Mezi elementární komplexní funkce se obvykle počítají tyto funkce: f(z) = az + b,

Podobné dokumenty
8. Elementární funkce. I. Exponenciální funkce Definice: Pro komplexní hodnoty z definujeme exponenciální funkci předpisem ( ) e z z k k!.

označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,

ELEMENTÁRNÍ KOMPLEXNÍ FUNKCE SPECIÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ FUNKCE

Úvodní informace. 17. února 2018

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Elementární funkce. Polynomy

FUNKCE A JEJICH VLASTNOSTI

1 Nulové body holomorfní funkce

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ INTEGRACE RACIONÁLNÍCH FUNKCÍ

Homogenní rovnice. Uvažujme rovnici. y = f(x, y), (4) kde

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

Funkce arcsin. Některé dosud probírané funkce můžeme spojit do dvojic: 4 - je číslo, které když dám na druhou tak vyjde 4.

P ˇ REDNÁŠKA 3 FUNKCE

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Funkce Arcsin. Předpoklady: Některé dosud probírané funkce můžeme spojit do dvojic: 4 je číslo, jehož druhá mocnina se rovná 4.

EXTRÉMY FUNKCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Uzavřené a otevřené množiny

dx se nazývá diferenciál funkce f ( x )

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

f( x) x x 4.3. Asymptoty funkce Definice lim f( x) =, lim f( x) =, Jestliže nastane alespoň jeden z případů

Funkce. Vlastnosti funkcí

Implicitní funkce. 2 + arcsin(x + y2 ) = arccos(y + x 2 ), [0, 0] , 5] stacionární bod?

Derivace funkcí více proměnných

KOMPLEXNÍ ČÍSLA A FUNKCE MNOŽINA KOMPLEXNÍCH ČÍSEL C. Alternativní popis komplexních čísel

5.3. Implicitní funkce a její derivace

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY

III. Diferenciál funkce a tečná rovina 8. Diferenciál funkce. Přírůstek funkce. a = (x 0, y 0 ), h = (h 1, h 2 ).

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY

30. listopadu Derivace. VŠB-TU Ostrava. Dostupné: s1a64/cd/index.htm.

(FAPPZ) Petr Gurka aktualizováno 12. října Přehled některých elementárních funkcí

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Limita a spojitost funkce a zobrazení jedné reálné proměnné

Definice Řekneme, že funkce z = f(x,y) je v bodě A = [x 0,y 0 ] diferencovatelná, nebo. z f(x 0 + h,y 0 + k) f(x 0,y 0 ) = Ah + Bk + ρτ(h,k),

1 Integrál komplexní funkce pokračování

Matematika 1 pro PEF PaE

1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:

analytické geometrie v prostoru s počátkem 18. stol.

Přednáška 3: Limita a spojitost

Teorie. Hinty. kunck6am

Přednáška 1: Reálná funkce jedné reálné proměnné

1. sin(x + y) = sin(x) cos(y) + cos(x) sin(y) pro x, y R, cos(x + y) = cos(x) cos(y) sin(x) sin(y) pro x, y R;

arcsin x 2 dx. x dx 4 x 2 ln 2 x + 24 x ln 2 x + 9x dx.

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Management rekreace a sportu. 10. Derivace

Text může být postupně upravován a doplňován. Datum poslední úpravy najdete u odkazu na stažení souboru. Veronika Sobotíková

Příklad. Řešte v : takže rovnice v zadání má v tomto případě jedno řešení. Pro má rovnice tvar

+ 2y. a y = 1 x 2. du x = nxn 1 f(u) 2x n 3 yf (u)

2. přednáška 8. října 2007

Seminární práce z matematiky

2 Fyzikální aplikace. Předpokládejme, že f (x 0 ) existuje. Je-li f (x 0 ) vlastní, pak rovnice tečny ke grafu funkce f v bodě [x 0, f(x 0 )] je

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

Vypracoval: Mgr. Lukáš Bičík TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Důkaz Heineho Borelovy věty. Bez újmy na obecnosti vezmeme celý prostor A = M (proč? úloha 1). Implikace. Nechť je (M, d) kompaktní a nechť.

