Liouville teoremi (karmaşık analiz)

Matematiğin bir alt dalı olan karmaşık analizde, Liouville teoremi tam fonksiyonların sınırlılığıyla ilgili temel bir teoremdir.

Bilinen halini esas kanıtlayan Cauchy olsa da Joseph Liouville'in ismine atfedilmiştir.Boris Chabat, Introduction à l'analyse complexe, Tome I Fonctions d'une variable, 1990, Éditions Mir, p. 104..

 Teoremin ifadesi
Liouville teoremi: Tam bir fonksiyon sınırlı ise, o zaman sabittir.

Yani, C 'deki her z için |f(z)| ≤ M olan pozitif bir M varsa ve f holomorfsa, f sabittir.Başka bir deyişle, sabit olmayan bir tam fonkiyon karmaşık düzlemde sınırlı kalamaz.

Teorem, büyük ölçüde, en az iki karmaşık sayıyı almayan her tam fonksiyonun sabit olacağını söyleyen Picard'ın küçük teoremi ile iyileştirilmiştir.
 Kanıt 

Teorem, "holomorf fonksiyonların analitikliği" gerçeğinden elde edilir. f, tam olduğu için, 0 etrafında Taylor serisi ile temsil edilebilir; yani



Buradaki  terimi ise (Cauchy integral formülü yardımıyla)

olarak yazılır (Cr, 0 merkezli, r yarıçaplı bir çemberdir.) Doğrudan

tahmini yapılabilir (İkinci eşitsizlikte varsayımdaki her z için |f(z)| ≤ M eşitsizliği kullanılmıştır). Yol integralinde kullanılan r sayısının seçimi ise keyfidir. Bu yüzden, r sonsuza götürülürse, her k ≥ 1 için ak = 0 elde edilir. Böylelikle, f(z) = a0 olur ve teorem kanıtlanmış olur.

 Sonuçlar 

 Cebirin temel teoremi 
Cebirin temel teoreminin Liouville teoremine dayanan kısa bir kanıtı vardır.

 Hiçbir tam fonksiyon bir diğer tam fonksiyona baskınlık kuramaz 
Teoremin bir sonucu da "gerçekte farklı" fonksiyonların birbirine baskınlık kuramayacağıdır, yani f ve g tamsa ve her yerde |f| ≤ |g| ise, o zaman bir α sayısı için f  = α.g olur. 
Bunu göstermek içinse  fonksiyonunu ele alalım. h 'nin tam bir fonksiyona uzatılabilmesi yetecektir ve böylece Liouville teoremi sonucu verecektir. h 'nin holomorf olması g−1(0) haricindeki noktalarda açıktır. Şimdi, g(a) = 0 ise varsayımdaki |f| ≤ |g| sayesinde f(a) = 0 ifadesi de vardır. Analitiklik sayesinde, h sürekli ve bu yüzden de holomorf olarak a üzerine uzatılabilir. Bu yüzden, h, g−1(0) üzerinde tam bir fonksiyona uzatılabilir.

 Sabit olmayan eliptik fonksiyonlar C 'de tanımlanamaz 
Teorem aynı zamanda sabit olmayan eliptik bir f fonksiyonunun tanım kümesinin C 'de olamayacağını göstermekte de kullanılabilir. Olduğunu varsayalım. O zaman, a ve b, f 'nin a/b gerçel olmayacak şekilde iki periyodu ise, köşeleri 0, a, b ve a + b olan P paralelkenarını ele alalım. O zaman, f 'nin görüntüsü f(P) 'ye eşit olacaktır. f sürekli olduğu ve P tıkız olduğu için, f(P) de tıkız olacaktır ve bu yüzden sınırlı olacaktır. Böylece, f sabit olacaktır.

"Sabit olmayan eliptik fonksiyonlar C 'de tanımlanamaz" gerçeği aslında Liouville'in 1847'de eliptik fonksiyonlar kuramını kullanarak kanıtladığı ifadedir.

 Tam fonksiyonların genelde yoğun görüntüleri vardır 
f sabit olmayan tam bir fonksiyonsa, o zaman görüntüsü C içinde yoğundur. Bu ifade Liouville teoreminden daha güçlü bir sonuç olarak güzükse de aslında teoremin kolay bir sonucudur. Aynı sonuç, Casorati-Weierstrass teoremi sayesinde de elde edilebilir.

f 'nin görüntüsü yoğun olmasaydı, o zaman bir w karmaşık sayısı ve r > 0 gerçel sayısı olurdu öyle ki w merkezli, r yarıçaplı açık disk, f 'nin görüntüsünden bir eleman içermezdi.  fonksiyonunu tanımlayalım. Varsayımdan dolayı, payda hiçbir zaman 0 olamaz. O halde, her  için, |g(z)|=\frac1{|f(z)-w|}<\frac1r</math> olacağı için,  sınırlı tam bir fonskiyon olur. Liouville teoremi sayesinde, g sabit olur. Ancak, bunun doğru olmadığı f sabit olmadığından açıktır. Yani, f 'nin görüntüsünin yoğun olmamasıyla bir tezat yakalanmış olur. Sonuç olarak,  f sabit olmayan tam bir fonksiyonsa f 'nin görüntüsü yoğundur.

 Notlar 
{∞} ∪ C, C 'nin bir nokta tıkızlaştırılması olsun. C 'deki bölgelerde tanımlı holomorf fonksiyonlar yerine, {∞} ∪ C içindeki bölgeler düşünülebilir. Bu şekilde görüldüğünde, C ⊂ {∞} ∪ C 'de tanımlı tam fonksiyonlar için olası tek tekillik ∞ noktasıdır. f, ∞'un bir komşuluğunda sınırlı ise, o zaman ∞, f 'nin kaldırılabilir tekilliğidir; yani f, ∞'da birden patlayamaz veya hatalı davranamaz. Kuvvet serileri açılımı bağlamında, Liouville teoreminin tutması pek de sürpriz değildir.

Benzer bir şekilde, tam bir fonksiyonun ∞'da kutup noktaları varsa, yani ∞'un açık bir aralığında zn gibi patlıyorsa, o zaman f polinomdur. Liouville teoreminin bu uzatılmış versiyonu daha kesin bir dille ifade edilebilir: 
Yeteri kadar büyük z ler için |f(z)| ≤ M.|zn| ise, o zaman f, derecesi en fazla n olan bir polinomdur.

Bu, şu şekilde kanıtlanabilir. Yine, f 'nin Taylor serisini ele alalım:

Teoremin kanıtında kullanılan tartışma

eşitsizliğini verir. Böylece, k > n ise

olur. Bu yüzden, ak = 0 elde edilir.

 Kaynakça 

 Dış bağlantılar 
 PlanetMath'teki Liouville Teoremi ve kanıtı 
 MathWorld'deki Liouville Teoremi bilgisi 
 Liouville Teoremi Modülü, John H. Mathews tarafından

Kategori:Matematik teoremleri
Kategori:Kanıt içeren maddeler
Kategori:Analitik fonksiyonlar
Kategori:Karmaşık analiz teoremleri