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Memoria del curso Análisis complejo. Dmitry V. Yakubovich - PDF
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Luis Valdéz Chávez
1 Memoria del curso Análisis complejo Dmitry V. Yakubovich
3 Índice 0. Sobre esta memoria (introducción para el profesor) La distribución del temario por horas Capítulo I. Propiedades elementales de los números complejos. La definición de función holomorfa. 1. Introducción. Funciones analíticas de la variable real y de la variable compleja Historia de análisis complejo Propiedades elementales de números complejos Raíces cuadradas Ecuaciones cuadráticas con coeficientes complejos Ejemplos de funciones analíticas en el plano complejo: funciones exponenciales y trigonométricas La definición de función holomorfa Logaritmos de números complejos. Ramas del argumento y ramas del logaritmo Ramas de raíces Funciones armónicas Sucesiones y series con términos complejos La esfera de Riemann y la proyección estereográfica Un repaso de la convergencia uniforme Series de potencias Funciones elementales Capítulo II. Aspectos geométricos: transformaciones conformes. 16. El número de rotación de una curva El Teorema de Jordan La relación entre la existencia de las ramas del logaritmo en un dominio y su topología Propiedades generales de transformaciones conformes. Transformaciones de Möbius Un breve recordatorio sobre las curvas de segundo orden en el plano La función potencia como transformación conforme Las funciones cuadrado y raíz cuadrada y dominios con fronteras
4 parabólicas e hiperbólicas Las transformaciones de Riemann para dominios de forma lunar La función de Joukowski Las ramas de la inversa a la función de Joukowski Dominios con cortes Capítulo III. Integración. Series de potencias. 27. Repaso de las integrales de línea en R n Las integrales complejas de línea La fórmula de Green y el teorema de Cauchy El teorema de los residuos. La fórmula de Cauchy La integral y la primitiva Las series de potencias como funciones holomorfas El desarrollo de funciones holomorfas en series de potencias La función arcotangente Capítulo IV. Series de Laurent y residuos. 35. Series de Laurent Tipos de singularidades aisladas de funciones holomorfas El orden de cero y el orden del polo Fórmulas de cálculo de residuos Cálculo de integrales definidas con métodos de variable compleja Capítulo V. Propiedades globales de funciones holomorfas. 40. Ceros de funciones holomorfas. Teorema de continuación única Funciones meromorfas en un dominio Teorema de Liouville. Teorema fundamental del Álgebra Propiedades locales de las funciones holomorfas. Principio del módulo máximo Lema de Schwartz Principio del argumento. Teorema de Rouché Bibliografía Apéndice I La demostración del Teorema de Jordan para curvas diferenciables a trozos. Comentarios sobre la fórmula de Green Apéndice II sobre el uso del paquete Transformaciones conformes
5 0. Sobre esta memoria (introducción para el profesor) La asignatura de Variable Compleja es una de las materias en las que más puede el estudiante apreciar la belleza de las Matemáticas y la fortaleza del razonamiento lógico. Estos apuntes pretenden desarrollar la asignatura conforme al programa del Departamento de Matemáticas de la Universidad Autónoma de Madrid. El autor impartió estas clases en los años académicos 2003/04 y 2004/05. Anteriormente ha impartido un curso parecido en la Universidad Estatal de San Petersburgo (también dos veces). El programa de la licenciatura de Matemáticas de la Universidad Autónoma de Madrid incluye el curso troncal Variable Compleja I, que se imparte en el tercer año de los estudios, y el curso optativo Variable Compleja II, que se imparte en el cuarto año. La presente memoria corresponde al curso cuatrimestral Variable Compleja I. Está pensada para servir de ayuda a los estudiantes Aspectos generales y dificultades de la asignatura Cuando uno prepara este curso, se encuentra, con cierto asombro, con que la exposición rigurosa de la Variable Compleja no es una tarea fácil, que, además, se tiene que compaginar con otros objetivos muy deseables, tales como la transparencia y la brevedad de exposición de la teoría. Éstas son algunas de las dificultades: 1) El curso se apoya en algunos resultados de la Topología que no se han visto todavía (sobre todo, los relacionados con el Teorema de Jordan). 2) Las partes teóricas más importantes para la resolución de problemas son, en nuestra opinión, las series de Laurent y la fórmula de residuos. Sin embargo, estos temas aparecen sólo al final del curso, cuando ya escasea el tiempo. 3) Según nuestra experiencia, no todos los estudiantes manejan con destreza las propiedades elementales de números complejos (que en realidad, sólo se usan ocasionalmente en los cursos anteriores). En el proceso de redacción de esta memoria hemos intentado tomar en cuenta estas dificultades Objetivos de la asignatura Se plantean los siguientes objetivos concretos: 1