Limita a spojitost funkce

1 1 x. (arcsinx) = (arccosx) = (arctanx) = x 2. (arcctg) = (e x ) = e x

Západočeská univerzita v Plzni SBÍRKA ÚLOH Z MATEMATIKY

2. LIMITA A SPOJITOST FUNKCE

1. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH

(0, y) 1.3. Základní pojmy a graf funkce. Nyní se již budeme zabývat pouze reálnými funkcemi reálné proměnné a proto budeme zobrazení

PŘEDNÁŠKA 1 MNOŽINY ČÍSEL

verze 1.3 kde ρ(, ) je vzdálenost dvou bodů v R r. Redukovaným ε-ovým okolím nazveme ε-ové okolí bodu x 0 mimo tohoto bodu, tedy množinu

1. Funkce dvou a více proměnných. Úvod, limita a spojitost. Definiční obor, obor hodnot a vrstevnice grafu

Bakalářská matematika I

Funkce a limita. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

Limita a spojitost LDF MENDELU

Matematika 1. Matematika 1

Teorie. Hinty. kunck6am

Monotonie a lokální extrémy. Konvexnost, konkávnost a inflexní body. 266 I. Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Funkce, elementární funkce.

i=1 Přímka a úsečka. Body, které leží na přímce procházející body a a b můžeme zapsat pomocí parametrické rovnice

REÁLNÁ FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA I MODUL 7 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 Reálné funkce jedné reálné proměnné

Matematika 1. 1 Derivace. 2 Vlastnosti a použití. 3. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 16

Derivace funkce. Obsah. Aplikovaná matematika I. Isaac Newton. Mendelu Brno. 2 Derivace a její geometrický význam. 3 Definice derivace

Matematika vzorce. Ing. Petr Šídlo. verze

1 Polynomiální interpolace

V této chvíli je obtížné exponenciální funkci přesně definovat. Můžeme však říci, že

Funkce základní pojmy a vlastnosti

NMAF 051, ZS Zkoušková písemná práce 16. ledna 2009

Vlastní čísla a vlastní vektory

1 LIMITA FUNKCE Definice funkce. Pravidlo f, které každému x z množiny D přiřazuje právě jedno y z množiny H se nazývá funkce proměnné x.

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Matematická analýza I

Kapitola 1. Úvod. 1.1 Značení. 1.2 Výroky - opakování. N... přirozená čísla (1, 2, 3,...). Q... racionální čísla ( p, kde p Z a q N) R...

. 1 x. Najděte rovnice tečen k hyperbole 7x 2 2y 2 = 14, které jsou kolmé k přímce 2x+4y 3 = 0. 2x y 1 = 0 nebo 2x y + 1 = 0.

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

Definice (Racionální mocnina). Buď,. Nechť, kde a a čísla jsou nesoudělná. Pak: 1. je-li a sudé, (nebo) 2. je-li liché, klademe

Cvičení 1 Elementární funkce

MATEMATICKÁ ANALÝZA STUDIJNÍ OPORA PRO KOMBINOVANÉ

1 Lineární prostory a podprostory

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

Matematika I (KMI/PMATE)

Transkript:

Elementární funkce Mezi elementární komplení funkce se obvykle počítají tyto funkce:. Lineární funkce Lineární funkce je funkce tvaru f(z) az + b, kde a a b jsou konečná komplení čísla. Její derivace je v každém bodě z rovna f (z) a. Pokud a 0 pak se funkce f redukuje na konstantní funkci f(z) b. Jestliže a 0, pak je f prostá a inverzní zobrazení je také lineární funkce:. Mocnina a odmocnina f (w) a w b a. Pro každé přirozené číslo n definujeme n-tou mocninu jako f(z) z n. Derivace eistuje v každém bodě z a platí f (z) nz n. Příklad. Dokažte, že pro každé přirozené číslo n platí (z n ) nz n. Protože funkce z n se špatně rozkládá na reálnou a imaginární část, vypočítáme derivaci (z n ) přímo z definice. Pro libovolný bod z 0 C z definice derivace máme: f f(z) f(z 0 ) z n z0 n (z 0 ) lim lim z z 0 z z 0 z z 0 z z 0 (z z 0 )(z n + z n z 0 + z n 3 z0 + + zz0 n + z n lim z z 0 z z 0 lim (z n + z n z 0 + + zz z z 0 n + z0 n ) 0 nz n. 0 ) Funkce z n pro n > není prostá. Zřejmě z n 0 právě když z 0. Pro z 0 můžeme funkci z n vyjádřit v eponenciálním tvaru: z n ( z e jϕ) n z n e jnϕ, kde ϕ arg z. Nechť z z e jϕ a z z e jϕ jsou dvě různá komplení čísla, pak z n z n e jnϕ a z n z n e jnϕ. Aby tedy platilo z n z n, musí platit z z a nϕ nϕ + kπ pro k Z.

