b_0 + \eu^{\iu\alpha}/w dengan eiα=a22\eu^{\iu\alpha} = -\frac{a_2}2. Lalu karena hh gasal, g(w)=1/h(1/w)=1/h(1/w)=g(w)g(-w) = 1/h(-1/w) = -1/h(1/w) = -g(w): sehingga gg gasal, jadi b0=0b_0 = 0. Lalu dengan membalikkannya, h(z)=1/g(1/z)=z1+eiαz2h(z) = 1/g(1/z) = \frac{z}{1 + \eu^{\iu\alpha}z^2}, dan f(z2)=h(z)2f(z^2) = h(z)^2 memberikan

f(w)=w(1+eiαw)2=w(1eiθw)2=eiθk(eiθw),eiθ=eiα.f(w) = \frac{w}{(1 + \eu^{\iu\alpha}w)^2} = \frac{w}{(1 - \eu^{\iu\theta}w)^2} = \eu^{-\iu\theta}k\bigl(\eu^{\iu\theta}w\bigr), \qquad \eu^{\iu\theta} = -\eu^{\iu\alpha} .

Sebaliknya setiap rotasinya mempunyai a2=2eiθa_2 = 2\eu^{\iu\theta} yang bermodulus 22: sehingga ekstremal Bieberbach tepat berupa fungsi Koebe yang dirotasikan.

17. Jika cc dilewatkan dengan c=14\abs c = \frac14: maka pertanyaan 6 memberikan FSF \in \mathcal S dengan A2=a2+1cA_2 = a_2 + \frac1c, sehingga 1c=A2a2\frac1c = A_2 - a_2 dan

4=1c=A2a2A2+a22+2=4:4 = \Bigl|\frac1c\Bigr| = \abs{A_2 - a_2} \leq \abs{A_2} + \abs{a_2} \leq 2 + 2 = 4 :

sehingga kesamaannya di sepanjangnya, khususnya a2=2\abs{a_2} = 2. Lalu menurut pertanyaan 16, f=eiθk(eiθ)f = \eu^{-\iu\theta}k(\eu^{\iu\theta}\cdot), yang himpunan terlewatnya adalah eiθ(,14]\eu^{-\iu\theta} \intoc{-\infty}{-\frac14}: sehingga satu-satunya nilai terlewat yang bermodulus 14\frac14 adalah c=eiθ/4c = -\eu^{-\iu\theta}/4. (Periksalah: a2=2eiθa_2 = 2\eu^{\iu\theta} dan 1c=4eiθ\frac1c = -4\eu^{\iu\theta}, sehingga A2=2eiθ=a2A_2 = -2\eu^{\iu\theta} = -a_2: jadi ketaksamaan segitiganya jenuh lewat pelawanan arah, seperti yang seharusnya.)

18. Taksiran Cauchy pada lingkaran z=r\abs z = r (Teorema 16.10), yang digabungkan dengan teorema pertumbuhannya, memberikan

anrnsupz=rfr1n(1r)2.\abs{a_n} \leq r^{-n}\sup_{\abs z = r}\abs f \leq r^{1-n}\,(1 - r)^{-2} .

Lalu pilihlah r=11nr = 1 - \frac1n (dengan n2n \geq 2): maka r1n=(1+1n1)n1<er^{1-n} = \bigl(1 + \frac1{n-1}\bigr)^{n-1} < \eu (sebab barisannya naik dengan limit e\eu) dan (1r)2=n2(1 - r)^{-2} = n^2: sehingga an<en2\abs{a_n} < \eu\,n^2.

19. Himpunan U=f(D(0,r))U = f(D(0, r)) bersifat terbuka (Akibat 17.10) dan memuat 00. Untuk batasnya: jika pUp \in \partial U, tulislah p=limf(zk)p = \lim f(z_k) dengan zkD(0,r)z_k \in D(0, r); maka sebuah subbarisan memberikan zkzDˉ(0,r)z_k \to z_\infty \in \bar D(0, r), dan f(z)=pUf(z_\infty) = p \notin U memaksa zD(0,r)z_\infty \in \partial D(0, r): sehingga Uf(D(0,r))\partial U \subseteq f(\partial D(0, r)), jadi setiap titik batas UU bermodulus r(1+r)2\geq \frac r{(1+r)^2} (pertanyaan 14). Kini misalkan w<r(1+r)2\abs w < \frac r{(1+r)^2} dan andaikan wUw \notin U. Maka ruas [0,w][0, w] terhubung, memotong UU (di 00) dan komplemennya (di ww), sehingga ia memotong U\partial U; padahal semua titiknya bermodulus w<r(1+r)2\leq \abs w < \frac r{(1+r)^2}: jadi bertentangan. Karena itu D(0,r(1+r)2)UD\bigl(0, \frac r{(1+r)^2}\bigr) \subseteq U. Untuk ketajamannya: k(r)=r(1+r)2k(-r) = -\frac r{(1+r)^2} merupakan peta sebuah titik batas D(0,r)D(0,r), dan kk injektif, sehingga k(r)k(D(0,r))k(-r) \notin k(D(0, r)): jadi jari-jarinya tak dapat diperbesar. Lalu saat r1r \to 1^-, r(1+r)214\frac r{(1+r)^2} \to \frac14: yakni teorema seperempatnya bagi cakram penuhnya.