6 1. Que el alumno comprenda y adquiera soltura en el manejo de las propiedades elementales de números complejos, incluyendo raíces, logaritmos y la resolución de ecuaciones cuadráticas con coeficientes complejos. 2. Que tenga ideas claras, tanto geométricas como analíticas, de las nociones de función holomorfa y transformación conforme. 3. Que aprenda las transformaciones conformes estándar entre los dominios más simples en el plano complejo y sepa componerlas para resolver problemas. 4. Que aprenda las herramientas de las series de potencias y de las series de Laurent y sus usos en el cálculo de integrales definidas. 5. Que entienda el desarrollo lógico de la materia y se habitúe al uso del rigor. En particular, creemos que es necesario hacer énfasis en la noción de la convergencia uniforme y en la justificación del intercambio entre los signos de la suma infinita y de la integración. Los problemas que se presentan aquí pueden servir como motivación para el estudio del paso al límite bajo el signo de la integral, que se hace al mismo tiempo en el curso de la Teoría de la medida y la integral. 6. Que el alumno tenga una idea del desarrollo histórico de esta materia y de sus motivaciones, así como de sus aplicaciones modernas. (De hecho, la cantidad del tiempo disponible no permite profundizar sobre las aplicaciones. Se podría hacer mayor énfasis en ellas en Variable Compleja II). 7. Que el alumno asimile la gran diferencia que hay entre las propiedades de funciones diferenciables en el sentido real y de funciones holomorfas (nos referimos a que toda función derivable en el sentido complejo es infinitamente diferenciable, se desarrolla en una serie de potencias en cualquier punto de su definición, etc.) 8. Que el alumno se acostumbre al uso de la bibliografía Uso de programas informáticos en la enseñanza del tema Transformaciones conformes El autor de esta memoria ha desarrollado un paquete de programas denominado Transformaciones conformes usando MatLab. Este paquete sirve para visualizar transformaciones conformes definidas mediante fórmulas. Se ha utilizado con bastante éxito las dos veces que este programa fue impartido en la Universidad Autónoma de Madrid. Incluimos una descripción de este programa y su uso en el Apéndice 2. Se pueden contemplar dos posibles usos de este paquete: Primero, el profesor puede utilizarlo con el proyector ( cañon ), conectado a un ordenador portátil. Según la experiencia, ésto ayuda a aumentar el 2
7 interés del estudiante. Es muy útil también en el primer momento cuando se dan las definiciones y se explican las propiedades geométricas de función holomorfa y de transformación conforme, incluso antes del estudio sistemático de tales transformaciones. Segundo, aparte de este uso, se puede introducir como prácticas de laboratorio para resolver problemas en que se pida encontrar una fórmula matemática para una transformación conforme del disco a un dominio dado y visualizar esta transformación, así como todas las transformaciones intermedias. El programa de MatLab está pensado para una fácil implementación de estas tareas. Es posible también incluir estas prácticas en el curso Variable Compleja II. En los sitios web [25], [26], uno puede encontrar otras implementaciones de la visualización de transformaciones conformes y sus relaciones con la mecánica de fluidos y aerodinámica. Durante el curso 2004/05 hemos incluído en nuestro curso unas prácticas de este tipo. Se dieron dos clases en el laboratorio informático, en las que explicamos el uso del programa a los estudiantes y distribuimos una lista de 22 dominios simplemente conexos. A cada estudiante se le pidió encontrar (y visualizar) las transformaciones conformes del disco unidad sobre un par de estos dominios y todos los pasos intermedios. Cabe