To znamená, že dva různé body z a z se n-tou mocninou zobrazí do stejného bodu, pokud se rovnají jejich moduly (leží na stejné kružnici se středem v počátku) a pro rozdíl jejich argumentů platí: ϕ ϕ k π n, kde k Z. To znamená, že na kružnici o poloměru z leží n bodů, které se zobrazí n-tou mocninou do stejného bodu. Z výše uvedeného plyne, že inverzní funkce n-tá odmocnina nemůže být jednoznačná, ale bude jednomu bodu přiřazovat množinu o n prvcích. Hodnota funkce n z tedy bude množina všech čísel w, které splňují rovnici w n z. () Příklad. Dokažte, že pro z 0 je n z {0} a pro z C \ {0}, z z e jϕ, ϕ arg z, platí n z {wk k 0,,..., n }, kde w k n ( z cos ϕ + kπ + j sin ϕ + kπ ) n z e j ϕ+kπ n. n n Uvědomme si, že n z představuje odmocninu z reálného oboru. První část pro z 0 je jednoduchá. Pokud rovnici napíšeme jen pro moduly, dostaneme z w n w n. Máme tedy, že z 0 právě tehdy, pokud w 0. A proto z 0 právě tehdy, když w 0. Pro druhou část můžeme čísla z a w převést do eponenciálního tvaru, protože z, w 0. Tedy z z e jϕ, w w e jω. Po dosazení do rovnice dostaneme Odtud plyne tzn. Máme tedy pro jedno k Z: w n e jnω z e jϕ. w n z, e jnω e jϕ, w n z, nω ϕ + kπ, k Z. w k n z e j ϕ+kπ n. Dále je zřejmé, že pro k 0,..., n budou hodnoty w k různé a pro k n nebo k < 0 se již budou jen opakovat. Nakreslete si množinu hodnot nějaké n-té odmocniny pro jeden pevný bod z!

.3 Lineární lomená funkce Nechť a, b, c, d jsou konečná komplení čísla taková, že ad bc 0. Funkci tvaru f(z) az + b cz + d, f( ) a c, nazveme lineární lomenou funkcí. Funkce má derivaci pro všechna z C kromě bodu z d c a platí z derivace podílu dvou funkcí f (z) a(cz + d) c(az + b) (cz + d) acz + ad acz bc ad bc (cz + d) (cz + d). Bod d c mapuje funkce f na a naopak bod mapuje na a c, takže f je bijekcí z C na C. Inverzní funkci lze vyjádřit jako f (w) dw + b cw a,, f( ) d c..4 Eponenciální funkce a logaritmus Pro komplení číslo z + jy C definujeme eponenciální funkci předpisem: e z e e jy e (cos y + j sin y). Derivace eistuje v každém bodě z C a platí (e z ) e z. Příklad.3 Dokažte, že (e z ) e z. Rozdělme e z na reálnou a imaginární část: e z e cos y + je sin y. Máme tedy u(, y) e cos y a v(, y) e sin y. Spočteme parciální derivace u a v. e cos y y e sin y e sin y y e cos y Vidíme, že všechny parciální derivace jsou spojité a C-R podmínky jsou splněny ve všech bode (, y) a tudíž derivace eistuje pro všechna z C a platí: (e z ) + j e cos y + je sin y e (cos y + j sin y) e z. Funkce e z je periodická s periodou jπ, protože e z+jπ e +j(y+π) e (cos(y + π) + j sin(y + π)) e (cos y+j sin y) e z. Funkce e z tedy nemůže být prostá a proto ani logaritmus nemůže být jednoznačná funkce podobně jako v případě odmocniny definujeme logaritmus v bodě z jako množinu bodů w splňující rovnici e w z. Tedy Log(z) {w e w z}. 3

Příklad.4 Nalezněte všechna řešení rovnice e z a pro a 0. Označme a a e jϕ, ϕ arg a. Dosazením do rovnice dostaneme e z e e jy a e jϕ. Odtud plyne Máme tedy e a, e jy e jϕ. To znamená, že ln a, y ϕ + kπ arg z + kπ, k Z. z ln a + j(arg a + kπ), k Z. Vypočetli jsme tedy hodnotu logaritmu v bodě a. Log(a) {z e z a} {ln a + j(arg a + kπ), k Z} ln a + jarg a. Připomeňme ještě, že hodnotu pro k 0 nazveme hlavní hodnotou logaritmu a označíme log a. Funkci, která každému bodu z C, z 0 přiřadí hodnotu log z nazýváme hlavní větev logaritmu: log z ln z + j arg z. Nakreslete si kam se zobrazí Gaussova rovina kompleních čísel bez bodu 0 funkcí log! Příklad.5 Nalezněte derivaci funkce log z. Protože funkce log z není definována pro z 0, neeistuje tam tedy ani derivace. Rovněž pro na množině M {z C Re z < 0} neeistuje derivace, protože funkce arg z (a tím pádem i funkce log z) je nespojitá v každém bodě z M. Hledejme tedy derivaci log z na zbytku Gaussovy roviny. Pro reálnou část máme: u(, y) ln z ln + y ln( + y ). Určeme parciální derivace u podle a y. + y + y, y y + y y + y. Vidíme, že obě parciální derivace jsou spojité všude kromě bodu (0, 0). Bod (0, 0) jsme již ovšem výše vyřadili, protože v něm nemá funkce log z derivaci. Z toho plyne, že funkce u má pro námi zkoumané body totální diferenciál. Výpočet imaginární části log z rozdělíme na tři části:. Re z > 0,. Im z > 0 a 3. Im z < 0. 4

