Chapter 1

§1.3

Theorem 2.1

c:=∑cn(z−a)n∈C[[z−a]]c:=∑cn(z−a)n∈C[[z−a]], ρ:=ρ:= radius of convergence of cc. f:Δρ(a)⟶C∈∈z⟼∑cn(z−a)nf:Δρ(a)⟶C∈∈z⟼∑cn(z−a)n とおく.ただし, Δρ(a)={z∣|z−a|<ρ}.Δρ(a)={z∣|z−a|<ρ}.

Then,

  • ff は holomorphic (i.e., CC-C1C1) on |z−a|<ρ|z−a|<ρ で,its derivative は f′(z)=∑(n+1)cn+1(z−a)nf′(z)=∑(n+1)cn+1(z−a)n.

a=0a=0 としてよい.

f′(z)=∑(n+1)cn+1znf′(z)=∑(n+1)cn+1zn を示せば,Proposition 1.10 より,ff が CC-C1C1 であることが分かる.

z0∈Δρ(0)z0∈Δρ(0) と |z0|<∃r<ρ|z0|<∃r<ρ を任意に取り,ε:=r−|z0|ε:=r−|z0| とおく.

このとき, |z−z0|⩽ε⟹|z|⩽r<ρ|z−z0|⩽ε⟹|z|⩽r<ρ であるから, |cnn−1∑i=0zizn−i0|⩽n|cn|rn−1∣∣ ∣∣cnn−1∑i=0zizn−i0∣∣ ∣∣⩽n|cn|rn−1 となる.Theorem 1.12 より,ρ=ρ= radius of convergence of ∑(n+1)cn+1zn∈C[[z]]∑(n+1)cn+1zn∈C[[z]] であるから,power series ∑cn∑n−1i=0zizn−i0∈C[[z]]∑cn∑n−1i=0zizn−i0∈C[[z]] は nomally convergent on |z−z0|⩽ε|z−z0|⩽ε.

よって, δf:¯Δε(z0)⟶C∈∈z⟼∞∑n=0cnn−1∑i=0zizn−i0δf:¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯Δε(z0)⟶C∈∈z⟼∞∑n=0cnn−1∑i=0zizn−i0 は continuous.

一方, f(z)−f(z0)=∑cn(zn−zn0)=δf(z)(z−z0)f(z)−f(z0)=∑cn(zn−zn0)=δf(z)(z−z0) であるから,f′(z0)=δf(z0)=∑(n+1)cn+1zn0.

Corollary 2.2

c:=∑cn(z−a)n∈C[[z−a]], ρ:= radius of convergence of c. f:Δρ(a)⟶C∈∈z⟼∑cn(z−a)n とおく.

Then,

  • f は C-C∞ on |z−a|<ρ.

Theorem 2.1 と Theorem 1.12 より,明らか.

Theorem 2.3

D⊂C be a domain, f:D→C a holomorphic function, Δr(a)⊂D an open disk of radius r at the center a∈D.

  • ∃!c=∑cn(z−a)n∈C[[z−a]] such that
    • radius of convergence of c ⩾r;
    • f(z)=∑cn(z−a)n for any z∈Δr(a).

Uniqueness

f(z)=∑cn(z−a)n と書けたとすると,Theorem 2.1 を繰り返し用いて, f(n)(a)=cnn! を得る.

Existence

z∈Δr(a) を取り,r′:=|z−a| とおく.

任意の ζ∈Δr(a) with |ζ−a| (=:r″)>r′ に対して, |f(ζ)(ζ−a)n+1(z−a)n|⩽Mr″(r′r″)n とできる.ただし, M:=sup|ζ−a|=r″|f(ζ)|. よって,series ∑f(ζ)(z−a)n/(ζ−a)n+1∈C[[(ζ−a)−1]] は normally convergent on |ζ−a|=r″.

さらに, f(ζ)ζ−z=f(ζ)ζ−a(1−z−aζ−a)−1=∑f(ζ)(ζ−a)n+1(z−a)n であるから,Theorem 1.6 と Theorem 1.1 (2) より, ∫|ζ−a|=r″f(ζ)ζ−zdζ=c′n(z−a)n. ただし, c′n:=∫|ζ−a|=r″f(ζ)(ζ−a)n+1dζ.

一方,Cauchy’s integral formula より, f(z)=12πi∫|ζ−a|=r″f(ζ)ζ−zdz であるから,cn:=c′n/2πi とおけば, f(z)=∑cn(z−a)n となる.

Cauchy’s integral theorem より,cn は independent of r′ & r″ が分かるから,∑cn(z−a)n∈C[[z−a]] が求める power series である.

Theorem 2.4

D⊂C be a domain, f:D→C a holomorphic function, Δr(a)⊂¯Δr(a)⊂D.

  • f は C-C∞;
  • For any z∈Δr(a), f(n)(z)=n!2πi∫|ζ−a|=rf(ζ)(ζ−z)n+1dζ.

Theorem 2.3 と Corollary 2.2 より,f が C-C∞ であることは従う.

f(n) の表式は,Theorem 2.3 の証明から分かる.

Theorem 2.5

D⊂C be a domain, f:D→C: continuous.

TFAE:

  1. f は holomorphic;
  2. f は C1 on D で,satisfies the Cauchy-Riemann eq. (∂f/∂¯z=0);
  3. 任意の simply connected domain Δ⊂D と closed (piecewise) regular curve γ:[0,1]→Δ に対して, ∫γf(z)dz=0;
  4. 任意の simply connected domain Δ⊂D に対して,∃ holomorphic F:Δ→C such that F′=f;
  5. 任意の open disk Δ⊂¯Δ⊂D と z∈Δ に対して, f(z)=12πi∫∂Δf(ζ)ζ−zdζ;
  6. 任意の open disk a∈Δ⊂D に対して,∃∑cn(z−a)n∈C[[z−a]] such that f(z)=∑cn(z−a)n on z∈Δ.

今までの theorems / corollaries から明らか.