destacar que para utilizar este programa, no se necesitan conocimientos profundos de MatLab. Los resultados de estas prácticas fueron bastante positivos. Aproximadamente un tercio de los estudiantes que asistían a las clases ha podido desarrollar correctamente esta tarea, tanto desde el punto de vista matemático como de programación Sobre los métodos de evaluación: hojas de problemas, exámenes parciales y tutorías A lo largo del curso hemos utilizado las hojas de problemas que fueron elaboradas en los años anteriores por profesores Antonio Sánchez Calle, José Luís Fernández y otros del Departamento de Matemáticas de la UAM. Estas hojas, que consisten en total de unos 120 problemas, están, a nuestro modo de ver, bastante bien elaboradas. Aparte de las clases teóricas y clases dedicadas a la resolución de problemas, hemos utilizado los siguientes recursos: Ejercicios en casa. Una o dos veces durante el cuatrimestre se pedía la 3
8 entrega de ejercicios, resueltos en casa. Exámenes parciales. Hicimos uno o dos durante el cuatrimestre. Una buena experiencia fue hacer un ensayo del examen final unas dos o tres semanas antes del final de la asignatura. Después de este ensayo, el grado de comprensión del auditorio aumentó visiblemente. Prácticas de laboratorio. Se evaluó tanto la corrección de la solución teórica del problema (que tenía que ser entregado en papel) como la corrección del código en MatLab, que tenía que entregar el estudiante (por correo electrónico o pasando el fichero directamente al profesor). Tutorías. Cualquiera de los recursos que acabamos de describir aumenta el número de estudiantes que acuden a las tutorías. Las prácticas de laboratorio despertaron tal interés que hemos hecho varias veces tutorías para varios alumnos a la vez (solía ser entre dos y cuatro). Métodos de evaluación. La nota final fue una media ponderada de las dos notas: la nota de la evaluación de los resultados durante el cuatrimestre y la nota del examen final. Si la segunda nota era mayor, se tomaba en cuenta sólo ella. Los resultados de la evaluación continua no valían para el examen extraordinario de septiembre Metodología y contenidos de la asignatura Dado que el curso Variable Compleja I se da actualmente en el tercer año de la licenciatura, puede ser considerado como relativamente elemental. Los contenidos de este curso son bastante clásicos e incluyen, a grandes rasgos, los siguientes temas: 1. Transformaciones conformes; 2. Integración y diferenciación en el contexto de la variable compleja (aquí incluimos el teorema y la fórmula de Cauchy, series de potencias, series de Laurent y residuos); 3. Propiedades globales de funciones holomorfas. Sin embargo, la presentación de estos temas, el orden, así como los enunciados, puede variar mucho, dependiendo de cómo un autor afronta las dificultades de la exposición. Mencionaremos brevemente las siguientes particularidades de nuestra presentación, motivados por la búsqueda del compromiso entre el rigor, la transparencia y la brevedad. 4
9 a) Desde el principio enfocamos nuestro estudio, subrayando la importancia de funciones que se desarrollan en series de potencias y anunciando que pretendemos desarrollar análogos de las teorías de diferenciación e integración para el caso de funciones complejas, definidas sobre conjuntos abiertos en el plano complejo. Todas las funciones elementales se interpretan naturalmente como funciones de este tipo. b) No introducimos ni homotopía ni homología de curvas, basando la exposición en el Teorema de Jordan. De esta forma, los enunciados del teorema de Cauchy y de la fórmula de Cauchy resultan ser más intuitivos. Se puede demostrar resultados más generales en el último tema. c) No demostramos en este curso el Teorema Cauchy Goursat, considerando este resultado menos importante para el manejo práctico de la materia que otros. Se puede mencionarlo en un lugar adecuado. d) A cambio, incluimos bastante material sobre transformaciones conformes y sobre la existencia de primitivas. De hecho, el teorema que dice que cualquier función holomorfa en un dominio simplemente conexo tiene primitiva, es un punto básico de la lógica de nuestro razonamiento. De ninguna forma pretendemos decir que esta elección es la única posible. Podemos mencionar las siguientes modificaciones de nuestra exposición, que son fáciles de implementar sin perjuicio de la lógica interna. 