משוואות קושי-רימן

באנליזה מרוכבת ואנליזה הרמונית, משוואות קושי-רימן הן צמד משוואות דיפרנציאליות חלקיות, שאותן מקיימים שני הרכיבים (הממשי והמרוכב) של כל פונקציה אנליטית מרוכבת. בכיוון ההפוך, אם הפונקציות הממשיות  הן דיפרנציאביליות ומקיימות את המשוואות, אז  היא פונקציה אנליטית. תנאי זה לאנליטיות של  נקרא תנאי קושי-רימן.

ניסוח פורמלי
תהא  פונקציה מרוכבת, אז ניתן לכתוב אותה כסכום של שתי פונקציות ממשיות  : .

משוואות קושי-רימן הן שתי המשוואות הדיפרנציאליות הבאות:

תנאי קושי-רימן 
תנאי קושי-רימן לגזירות מנוסח באופן הבא:
פונקציה  גזירה בנקודה  אם ורק אם  ו-  גזירות בכל רכיב בנקודה , הנגזרות החלקיות  רציפות בנקודה  ומשוואות (1) ו-(2) לעיל מתקיימות בנקודה זו.

משוואות (1) ו-(2) לעיל נובעות למעשה, ממשוואת קושי-רימן ההומוגנית:
 
כך שאם נציב את  במשוואה האחרונה, נקבל את המשוואות הקודמות. ניסוח זה נוח במיוחד כאשר רוצים לבדוק את קיום תנאי קושי-רימן אצל פונקציות שקשה להפריד אותן לחלק ממשי ולחלק מדומה, למשל: .

כמו כן, אם נשתמש בקשרים  ונפעיל את כלל השרשרת על משוואת קושי-רימן ההומוגנית, נקבל את התנאי , שהוא בפני עצמו מעיד על אנליטיות של פונקציה. כלומר אם הנגזרת של f לפי z-צמוד מתאפסת רק בנקודות מסוימות, אנחנו כבר יודעים שהפונקציה f היא אנליטית אך ורק בנקודות אלה. בנוסף, אם  היא אנליטית, אז גם  היא אנליטית. נשים לב שעם ההגדרה הנ"ל עבור  אנו יכולים להגדיר את אופרטורי הגזירה הבאים:
  
ובדרך זו אנו מקבלים ביטוי לאופרטור לפלס בשני משתנים: .

כלומר, פונקציה מרוכבת המקיימת את משוואות קושי-רימן בנקודה מסוימת מקיימת את משוואת לפלס באותה נקודה.

ממשוואות קושי-רימן ניתן להסיק כי קווי הגובה של הפונקציות  הם אורתוגונליים, כי המכפלה הסקלרית של הגרדיאנטים של  מתאפסת:

מהוכחת משוואות קושי-רימן ניתן גם לקבל את ערך הנגזרת של הפונקציה. בשל הקשר בין הנגזרות החלקיות שבא לידי ביטוי במשוואות קושי-רימן, די בשתיים מהנגזרות החלקיות כדי לבטא את הנגזרת בשלמותה. ביטוי אחד לנגזרת הוא . 
כמו כן, אם נתונה לנו למשל הפונקציה u והיא הרמונית בתחום מסוים, אז ניתן לקבל על ידי משוואות קושי-רימן את הפונקציה v, שתיקרא ההרמונית הצמודה של u, ולכן נוכל לקבל גם את הפונקציה f, שתהיה אנליטית בתחום ההרמוניות של u ו-v.

תנאי קושי רימן בייצוג פולרי:

תהא  פונקציה מרוכבת בייצוג פולרי, אז ניתן לכתוב אותה כסכום של שתי פונקציות ממשיות  : .

במקרה זה ניתן להמיר את תנאי הגזירות של בייצוג האלגברי לפולרי כך:

בצורה מוכללת יותר, לכל ייצוג פולרי מהצורה (על פי דה מואבר) תנאי הגזירות יהיו:

הוכחה
נתבונן בf כפונקציה . נגדיר קירוב ליניארי לf ונחשב את :

 כאשר . (קל להשתכנע בקיומו של קירוב זה מטור טיילור)

נשים לב כי , ולכן נוכל לרשום

נגדיר את אופרטורי הגזירה הבאים: 

נחלק ב ונשאיף לאפס:

קל לראות שהביטוי  לא מוגדר (פשוט באמצעות בדיקת הגבול פעם כשהחלק הממשי שווה לאפס והמדומה שואף לאפס, ופעם כשהחלק המדומה שווה לאפס והממשי שואף לאפס, שמניבים תוצאות שונות), לכן הביטוי כולו מוגדר אם ורק אם , כלומר , ומהשוואת החלקים המדומה והממשי נקבל
 
 
שהם משוואות קושי-רימן.

לקריאה נוספת 
 Ablowitz M. J. & Fokas A. S., Complex Variables: Introduction and Applications, Cambridge University Press, 1997

קישורים חיצוניים
 
 

משפטים באנליזה מרוכבת
קושי-רימן
תורת הפוטנציאל