Kurs:Funktionentheorie/Wirtinger-Kalkül

Einleitung

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Bei dem Wirtinger-Kalkül handelt es sich um einen mathematischen Kalkül aus der Funktionentheorie. Der Wirtinger-Kalkül ist nach dem Mathematiker Wilhelm Wirtinger benannt. Mit Hilfe dieser Objekte kann die Darstellung komplexer Ableitungen übersichtlicher gestaltet werden.

Wirtinger-Kalkül

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Eine komplexe Zahl   wird durch   in zwei reelle Zahlen zerlegt. Für die folgende Funktion

 

sei   ein Gebiet.

Zerlegung in Realteil- und Imaginärteilfunktion

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Die Funktion   wird nun in die Realteil- und Imaginärteilfunktion   zerlegt.

Definition Realteil- und Imaginärteilfunktion

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Die Realteilfunktion

 

und die Imaginärteilfunktion

 

sind jeweils eine (reell) differenzierbare Funktion.

Existenz der partiellen Ableitungen

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Die partiellen Ableitungen von   existieren und können als Linearkombination der partielle Ableitungen von   und   wie folgt geschrieben werden:

 

und

 .

Berechnung der Wirtinger-Ableitungen

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Im nächsten Abschnitt werden nun die Wirtinger-Ableitungen eingeführt, welche ebenfalls partielle Differentialoperatoren sind. Jedoch sind diesWikipedia Authorse einfacher zu berechnen, da die komplexwertige Funktion nicht in Real- und Imaginärteil zerlegt werden muss. Statt der Koordinaten   und   verwendet man   und  .

Richtungsableitung

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Sei   eine offene wegzusammenhängende Menge und   eine Funktion, die in einer Umgebung   von  . Dann versteht man unter der Richtungsableitung von   im Punkt   in Richtung des Vektors   den Limes

 

Bemerkungen - Partielle Ableitungen

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  • Der Limes muss existieren.
  • Partielle Ableitung kann man as spezielle Ableitungen mit   bzw.   auffassen.
  • Bei einer total differenzierbaren Funktion   lässt sich die Richtungsableitung als Skalarprodukt   aus   und dem Gradient von   an der Stelle  .

Komplexe Konjugation und Richtungsableitungen

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Aus den komplexen Zahlen   und   auf   übertragen ist   und  . Die partiellen Ableitungen   und   sind komplexwertig. Damit definiert man bei einer total differenzierbaren Funktion   die folgende Differentiale.

Cauchy-Riemann-Differentialgleichungen

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Eine Funktion   ist in   genau dann komplex differenzierbar, wenn sie reell differenzierbar ist und für   mit  ,   mit   die Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen für  

 
 

erfüllt sind und   bzw.   gilt.

Richtungsableitungen und partielle Ableitungen

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Definiert man mit CRG die so genannten Wirtinger-Ableitungen

 

und

 

so erhält man   ein Holomorphiekriterium.

Einsetzen der partielle Ableitungen

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Durch das Einsetzen der Wirtinger-Ableitungen erhält man jeweils die partielle Ableitungen mit:

 

Darstellung partieller Ableitungen über Richtungsableitungen

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Insgesamt erhält man mit   in   über   und   die Darstellung von Realteil und Imaginärteil. Überträgt man die Gleichungen auf   so erhält man also mit   und   die partiellen Ableitungen

 

und

 

Motivation - Kurzdarstellung

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Für die Differentiale erhält man daraus

  und  .

Einsetzen in das totale Differential und Umsortieren liefert

 .

Formale Darstellung der Ableitung

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Um (formal) die Beziehung   zu erhalten, setzt man

 

und

 .

Dies sind die Wirtinger-Ableitungen.

Kurzform der Notation

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Für   schreibt man auch kurz  , für   schreibt man  . Der Operator   heißt Cauchy-Riemann-Operator.

Totales Differential

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Mit Hilfe der partiellen Ableitungen schreibt sich das (totale) Differential von   als

 .

als Richtungsableitungen für   und   die Darstellung über die partiellen Ableitungen.

Holomorphe Funktionen

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Der Wirtinger-Kalkül findet insbesondere in der Funktionentheorie Anwendung, da für holomorphe Funktionen die Notation sich auf ein Minimum reduziert. Außerdem ist dieser Kalkül sehr stabil, wie Eigenschaften 3 und 4 im nächsten Abschnitt zeigen.

Eine reell differenzierbare Funktion ist genau dann eine holomorphe Funktion, wenn   gilt. In diesem Fall ist   die Ableitung von  . Dies gilt, da die Gleichung   eine sehr kurze Darstellung der Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen ist. Aus diesem Grund trägt der Operator   den Namen Cauchy-Riemann-Operator.

Gilt hingegen für eine reell differenzierbare Funktion   die Gleichung   so nennt man diese Funktion antiholomorph und das reelle Differential kann mit Hilfe von Eigenschaft 1 aus   berechnet werden.

Eigenschaften

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Beziehung zur partiellen Ableitung

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Es gelten die Gleichungen

 

und

 .

Linearität

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Die Operatoren   und   sind  -linear, das heißt für   und reell differenzierbare Funktionen   gilt

 

und

 .

Komplexe Konjugation

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Für jede reell differenzierbare Funktion   gilt

 

und

 .

Kettenregel

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Für die Wirtinger-Ableitungen gilt die Kettenregel

 

und

 .

Hauptsymbol

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Das Hauptsymbol von   ist   und das Hauptsymbol von   ist  . Beide Differentialoperatoren sind also elliptisch.

Assoziierter Laplace- und Dirac-Operator

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Mit den Wirtinger-Ableitungen kann man den Laplace-Operator durch

 

darstellen. Daraus folgt insbesondere, dass der Operator

 

ein Dirac-Operator ist.

Fundamentallösung

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Die Fundamentallösung des Cauchy-Riemann-Operators   ist  , das heißt die durch die Funktion   erzeugte Distribution löst die Gleichung  , wobei   die Delta-Distribution ist. Eine Herleitung ist im Artikel Cauchy-Riemannsche partielle Differentialgleichungen zu finden.

Literatur

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