1) Hemos puesto el tema Transformaciones conformes al inicio del curso debido al deseo de poder incluir las prácticas con ordenador, que no pueden ser aplazadas hasta el final del cuatrimestre. Si no se incluyen estas prácticas, es aconsejable poner este tema como el último, para poder contar lo antes posible las series de Laurent y los residuos. 2) La construcción de la función armónica conjugada v de una función armónica u en un dominio simplemente conexo se hace sin problemas, repitiendo el procedimiento de Sección 31. 3) Es una buena idea incluir en el final del estudio de propiedades elementales, la resolución de ecuaciones cúbicas (que fueron la causa de la invención de los números complejos). Este tema es interesante para estudiantes y ayuda a reforzar el entendimiento del significado geométrico de los números complejos, incluyendo las raíces. En la actualidad, este tema con frecuencia no se incluye en el programa de la licenciatura. 4) Demostramos el Teorema 32.2, diciendo que cualquier función que se desarrolla en una serie de potencias es holomorfa, relativamente tarde, lo que causa problemas a la hora de resolver ejercicios. Se puede demostrarlo mucho antes, utilizando un conocido argumento (ver, por ejemplo, [21] o [22]). 5) No hemos incluido el teorema que afirma que cualquier función holomorfa definida en un dominio simplemente conexo y que no se anula tiene un logaritmo bien definido (y holomorfo). No obstante, se puede demostrar 5
10 sin dificultad este teorema al final de la Sección Sobre la bibliografía Existen muchos excelentes libros de textos sobre Análisis Complejo. Mencionaremos especialmente el texto clásico de W. Rudin [23] y el más reciente texto [21] de Rao y Stetkær. El libro de W. Rudin contiene una buena síntesis de Análisis real (incluyendo la teoría de la medida y las construcciones de la medida de Lebesgue y de la integral de Lebesgue), Análisis complejo y principios de Análisis funcional. El libro de Rao y Stetkær sorprende por la buena organización de la exposición y por su brevedad. Ambos contienen suficiente material tanto para los cursos de Variable Compleja I como de Variable Compleja II. El libro de Rudin incluye, por ejemplo, teoremas de aproximación más avanzados, como el Teorema de Mergelyan y una introducción a los espacios de Hardy en el disco, mientras que en el texto [21] uno puede encontrar, por ejemplo, una demostración del Teorema sobre la distribución de números primos. Sin embargo, en nuestra opinión, estos textos sirven más para un curso de doctorado o como un guía para el profesor que para el primer encuentro de un estudiante de licenciatura con el Análisis complejo (salvo posiblemente estudiantes excelentes), porque requieren de una cultura matemática bastante elevada. Otros textos tratan con profundidad otros aspectos de la teoría y pueden ser usados por el profesor para preparar un curso optativo de la licenciatura o un curso de doctorado según sus gustos personales. Por ejemplo, en el segundo tomo de [7] uno encuentra la exposición de la demostración de la conjetura de Bieberbach y de la teoría de potencial. En el tomo II de [17], entre otras cosas, hay una introducción comprensible a funciones e integrales elípticas. En general, hablando del contexto universitario, uno puede dividir de forma provisional los textos en manuales de primera lectura para los estudiantes de licenciatura y textos más avanzados para los mejores estudiantes, alumnos de doctorado y profesores. Los libros [1, 2, 4, 5, 13, 22] pertenecen a la primera categoría y los libros [3, 7, 17, 21, 23] a la segunda. Mencionaremos aquí la colección de problemas [24], que es adecuada para nuestros fines. El reciente libro [20] contiene enunciados de los resultados principales de la teoría y soluciones detalladas de muchos problemas. Según nuestra experiencia, resulta ser muy útil para los estudiantes. 6
11 Cada libro propone su manera de afrontar las dificultades de exposición que hemos mencionado. En muchos, se demuestra primero algún enunciado más débil de la fórmula de Cauchy, por ejemplo, sólo para dominios convexos o estrellados. Cabe observar que la situación con la metodología de la enseñanza de este curso cambió hace relativamente poco con de la aparición del artículo de Dixon [10] en Allí se da una demostración rigurosa de la fórmula de Cauchy en la siguiente forma: Teorema 0.1 (La versión homológica de la fórmula de Cauchy). Sea G un conjunto abierto en el plano complejo. Si f es holomorfa en G y γ es una curva en G (o un ciclo), que satisface rotac γ λ = 0 para todo punto λ / G, entonces f(λ) rotac γ (λ) = 1 2πi γ f(z) dz para todo λ G \ γ. z λ Los libros de Rao y Stetkær [21] y de Rudin [23] y otros incorporan esta sugerencia. Ahlfors en [1] demuestra el mismo teorema con un método distinto. Existe una versión de este libro en español, pero es anterior, y su exposición es todavía antigua. Este tipo de exposición evita (al menos formalmente) el uso del Teorema de Jordan y tiene más rigor matemático, pero, en nuestra opinión, es un poco menos transparente que el método tradicional y conduce a un camino más largo. En esta memoria nos basamos en el Teorema de Jordan, cuya demostración (para el caso de curvas diferenciables a trozos) se da en el Apéndice I. 7
12 La distribución del temario por horas El curso se imparte en, aproximadamente, 50 horas lectivas. Es necesario subrayar que en algunos temas (como, por ejemplo, en el cálculo de integrales definidas con métodos de variable compleja o el Teorema de Rouché) se necesita poner más énfasis en la resolución de problemas. Dedicamos 2 horas a los exámenes parciales. Capítulo I. Propiedades elementales de los números complejos. La definición de función holomorfa. Tema 1 (1 hora) (1) Introducción. Funciones analíticas de la variable real y de la variable compleja; (2) Historia de análisis complejo. Tema 2 (2 horas) (3) Propiedades elementales de números complejos. (4) Raíces cuadradas. Tema 3 (1 hora) (5) Ecuaciones cuadráticas con coeficientes complejos. (6) Ejemplos de funciones analíticas en el plano complejo: funciones exponenciales y trigonométricas. Tema 4 (1.5 horas) (7) La definición de función holomorfa. Tema 5 (1 hora) (8) Logaritmos de números complejos. Ramas del argumento y ramas del logaritmo. Tema 6 (1 hora) (9) Ramas de raíces. (10) Funciones armónicas. Tema 7 (1 hora) (11) Sucesiones y series con términos complejos. (12) La esfera de Riemann y la proyección estereográfica. Tema 8 (1 hora) (13) Un repaso de la convergencia uniforme. Tema 9 (2 horas) (14) Series de potencias. (15) Funciones elementales. Capítulo II. Aspectos geométricos: transformaciones conformes. Tema 10 (1 hora) (16) El número de rotación de una curva. Tema 11 (1 hora) (17) El Teorema de Jordan. (18) La relación entre la existencia de las ramas del logaritmo en un dominio y su topología. 8
13 Tema 12 (2.5 horas) (19) Transformaciones conformes. Transformaciones de Möbius. Tema 13 (1 hora) (20) Un breve recordatorio sobre las curvas de segundo orden en el plano. (21) La función potencia como transformación conforme. Tema 14 (1.5 horas) (22) Las funciones cuadrado y raíz cuadrada y dominios con fronteras parabólicas e hiperbólicas. (23) Las transformaciones de Riemann para dominios de forma lunar. Tema 15 (1.5 horas) (24) La función de Joukowski. Tema 16 (1 hora) (25) Las ramas de la inversa a la función de Joukowski. Tema 17 (1 hora) (26) Dominios con cortes. Capítulo III. Integración. Series de potencias. Tema 18 (1.5 horas) (27) Repaso de las integrales de línea en R n. Tema 19 (1.5 horas) (28) Las integrales complejas de línea. Tema 20 (1 hora) (29) La fórmula de Green y el teorema de Cauchy. Tema 21 (2 horas) (30) El teorema de los residuos. La fórmula de Cauchy. Tema 22 (1 hora) (31) La integral y la primitiva. Tema 23 (1 hora) (32) Las series de potencias como funciones holomorfas. Tema 24 (1 hora) (33) El desarrollo de funciones holomorfas en series de potencias. Tema 25 (1 hora) (34) La función arcotangente. Capítulo IV. Series de Laurent y residuos. Tema 26 (1 hora) (35) Series de Laurent. Tema 27 (1 hora) (36) Tipos de singularidades aisladas de funciones holomorfas. (37) El orden de cero y el orden del polo. Funciones meromorfas. Tema 28 (2 horas) (38) Fórmulas de cálculo de residuos. Tema 29 (4 horas) (39) Cálculo de integrales definidas con métodos de variable compleja. 9
14 Capítulo V. Propiedades globales de funciones holomorfas. Tema 30 (1 hora) (40) Ceros de funciones holomorfas. Teorema de continuación única. (41) Funciones meromorfas en un dominio. Tema 31 (2 horas) (42) Teorema de Liouville. Teorema principal del Álgebra. Tema 32 (2 horas) (43) Propiedades locales de las funciones holomorfas. Principio del módulo máximo. Tema 33 (3 horas) (44) Lema de Schwartz. (45) Principio del argumento. Teorema de Rouché. 10