20. Pertama, f(D)\partial f(\mathbb D) \neq \emptyset: sebab jika tidak, f(D)f(\mathbb D), yang terbuka, tertutup, dan tak kosong, akan seluruh C\C, sehingga f1 ⁣:CDf^{-1} \colon \C \to \mathbb D akan berupa fungsi utuh yang terbatas dan tak konstan, yang bertentangan dengan Akibat 16.12. Untuk ketaksamaan kirinya: transformasi Koebe FF pada pertanyaan 10 terletak di S\mathcal S dan F(D)=f(D)f(z0)f(z0)(1z02)F(\mathbb D) = \frac{f(\mathbb D) - f(z_0)}{f'(z_0)(1-\abs{z_0}^2)}; sehingga menurut pertanyaan 7 ia memuat D(0,14)D(0, \frac14), jadi

f(D)f(z0)+D(0, 14f(z0)(1z02)),f(\mathbb D) \supseteq f(z_0) + D\Bigl(0,\ \tfrac14\abs{f'(z_0)}\bigl(1 - \abs{z_0}^2\bigr)\Bigr) ,

dan setiap titik f(D)\partial f(\mathbb D) — yang saling lepas dengan himpunan terbuka f(D)f(\mathbb D) — berjarak 14(1z02)f(z0)\geq \frac14(1-\abs{z_0}^2)\abs{f'(z_0)} dari f(z0)f(z_0). Untuk ketaksamaan kanannya: misalkan d=d(f(z0),f(D))<d = d(f(z_0), \partial f(\mathbb D)) < \infty. Maka cakram D(f(z0),d)D(f(z_0), d) terletak di f(D)f(\mathbb D): sebab sebuah ruas dari f(z0)f(z_0) ke sembarang titiknya tetap berjarak <d< d dari f(z0)f(z_0), sehingga tak pernah memotong f(D)\partial f(\mathbb D), dan argumen keterhubungan pertanyaan 19 menjaganya di f(D)f(\mathbb D). Lalu g^(w)=f1(f(z0)+dw)\hat g(w) = f^{-1}(f(z_0) + dw) memetakan D\mathbb D ke dalam D\mathbb D dengan g^(0)=z0\hat g(0) = z_0, dan χ=ψ1g^\chi = \psi^{-1}\circ\hat g, dengan ψ(z)=z+z01+zˉ0z\psi(z) = \frac{z + z_0}{1 + \bar z_0z}, menetapkan 00: sehingga Schwarz (Teorema 18.4) memberikan χ(0)1\abs{\chi'(0)} \leq 1. Lalu karena χ(0)=g^(0)ψ(0)=df(z0)(1z02)\chi'(0) = \frac{\hat g'(0)}{\psi'(0)} = \frac{d}{f'(z_0)\,(1 - \abs{z_0}^2)}, ini berarti d(1z02)f(z0)d \leq (1 - \abs{z_0}^2)\abs{f'(z_0)}.

21. Berlaku k(D)=C(,14]k(\mathbb D) = \C\setminus \intoc{-\infty}{-\frac14}, sehingga k(D)=(,14]\partial k(\mathbb D) = \intoc{-\infty}{-\frac14}, dan untuk titik real positif k(r)=r(1r)2k(r) = \frac r{(1-r)^2} titik batas terdekatnya adalah 14-\frac14:

d=k(r)+14=4r+(1r)24(1r)2=(1+r)24(1r)2.d = k(r) + \frac14 = \frac{4r + (1-r)^2}{4(1-r)^2} = \frac{(1+r)^2}{4(1-r)^2} .

