Kurs:Funktionentheorie/Maximumprinzip

Einleitung

Das Maximumprinzip ist eine Aussage über holomorphe Funktionen aus dem Kurs:Funktionentheorie. Der Betrag $|f|$ einer holomorphen Funktion $f:G\to \mathbb {C}$ kann im Inneren des Definitionsbereiches keine echten lokalen Maxima annehmen. Genauer besagt es die folgende Aussage.

Aussage

Es sei $U\subseteq \mathbb {C}$ ein Gebiet, $f\colon U\to \mathbb {C}$ holomorph. Hat $|f|$ in $U$ ein lokales Maximum, so ist $f$ konstant.
Ist $U$ beschränkt und $f$ auf ${\bar {U}}$ stetig fortsetzbar, so nimmt $f$ sein Maximum auf $\partial U$ an.

Zum Beweis benötigen wir ein Lemma, das die Folgerung lokal trifft

Lemma

Es sei $G\subseteq \mathbb {C}$ offen, $f\colon G\to \mathbb {C}$ holomorph. Sei $z_{0}\in G$ eine lokale Maximalstelle von $|f|$ . Dann ist $f$ auf einer Umgebung von $z_{0}$ konstant.

Beweis des Lemmas 1

Es sei $r>0$ so gewählt, dass $|f(z)|\leq |f(z_{0})|$ für alle $z\in {\bar {D}}_{r}(z_{0})\subseteq G$ gilt. Die Cauchy-Integralformel liefert für alle $\varepsilon \leq r$ , dass

f(z_{0})={\frac {1}{2\pi i}}\int _{\partial D_{\varepsilon }(z_{0})}{\frac {f(z)}{z-z_{0}}}\,dz

Damit kann man die folgende Abschätzung zeigen:

Beweis des Lemmas 2

Man erhält die folgende Abschätzung:

{\begin{array}{rl}|f(z_{0})|&={\frac {1}{2\pi }}\left|\int _{\partial D_{\varepsilon }(z_{0})}{\frac {f(z)}{z-z_{0}}}\,dz\right|\\&={\frac {1}{2\pi }}\left|\int _{0}^{2\pi }{\frac {f(z_{0}+\varepsilon e^{it})}{\varepsilon \cdot e^{it}}}\varepsilon \cdot i\cdot e^{it}\,dt\right|\\&\leq {\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{2\pi }|f(z_{0}+\varepsilon \cdot e^{it})|\,dt\\&\leq \sup _{t\in [0,2\pi ]}|f(z_{0}+\varepsilon \cdot e^{it})|\\&\leq |f(z_{0})|\end{array}}

Beweis des Lemmas 3

Daraus folgt, dass es sich bei der $\leq$ -Abschätzung um echte Gleichungkette handelt und somit

{\begin{array}{rl}|f(z_{0})|=&\int _{0}^{2\pi }|f(z_{0})|\cdot {\frac {1}{2\pi }}dt={\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{2\pi }|f(z_{0}+\varepsilon \cdot e^{it})|\,dt\\\Rightarrow &0=\int _{0}^{2\pi }(|f(z)|-|f(z_{0})|)dt\\\Rightarrow &|f(z)|=|f(z_{0})|\end{array}}

.

Beweis des Lemmas 4

Damit erhalten wir die Konstanz von $|f|$ über die Eigenschaft:

|f(z)|=|f(z_{0})|

für alle

z\in {\bar {D}}_{r}(z_{0})

,

d.h. $|f|$ ist auf $D_{r}(z_{0})$ konstant.

Beweis des Lemmas 5

Wenn $|f|={\sqrt {{\mathfrak {Re}}(f)^{2}+{\mathfrak {Im}}(f)^{2}}}$ auf $D_{r}(z_{0})$ konstant ist, dann muss auch ${\mathfrak {Re}}(f)^{2}+{\mathfrak {Im}}(f)^{2}=c$ konstant sein mit einer Konstante $c\in \mathbb {R}$ .

Beweis des Lemmas 6

Wegen $f$ holomorph auf $D_{r}(z_{0})$ ist gelten die Cauchy-Riemannschen-Differentialgleichungen für

u:={\mathfrak {Re}}(f),\ v:={\mathfrak {Im}}(f)\ {\mbox{ und }}\ f(z):=u(x,y)+i\cdot v(x,y)

und es gilt

{\frac {\partial u(x,y)^{2}+v(x,y)^{2}}{\partial x}}=0{\mbox{ und }}{\frac {\partial u(x,y)^{2}+v(x,y)^{2}}{\partial y}}=0

Beweis des Lemmas 7

Ist $u_{x}={\frac {\partial u}{\partial x}}$ und $u_{y}={\frac {\partial u}{\partial y}}$ und Anwendung der Kettenregel auf die partiellen Ableitungen erhält man die beiden Gleichungen

0=2uu_{x}+2vv_{x}

und

0=2uu_{y}+2vv_{y}

Mit CR-DGL $u_{x}=v_{y}$ und $u_{y}=-v_{x}$ ersetzen wird die partiellen Ableitung von $v$ durch partielle Ableitungen von $u$ und erhalten (Faktor 2 kann entfallen):

0=2\cdot (uu_{x}-vu_{x})

und

0=2\cdot (uu_{y}+vu_{x})

Beweis des Lemmas 8

Wir quadrieren die beiden Gleichungen

0=(uu_{x}-vu_{y})^{2}=u^{2}u_{x}^{2}-2uu_{x}\cdot vu_{y}+v^{2}u_{y}^{2}

0=(uu_{y}+vu_{x})^{2}=u^{2}u_{y}^{2}+2uu_{y}\cdot vu_{x}+v^{2}u_{x}^{2}

und addieren diese beiden quadrierten Gleichungen danach zu:

0=u^{2}u_{x}^{2}+v^{2}u_{y}^{2}+u^{2}u_{y}^{2}+v^{2}u_{x}^{2}

Beweis des Lemmas 9

Durch Ausklammern von $u^{2}$ und $v^{2}$ erhält man:

0=u^{2}(u_{x}^{2}+u_{y}^{2})+v^{2}(u_{x}^{2}+u_{y}^{2})=(u^{2}+v^{2})\cdot (u_{x}^{2}+u_{y}^{2})

Damit folgt mit den reellwertigen Realteil- bzw. Imaginärteilfunktionen im Produkt:

0=u^{2}+v^{2}\vee 0=u_{x}^{2}+u_{y}^{2}

Beweis des Lemmas 10

Mit $u^{2}=-v^{2}$ folgt $u=v=0$ da $u(x,y)$ und $v(x,y)$ reellwertig sind und damit gilt $f=u+iv=0$ .
$u_{x}^{2}=-u_{y}^{2}$ folgt $u_{x}^{2}=u_{y}^{2}=0$ und $u_{x}=u_{y}=0$ und damit ist nach den Cauchy-Riemannschen-Differentialgleichungen auch $f'=0$

Insgesamt ist also $f$ konstant auf $D_{r}(z_{0})$ .

Beweis

Es sei $z_{0}\in G$ eine lokale Maximalstelle von $|f|$ in dem Gebiet $G$ . $V:=\{z\in G:f(z)=f(z_{0})\}$ sei die Menge alle $z\in G$ die auf $w:=f(z_{0})\in \mathbb {C}$ abbilden (Niveaumenge).

Beweis 1: V abgeschlossen

Da $f$ stetig ist, sind Urbilder von offenen Mengen offen und Urbilder von abgeschlossenen Menge abgeschlossen (in der Relativtopologie in $G$ ). Da die Menge $\{w\}\subset \mathbb {C}$ abgeschlossen ist, ist $V=f^{-1}(\{w\})$ abgeschlossen in $G$ .

Beweis 2: V offen

Nach dem Lemma lässt sich die $V$ auch als Vereinigung von offen Kreischreiben darstellen und Vereinigungen von beliebigen offenen Mengen wieder offen.

Beweis 3: Zusammenhang

Also ist $V=G$ wegen des Zusammenhangs von $U$ , d. h. $f$ ist konstant.

Beweis 4: G beschränkt

Ist $G$ beschränkt, so ist ${\bar {G}}$ kompakt, also nimmt die stetige Funktion $f$ auf ${\bar {G}}$ ihr Maximum an, etwa an der Stelle $z_{0}\in {\bar {G}}$ . Ist $z_{0}\in G$ , so ist $f$ nach obigem Lemma auf $G$ konstant und damit auf ${\bar {G}}$ konstant, also nimmt $f$ sein Maximum auch auf $\partial G$ an. Anderenfalls ist $z_{0}\in \partial G$ und wir sind fertig.

Siehe auch

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