15 Capítulo I. Propiedades elementales de los números complejos. La definición de funciones holomorfas. 1. Introducción. Funciones analíticas de variable real y de variable compleja El Análisis Complejo forma parte del Análisis Matemático, pero tiene sus particularidades. Es, quizás, una de sus partes más bellas. Muchos fenómenos de la variable real sólo se explican bien desde el punto de vista de la variable compleja. Recordemos que en la teoría de funciones de la variable real, la misma elección del conjunto de funciones que se van a estudiar ya presenta una cierta dificultad. Al final se adoptan varias definiciones con una especificación del grado de suavidad, es decir, del número de derivadas existentes. Se definen las clases C k de funciones sobre un intervalo como clases de funciones cuyas k primeras derivadas existen y son continuas. Todas estas clases son diferentes; por ejemplo, la función f(x) = x x k está en C k (R), pero no está en C k+1 (R). Diferentes teoremas del Cálculo tienen como hipótesis la existencia de un número determinado de derivadas. Por ejemplo, para definir un polinomio de Taylor de grado n de una función en un punto se necesita que esta función tenga n derivadas en este punto. Una herramienta más poderosa que el polinomio de Taylor es una serie de Taylor. Se ha visto en la teoría de la variable real que toda función elemental se desarrolla en una serie de Taylor en un entorno de todo punto interior de su dominio de definición. Recordemos la fórmula para la serie de Taylor de la función f en el punto a: T f,a (x) = f(a)+f (a)(x a)+ f (a) 2 (x a) f (n) (a) (x a) n +... (1.1) n! Decimos que una función f se desarrolla en un entorno de a en una serie de Taylor si f tiene infinitas derivadas en a y existe un entorno (a δ, a + δ) del punto a tal que para todo x en este entorno, la serie (1.1) converge y su 11
16 suma T f,a (x) coincide con el valor f(x). Las funciones e x, sen x, cos x, arc tg x se desarrollan en una serie de Taylor en un entorno de cualquier a real, la función log x en un entorno de cualquier a positivo, y la función arc sen x en un entorno de cualquier a en el intervalo ( 1, 1). Recordemos algunos de estos desarrollos en puntos a concretos: log x = (x 1) e x = 1 + x x ! x n! xn +... (1.2) arc tg x = x x3 3 + x5 5 (x 1)2 (x 1) En desarrollos (1.2) y (1.3), a = 0, y en (1.4), a = ( 1)n 1 x2n 1 2n (1.3) n 1 (x 1)n + + ( 1) +... (1.4) n Definición. Una función f : U R, definida en un conjunto abierto U en el eje real, se llama analítica real, si todo punto a en U tiene un entorno, donde f coincide con su desarrollo de Taylor en a. Si una serie de potencias n=0 c n(x a) n converge en un entorno de punto a a una función f, es en realidad la serie de Taylor de f en a. Por lo tanto, en esta definición en vez de hablar de los desarrollos de Taylor de f podemos pedir simplemente que cada punto a en U tenga un entorno donde f se represente por alguna serie de potencias. Recordemos que no toda función infinitamente diferenciable en R satisface la anterior definición. Un ejemplo más conocido es la función { e 1/x2, si x 0 f(x) = 0, si x = 0. Para esta función, T f,0 (x) converge en todo el eje real, 1 pero T f,0 (x) f(x) para x 0. Si nos restringimos a funciones analíticas reales, existen también diferencias apreciables entre ellas. Por ejemplo, las dos funciones e x y arc tg x son analíticas reales sobre todo el eje R. Sin embargo, el desarrollo (1.2) converge para todo x, y el desarrollo (1.3) sólo converge para x 1. Desde el punto de vista de la variable real, no se ve ninguna razón para ello. En nuestro curso veremos una clara y sorprendente explicación de este fenómeno en términos de la teoría de la variable compleja (ver 34). Una observación básica para comenzar el estudio de funciones de la variable compleja consiste en lo siguiente: Supongamos que f es una función 1 De hecho, T f,0 (x) 0, porque f (n) (0) = 0 para todo n. 12