Sedangkan anggota kiri pertanyaan 20: 14(1r2)k(r)=14(1r2)(1+r)(1r)3=(1+r)24(1r)2=d\frac14(1 - r^2)k'(r) = \frac14\,\frac{(1-r^2)(1+r)}{(1-r)^3} = \frac{(1+r)^2}{4(1-r)^2} = d: yakni kesamaan. (Sedangkan anggota kanannya bernilai 4d4d: sehingga faktor 44 penuhnya memisahkan kedua sisinya, dan fungsi Koebe duduk tepat di dasarnya.)

22. Asas tunggalnya adalah Parseval: sebab keunivalenannya melarang pertindihan, sehingga luas komplemen peta {w>ρ}\{\abs w > \rho\}, yang diuraikan pada ragam Fourier pada lingkarannya, bersifat tak negatif — jadi teorema luasnya merupakan identitas L2L^2 beserta sebuah tanda. Sedangkan selebihnya adalah ketaksamaan itu yang diangkut: sebab sebuah akar kuadrat (pertanyaan 3) mengubahnya menjadi a22\abs{a_2} \leq 2; lalu sebuah pencerminan Möbius dari sebuah nilai terlewat (pertanyaan 6) mengubah a22\abs{a_2} \leq 2 menjadi teorema seperempatnya; lalu automorfisma cakramnya (pertanyaan 10) menyebarkan a22\abs{a_2} \leq 2 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 fr(1r)2\abs f \leq \frac{r}{(1-r)^2} secara seragam pada setiap Dˉ(0,r)\bar D(0, r) dengan r<1r < 1, bagi semua fSf \in \mathcal S sekaligus: jadi terbatas lokal, sehingga S\mathcal S merupakan keluarga normal (Teorema 18.7). Lalu jika fnSff_n \in \mathcal S \to f secara seragam lokal: maka ff holomorfik dengan fnff_n' \to f' secara seragam lokal (menurut Weierstrass), sehingga f(0)=0f(0) = 0 dan f(0)=1f'(0) = 1 — jadi khususnya ff tak konstan — dan Hurwitz (Latihan 17.8) membuat limit pemetaan injektifnya injektif: sehingga fSf \in \mathcal S. Sedangkan sebuah fungsional kontinu (misalnya fa2=f(0)2f \mapsto \abs{a_2} = \frac{\abs{f''(0)}}2) 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 g(w)=w+A2w2+O(w3)g(w) = w + A_2w^2 + O(w^3) lalu komposisikan:

z=g(f(z))=f(z)+A2f(z)2+O(z3)=z+(a2+A2)z2+O(z3),z = g(f(z)) = f(z) + A_2f(z)^2 + O(z^3) = z + (a_2 + A_2)z^2 + O(z^3),

sehingga A2=a2A_2 = -a_2 dan A22\abs{A_2} \leq 2 (menurut Bieberbach), dengan kesamaannya jika dan hanya jika a2=2\abs{a_2} = 2, yakni jika dan hanya jika ff merupakan fungsi Koebe yang dirotasikan (pertanyaan 16) — dan lalu gg merupakan balikan yang bersesuaian, yang terdefinisi pada bidang teririsnya.

25. Berlaku f(z1)f(z2)=(z1z2)(1+a(z1+z2))f(z_1) - f(z_2) = (z_1 - z_2)\bigl(1 + a(z_1 + z_2)\bigr). Jika a12\abs a \leq \frac12: maka untuk z1z2z_1 \neq z_2 di D\mathbb D, a(z1+z2)<2a1\abs{a(z_1 + z_2)} < 2\abs a \leq 1 (secara sejati, sebab z1+z2<2\abs{z_1 + z_2} < 2), sehingga faktor keduanya tak dapat lenyap: jadi injektif, dan fSf \in \mathcal S (sebab penormalannya sudah tertanam). Sedangkan jika a>12\abs a > \frac12: titik s=1as = -\frac1a mempunyai s<2\abs s < 2, sehingga z1,2=s2±εz_{1,2} = \frac s2 \pm \varepsilon terletak di D\mathbb D untuk ε>0\varepsilon > 0 yang kecil, berbeda, dan z1+z2=sz_1 + z_2 = s membunuh faktornya: sehingga f(z1)=f(z2)f(z_1) = f(z_2), jadi tak injektif. Karena itu S\mathcal S memuat z+az2z + az^2 tepat untuk a12\abs a \leq \frac12. Jadi batas Bieberbach a22\abs{a_2} \leq 2 sangat tak terjenuhkan oleh polinomial berderajat 22 — sebab koefisien fungsi Koebe an=na_n = n datang dari sebuah deret tak berhingga yang bersekongkol sepanjang sinar terlewatnya, yakni perilaku yang tak dapat ditiru polinomial mana pun (yang termasuk S\mathcal S hanya dengan koefisien yang mungil).

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium