Ungleichungen sind ein wesentliches Hilfsmittel um zentrale Aussage in der Funktionentheorie zu zeigen. Da
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
keine vollständige/totale Ordnung besitzt, muss man für Abschätzungen auf den Betrag der Funktionen übergehen.
Ungleichung für Summe von Realteil- und Imaginärteil - UG-RI
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Sei
f
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle f:[a,b]\rightarrow \mathbb {C} }
stückweise stetig mit
f
1
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle f_{1}:[a,b]\rightarrow \mathbb {R} }
,
f
2
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle f_{2}:[a,b]\rightarrow \mathbb {R} }
und
f
=
f
1
+
i
⋅
f
2
{\displaystyle f=f_{1}+i\cdot f_{2}}
, dann gilt:
|
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
|
≤
∫
a
b
|
f
1
(
t
)
|
d
t
+
∫
a
b
|
f
2
(
t
)
|
d
t
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(t)\,dt\right|\leq \int _{a}^{b}|f_{1}(t)|\,dt+\int _{a}^{b}|f_{2}(t)|\,dt}
Führen Sie den Beweis für UG.RI aus. Der Beweis erfolgt durch Zerlegung in Realteilfunktion und Imaginärteilfunktion, Linearität des Integrals und der Anwendung der Dreiecksungleichung.
Ungleichung für Betrag im Integrand - UG-BI
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Sei
f
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle f:[a,b]\rightarrow \mathbb {C} }
stückweise stetig, dann gilt:[ 1]
|
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
|
≤
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(t)\,dt\right|\leq \int _{a}^{b}|f(t)|\,dt}
Der Beweis wird über eine Fallunterscheidung geführt mit:
(BI-1)
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
=
0
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(t)\,dt=0}
(BI-2)
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
≠
0
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(t)\,dt\not =0}
Mit
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
=
0
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(t)\,dt=0}
folgt
|
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
|
=
0
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(t)\,dt\right|=0}
.
Da
|
f
(
t
)
|
≥
0
{\displaystyle |f(t)|\geq 0}
folgt
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
≥
0
{\displaystyle \int _{a}^{b}|f(t)|\,dt\geq 0}
und man erhält:
|
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
|
=
0
≤
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(t)\,dt\right|=0\leq \int _{a}^{b}|f(t)|\,dt}
Das Integral
β
=
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
∈
C
{\displaystyle \beta =\int _{a}^{b}f(t)\,dt\in \mathbb {C} }
ist eine komplexe Zahl mit
β
≠
0
{\displaystyle \beta \not =0}
, für die gilt mit
|
β
|
=
β
⋅
β
¯
{\displaystyle |\beta |={\sqrt {\beta \cdot {\overline {\beta }}}}}
:
|
β
|
=
|
β
|
2
|
β
|
=
β
⋅
β
¯
|
β
|
=
β
¯
|
β
|
⏟
α
:=
⋅
β
=
α
⋅
β
{\displaystyle |\beta |={\frac {|\beta |^{2}}{|\beta |}}={\frac {\beta \cdot {\overline {\beta }}}{|\beta |}}=\underbrace {\frac {\overline {\beta }}{|\beta |}} _{\alpha :=}\cdot \beta =\alpha \cdot \beta }
Mit
β
≠
0
{\displaystyle \beta \not =0}
erhält durch die Anwendung der Linearität des Integrals:
|
β
|
=
α
⋅
β
=
α
⋅
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
=
∫
a
b
α
⋅
f
(
t
)
d
t
{\displaystyle |\beta |=\alpha \cdot \beta =\alpha \cdot \int _{a}^{b}f(t)\,dt=\int _{a}^{b}\alpha \cdot f(t)\,dt}
Sei
g
:=
α
⋅
f
{\displaystyle g:=\alpha \cdot f}
und
g
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle g:[a,b]\rightarrow \mathbb {C} }
stückweise stetig mit
g
1
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle g_{1}:[a,b]\rightarrow \mathbb {R} }
,
g
2
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle g_{2}:[a,b]\rightarrow \mathbb {R} }
und
g
=
g
1
+
i
⋅
g
2
{\displaystyle g=g_{1}+i\cdot g_{2}}
, dann gilt mit der Linearität des Integrals:
R
e
(
∫
a
b
g
(
t
)
d
t
)
=
R
e
(
∫
a
b
g
1
(
t
)
d
t
⏟
∈
R
+
i
⋅
∫
a
b
g
2
(
t
)
d
t
⏟
∈
R
)
=
R
e
(
∫
a
b
g
1
(
t
)
d
t
⏟
∈
R
)
=
∫
a
b
g
1
(
t
)
d
t
=
∫
a
b
R
e
(
g
1
(
t
)
)
d
t
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}{\mathfrak {Re}}{\bigg (}\int _{a}^{b}g(t)\,dt{\bigg )}&=&{\mathfrak {Re}}{\bigg (}\underbrace {\int _{a}^{b}g_{1}(t)\,dt} _{\in \mathbb {R} }+i\cdot \underbrace {\int _{a}^{b}g_{2}(t)\,dt} _{\in \mathbb {R} }{\bigg )}\\&=&{\mathfrak {Re}}{\bigg (}\underbrace {\int _{a}^{b}g_{1}(t)\,dt} _{\in \mathbb {R} }{\bigg )}=\int _{a}^{b}g_{1}(t)\,dt\\&=&\int _{a}^{b}{\mathfrak {Re}}(g_{1}(t))\,dt\\\end{array}}}
Weil
|
β
|
=
∫
a
b
α
⋅
f
(
t
)
d
t
∈
R
{\displaystyle |\beta |=\int _{a}^{b}\alpha \cdot f(t)\,dt\in \mathbb {R} }
gilt, erhält man mit der obigen Rechenregel aus Schritt 3 für den Realteil:
|
β
|
=
R
e
(
∫
a
b
α
⋅
f
(
t
)
d
t
⏟
∈
R
)
=
∫
a
b
R
e
(
α
⋅
f
(
t
)
)
⏟
∈
R
d
t
{\displaystyle |\beta |={\mathfrak {Re}}{\bigg (}\underbrace {\int _{a}^{b}\alpha \cdot f(t)\,dt} _{\in \mathbb {R} }{\bigg )}=\int _{a}^{b}\underbrace {{\mathfrak {Re}}\left(\alpha \cdot f(t)\right)} _{\in \mathbb {R} }\,dt}
Die folgende Realteilabschätzung gegen den Betrag einer komplexen Zahl
z
{\displaystyle z}
R
e
(
z
)
=
z
1
≤
|
z
1
|
=
z
1
2
≤
z
1
2
+
z
2
2
=
|
z
|
{\displaystyle {\mathfrak {Re}}(z)=z_{1}\leq |z_{1}|={\sqrt {z_{1}^{2}}}\leq {\sqrt {z_{1}^{2}+z_{2}^{2}}}=|z|}
für
z
=
z
1
+
i
⋅
z
2
{\displaystyle z=z_{1}+i\cdot z_{2}}
wird nun auf den Integranden des obigen Integrals
R
e
(
α
⋅
f
(
t
)
)
⏟
∈
R
{\displaystyle \underbrace {{\mathfrak {Re}}\left(\alpha \cdot f(t)\right)} _{\in \mathbb {R} }}
angewendet.
Die folgende Abschätzung ergibt analog zu Schritt 5 über die Linearität des Integrals
|
β
|
=
∫
a
b
R
e
(
α
⋅
f
(
t
)
)
d
t
≤
∫
a
b
|
α
⋅
f
(
t
)
|
d
t
=
|
α
|
⋅
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
{\displaystyle |\beta |=\int _{a}^{b}{\mathfrak {Re}}\left(\alpha \cdot f(t)\right)\,dt\leq \int _{a}^{b}\left|\alpha \cdot f(t)\right|\,dt=|\alpha |\cdot \int _{a}^{b}\left|f(t)\right|\,dt}
Da
|
α
|
=
|
β
¯
|
β
|
|
=
|
β
¯
|
|
β
|
=
1
{\displaystyle |\alpha |=\left|{\frac {\overline {\beta }}{|\beta |}}\right|={\frac {|{\overline {\beta }}|}{|\beta |}}=1}
gilt, erhält man insgesamt die gesuchte Abschätzung:
|
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
|
=
α
⋅
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
≤
|
α
|
⋅
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
=
∫
a
b
|
f
(
t
)
|
d
t
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(t)\,dt\right|=\alpha \cdot \int _{a}^{b}|f(t)|\,dt\leq |\alpha |\cdot \int _{a}^{b}|f(t)|\,dt=\int _{a}^{b}|f(t)|\,dt}
q.e.d.
Ungleichung für die Abschätzung über Integrationswegen
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Sei
γ
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle \gamma :[a,b]\rightarrow \mathbb {C} }
ein Integrationsweg und
f
:
U
→
C
{\displaystyle f:U\rightarrow \mathbb {C} }
auf der Spur von
γ
{\displaystyle \gamma }
stetige Funktion (
S
p
u
r
(
γ
)
:=
{
γ
(
t
)
:
t
∈
[
a
,
b
]
}
⊂
U
{\displaystyle Spur(\gamma ):=\{\gamma (t)\,:\,t\in [a,b]\}\subset U}
). Dann gilt:
|
∫
γ
f
(
z
)
d
z
|
≤
max
z
∈
S
p
u
r
(
γ
)
|
f
(
z
)
|
⋅
L
(
γ
)
{\displaystyle \left|\int _{\gamma }f(z)\,dz\right|\leq \max _{z\in Spur(\gamma )}|f(z)|\cdot {\mathcal {L}}(\gamma )}
Dabei ist
L
(
γ
)
=
∫
a
b
|
γ
′
(
t
)
|
d
t
{\displaystyle {\mathcal {L}}(\gamma )=\int _{a}^{b}|\gamma '(t)|\,dt}
die Länge des Integrals.
Durch Verwendung der obigen Abschätzung nach oben durch
|
f
(
z
)
d
z
|
≤
max
z
∈
S
p
u
r
(
γ
)
|
f
(
z
)
|
{\displaystyle \left|f(z)\,dz\right|\leq \max _{z\in Spur(\gamma )}|f(z)|}
und der Verwendung des Ungleichung (UG-BI) erhält man.
|
∫
γ
f
(
z
)
d
z
|
≤
U
G
−
B
I
∫
a
b
|
f
(
γ
(
t
)
)
⋅
γ
′
(
t
)
|
d
t
=
∫
a
b
|
f
(
γ
(
t
)
)
|
⋅
|
γ
′
(
t
)
|
d
t
≤
∫
a
b
max
z
∈
S
p
u
r
(
γ
)
|
f
(
z
)
|
⏟
M
:=
⋅
|
γ
′
(
t
)
|
d
z
=
M
⋅
∫
γ
|
γ
′
(
t
)
|
d
z
=
M
⋅
L
(
γ
)
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}\displaystyle \left|\int _{\gamma }f(z)\,dz\right|&{\stackrel {UG-BI}{\leq }}&\displaystyle \int _{a}^{b}\left|f(\gamma (t))\cdot \gamma {\,}'(t)\right|\,dt=\int _{a}^{b}\left|f(\gamma (t))\right|\cdot \left|\gamma {\,}'(t)\right|\,dt\\&\leq &\displaystyle \int _{a}^{b}\underbrace {\max _{z\in Spur(\gamma )}|f(z)|} _{M:=}\cdot |\gamma {\,}'(t)|\,dz=M\cdot \int _{\gamma }|\gamma {\,}'(t)|\,dz\\&=&\displaystyle M\cdot {\mathcal {L}}(\gamma )\\\end{array}}}
↑ Funktionentheorie, Fischer, W., Lieb, W. (1988) Vieweg, S. 37