17 analítica real y a es un punto de su dominio de definición; escribamos el desarrollo de Taylor de f en a. Según la definición, f coincide con su desarrollo de Taylor en algún intervalo (a δ, a + δ). Entonces es fácil ver que la serie T f,a también converge, si la evaluamos en un número z complejo, siempre y cuando z a < δ. Esta observación nos permite extender el dominio de definición de f, poniendo f(z) = T f,a (z) para puntos z con la propiedad indicada. Estos comentarios, que necesitan de hecho una mayor precisión, sugieren la siguiente Definición. Una función f : W C, definida en un subconjunto abierto W del conjunto de números complejos, se llama analítica, si todo punto z 0 en W tiene un entorno, donde f se desarrolla en una serie de potencias: f(z) = c n (z z 0 ) n. n=0 Como veremos más adelante, todas las funciones elementales tienen extensiones analíticas a ciertos dominios en el plano complejo. Las funciones e x, sen x, cos x se extienden a todo el plano complejo. Según el esquema usual de desarrollo de un curso de análisis real, primero se estudia la diferenciación y luego la integración, ya que la mayor parte de la teoría de diferenciación no depende de la integración. Nuestro estudio del análisis complejo va a seguir las siguientes líneas: 1) El repaso de propiedades elementales de números complejos. 2) Diferenciación de funciones complejas. 3) Aspectos geométricos de la teoría (transformaciones conformes). 4) La integración de funciones complejas. A pesar de la similitud, las partes de la teoría compleja están lógicamente mucho más relacionadas entre sí. De hecho, sólo después de demostrar los principales resultados sobre la integración (el teorema de Cauchy y la fórmula de Cauchy) seremos capaces de entender bien la diferenciación. La teoría de la variable compleja se usa en muchos campos de las ciencias exactas y de la tecnología. Quiero mencionar, por ejemplo, la transformada de Laplace. Si f es una función en [0, ), que no crece más que exponencialmente, su transformada de Laplace se define como (Lf)(z) = 0 e tz f(t) dt. Es una función analítica de z si Re z es suficientemente grande. 13
18 La transformada de Laplace es una pariente más próxima de la transformada de Fourier. Está definida en un semiplano del tipo {Re z > α}, donde el número α depende del orden de crecimiento de f. Proporciona información sólo si permitimos darle a z valores complejos, y es una herramienta básica en varios campos de ingeniería, por ejemplo, en la teoría de control y la teoría de la señal. La variable compleja se usa también en la teoría de probabilidades y estadística, en la electrostática, en la hidrodinámica, en la mecánica cuántica; de hecho, difícilmente se encuentra un área tecnológica donde no se use en absoluto. 2. Historia de análisis complejo La historia de la invención de análisis es relativamente reciente; Newton y Leibniz son unos de los principales descubridores. La exposición adoptada en los cursos universitarios modernos no siempre sigue la historia del desarrollo de la materia. Los planteamientos de Isaac Newton ( ) y en menor medida de Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) estuvieron muy motivados por las aplicaciones; por ejemplo, Newton descubrió desde el principio un método muy general para encontrar soluciones de ecuaciones diferenciales, representándolas como series de potencias con coeficientes indeterminados. Él aplicaba este método en su Mecánica. Los números imaginarios surgieron por primera vez en relación con la resolución de ecuaciones cúbicas en el llamado caso irreducible. Fue en los trabajos de Cardano y Bombelli a mediados del siglo XVI. Hacia mediados del siglo XVIII, en la práctica matemática entraron diferentes aspectos de la comprensión del número complejo, tanto variable como constante. Podemos mencionar aquí los nombres de D Alembert ( ), Johann Bernoulli ( ), Leonard Euler ( ) y Gottfried Wilhelm Leibniz ( ). Los mayores méritos en ello pertenecen a Euler. No obstante, aún durante mucho tiempo, la naturaleza de los números complejos no fue comprendida y se consideraba sobrenatural. En el año 1702 Leibniz escribió que los números imaginarios son un hermoso y maravilloso refugio del espíritu divino, casi como la dualidad entre la existencia y la no existencia. El desarrollo riguroso tanto del análisis real como del análisis complejo tardó mucho más que la rápida exploración de sus métodos por sus fundadores. Las primeras exposiciones sistemáticas del análisis complejo cercanas a las modernas se encuentran en trabajos de Augustin-Louis Cauchy Memoria sobre la teoría de las integrales definidas y Memoria sobre las integrales definidas tomadas entre límites imaginarios del año 1825, así co- 14

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