. Pokud Re z > 0, můžeme imaginární část funkce log z vyjádřit následovně: v(, y) arctan y. Určeme parciální derivace v podle a y. + ( y ) y y + y, y + ( y ) + y. Podobně jako v případě u vidíme, že v má v požadované oblasti totální diferenciál. Navíc také C-R podmínky jsou splněny, takže derivace v případě Re z > 0 eistuje a je rovna: (log z) + y j y + y z z z zz z.. Pokud Im z > 0 můžeme imaginární část funkce log z vyjádřit následovně: v(, y) π arctan y. Určeme parciální derivace v podle a y. ( ) y y + + y, y y ( + y ) y + y. Vidíme, že i v tomto případě vyšly parciální derivace v stejně. Tudíž i pro případ Im z > 0 platí pro derivaci stejný vztah jako v bodě. 3. Pokud Im z < 0, pak v(, y) π arctan y jako v bodě. a zbytek výpočtu je stejný Dostali jsme tedy, že pro body z C \ {w C Re w 0, Im w 0}, (t.j. body, které neleží na nekladné reálné ose) platí: (log z) z. Příklad.6 Nalezněte derivaci hlavní větve druhé odmocniny: f(z) z. 5

Vzhledem k tomu, že f(z) je nespojitá na nekladné reálné poloose (t.j. neeistuje tam derivace), budeme předpokládat, že z {w C Re w 0, Im w 0}. Vyjádřeme f pomocí eponenciální funkce a logaritmu. Protože z 0 můžeme napsat z v eponenciálním tvaru z z e jϕ. Potom z z e j ϕ e ln z e j ϕ e (ln z +jϕ) e log z. Nyní můžeme pro výpočet derivace využít derivace eponenciální funkce a logaritmu a větu o derivaci složené funkce. ( z) (e log z ) e log z z e log z e log z e log z z..5 Trigonometrické a hyperbolické funkce Podobně jako v reálném oboru definujeme i v komplením oboru trigonometrické a hyperbolické funkce pomocí eponenciální funkce. sin z ejz e jz j sinh z ez e z cos z ejz + e jz cosh z ez + e z Protože se na cvičení objevila otázka, proč se zavádí hyperbolické funkce, tak se na chvíli vraťme do reálného oboru a ukažme souvislosti mezi funkcemi sin, cos, sinh a cosh. Jak asi každý ví, že můžeme pomocí funkcí sin a cos parametricky popsat kružnici o poloměru r se středem v počátku: r cos t y r sin t Podobným způsobem popisují funkce sinh a cosh parametricky pravou větev hyperboly, jejíž asymptoty jsou osy. a 4. kvadrantu, t.j. a cosh t y a sinh t Případné zájemce o další informace odkazuji na stránku http://mathworld.wolfram.com/hyperbolicfunctions.html. Příklad.7 Nalezněte všechna řešení rovnice: sin z 4 3 j. Dosadíme podle definice sin z a dostáváme: e jz e jz j 4 3 j. 6

Po vynásobení j máme: e jz e jz 8 3. Po vynásobení 3e jz dostaneme: 3e jz + 8e jz 3 0. Zaveďme novou proměnnou p e jz a dosaďme: 3p + 8p 3 0. To je kvadratická rovnice, jejíž řešení je p 3 a p 3. Vrátíme-li se zpět od p k e jz dostaneme dvě rovnice: e jz 3, ejz 3. Z první rovnice máme: ( ) jz Log {ln 3 3 + jkπ k Z} { ln 3 + jkπ k Z}. Po vydělení j, což vlastně znamená násobení j dostaneme: Z druhé rovnice dostáváme: z {kπ + j ln 3 k Z}. jz Log( 3) {ln 3 + j(π + kπ) k Z} {ln 3 + j(k + )π k Z}. Po vydělení j: z {(k + )π j ln 3 k Z}. Po sjednocení množin řešení z obou rovnic dostaneme: z {nπ + j( ) n ln 3 n Z}. Všimněme si, že výsledek je v podstatě hodnota mnohoznačné funkce Arcsin v bodě 4 3j. Množinu řešení si zobrazte v Gaussově rovině! 7