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定理証明済み

コーシーの積分定理

内容

U⊂CU \subset \mathbb{C} を単連結な開領域とし、f:U→Cf : U \to \mathbb{C} を正則関数とする。このとき UU 内の任意の区分的に滑らかな閉曲線 γ\gamma に対して、線積分はゼロになる:∮γf(z) dz=0\oint_{\gamma} f(z)\,dz = 0。

なぜ正しいのか?

多変数微積分では、ベクトル場が保存場——つまりループ内部に局所的な回転(渦)がない場——であるとき、閉曲線に沿う線積分はゼロになる。複素微分可能性は極めて強い条件であり、コーシー・リーマンの方程式によって f(z) dzf(z)\,dz の実部と虚部は同時に渦なしとなる。特異点が隠れて循環を生み出すような穴が領域にない限り、任意の閉曲線に沿う f(z)f(z) の積分は完全に打ち消し合い、2点間の積分は始点と終点のみに依存する。

証明の概略

1825年のコーシーによる元の手法では f′f' の連続性を仮定し、f(z) dz=(u dx−v dy)+i(v dx+u dy)f(z)\,dz = (u\,dx - v\,dy) + i(v\,dx + u\,dy) と書いてグリーンの定理を適用することで、コーシー・リーマンの方程式 ∂u/∂x=∂v/∂y\partial u/\partial x = \partial v/\partial y および ∂u/∂y=−∂v/∂x\partial u/\partial y = -\partial v/\partial x により二重積分が消えることを示す。1900年にエドゥアール・グルサは f′f' の連続性の仮定を取り除いた。まず任意の三角形 T⊂UT \subset U の周上の積分がゼロになることを示すため、TT を4つの小三角形に分割して積分の絶対値が最大のものを順次選び、収束先の点 z0z_0 での局所線形近似 f(z)=f(z0)+f′(z0)(z−z0)+o(∣z−z0∣)f(z) = f(z_0) + f'(z_0)(z - z_0) + o(|z - z_0|) を用いて、積分が周長の2乗の任意に小さい定数倍で抑えられることを示す。三角形の結果から星型領域上で原始関数を構成し、一般の単連結領域へと拡張する。

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ステップごとの証明

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参考文献

  1. Lars V. Ahlfors (1979). Complex Analysis
  2. Reinhold Remmert (1991). Theory of Complex Functions