Eine komplexe Zahl
z
∈
C
{\displaystyle z\in \mathbb {C} }
wird durch
z
:=
x
+
i
y
{\displaystyle z:=x+\mathrm {i} y}
in zwei reelle Zahlen zerlegt. Für die folgende Funktion
f
:
G
→
C
(
x
,
y
)
→
f
(
x
,
y
)
{\displaystyle f:G\to \mathbb {C} \,{\mbox{ }}\,(x,y)\to f(x,y)}
sei
G
⊂
R
2
{\displaystyle G\subset \mathbb {R} ^{2}}
ein Gebiet .
Zerlegung in Realteil- und Imaginärteilfunktion
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Die Funktion
f
:
G
→
C
{\displaystyle f:G\to \mathbb {C} }
wird nun in die Realteil- und Imaginärteilfunktion
f
=
u
+
i
v
:
G
→
C
{\displaystyle f=u+\mathrm {i} v\colon G\to \mathbb {C} }
zerlegt.
Definition Realteil- und Imaginärteilfunktion
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Die Realteilfunktion
u
:
G
→
R
(
x
,
y
)
→
u
(
x
,
y
)
{\displaystyle u:G\to \mathbb {R} \,{\mbox{ }}\,(x,y)\to u(x,y)}
und die Imaginärteilfunktion
v
:
G
→
R
(
x
,
y
)
→
v
(
x
,
y
)
{\displaystyle v:G\to \mathbb {R} \,{\mbox{ }}\,(x,y)\to v(x,y)}
sind jeweils eine (reell) differenzierbare Funktion.
Die partiellen Ableitungen von
f
{\displaystyle f}
existieren und können als Linearkombination der partielle Ableitungen von
u
{\displaystyle u}
und
v
{\displaystyle v}
wie folgt geschrieben werden:
∂
f
∂
x
(
x
,
y
)
=
∂
u
∂
x
(
x
,
y
)
+
i
∂
v
∂
x
(
x
,
y
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial x}}(x,y)={\frac {\partial u}{\partial x}}(x,y)+\mathrm {i} {\frac {\partial v}{\partial x}}(x,y)}
und
∂
f
∂
y
(
x
,
y
)
=
∂
u
∂
y
(
x
,
y
)
+
i
∂
v
∂
y
(
x
,
y
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}(x,y)={\frac {\partial u}{\partial y}}(x,y)+\mathrm {i} {\frac {\partial v}{\partial y}}(x,y)}
.
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
x
{\displaystyle x}
und
y
{\displaystyle y}
verwendet man
z
=
x
+
i
y
{\displaystyle z=x+\mathrm {i} y}
und
z
¯
=
x
−
i
y
{\displaystyle {\bar {z}}=x-\mathrm {i} y}
.
Sei
G
⊂
R
2
{\displaystyle G\subset \mathbb {R} ^{2}}
eine offene wegzusammenhängende Menge und
f
:
G
→
C
{\displaystyle f:G\rightarrow \mathbb {C} }
eine Funktion, die in einer Umgebung
U
⊆
G
{\displaystyle U\subseteq G}
von
z
o
{\displaystyle z_{o}}
. Dann versteht man unter der Richtungsableitung von
f
{\displaystyle f}
im Punkt
z
o
=
(
x
o
,
y
o
)
∈
R
2
{\displaystyle z_{o}=(x_{o},y_{o})\in \mathbb {R} ^{2}}
in Richtung des Vektors
v
=
(
v
1
,
v
2
)
∈
R
2
{\displaystyle v=(v_{1},v_{2})\in \mathbb {R} ^{2}}
den Limes
∂
f
∂
v
(
z
o
)
:=
lim
h
→
0
f
(
z
o
+
h
⋅
v
)
−
f
(
z
o
)
h
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial v}}(z_{o}):=\lim _{h\to 0}{\frac {f(z_{o}+h\cdot v)-f(z_{o})}{h}}}
Der Limes muss existieren.
Partielle Ableitung kann man as spezielle Ableitungen mit
v
=
(
1
,
0
)
{\displaystyle v=(1,0)}
bzw.
v
=
(
0
,
1
)
{\displaystyle v=(0,1)}
auffassen.
Bei einer total differenzierbaren Funktion
f
:
G
→
C
{\displaystyle f:G\rightarrow \mathbb {C} }
lässt sich die Richtungsableitung als Skalarprodukt
⟨
v
,
G
r
a
d
(
f
)
(
z
o
)
⟩
{\displaystyle \langle v,Grad(f)(z_{o})\rangle }
aus
v
{\displaystyle v}
und dem Gradient von
f
{\displaystyle f}
an der Stelle
z
o
{\displaystyle z_{o}}
.
Komplexe Konjugation und Richtungsableitungen
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Aus den komplexen Zahlen
z
=
x
+
i
y
{\displaystyle z=x+\mathrm {i} y}
und
z
¯
=
x
−
i
y
{\displaystyle {\bar {z}}=x-\mathrm {i} y}
auf
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
übertragen ist
z
=
(
x
,
y
)
{\displaystyle z=(x,y)}
und
z
¯
=
(
x
,
−
y
)
{\displaystyle {\overline {z}}=(x,-y)}
. Die partiellen Ableitungen
∂
f
∂
x
(
z
o
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})}
und
∂
f
∂
y
(
z
o
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})}
sind komplexwertig. Damit definiert man bei einer total differenzierbaren Funktion
f
{\displaystyle f}
die folgende Differentiale.
Eine Funktion
f
{\displaystyle f}
ist in
x
o
+
i
y
o
{\displaystyle x_{o}+iy_{o}}
genau dann komplex differenzierbar, wenn sie reell differenzierbar ist und für
u
,
v
{\displaystyle u,v}
mit
u
:
G
→
R
{\displaystyle u:G\rightarrow \mathbb {R} }
,
v
:
G
→
R
{\displaystyle v:G\rightarrow \mathbb {R} }
mit
G
⊂
R
2
{\displaystyle G\subset \mathbb {R} ^{2}}
die Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen für
z
o
=
(
x
o
,
y
o
)
∈
R
2
{\displaystyle z_{o}=(x_{o},y_{o})\in \mathbb {R} ^{2}}
∂
u
∂
x
(
x
o
,
y
o
)
=
∂
v
∂
y
(
x
o
,
y
o
)
{\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial x}}(x_{o},y_{o})={\frac {\partial v}{\partial y}}(x_{o},y_{o})}
∂
u
∂
y
(
x
o
,
y
o
)
=
−
∂
v
∂
x
(
x
o
,
y
o
)
{\displaystyle \displaystyle {\frac {\partial u}{\partial y}}(x_{o},y_{o})=-{\frac {\partial v}{\partial x}}(x_{o},y_{o})}
erfüllt sind und
∂
f
∂
x
(
z
o
)
=
∂
u
∂
x
(
z
o
)
+
i
⋅
∂
v
∂
x
(
z
o
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})={\frac {\partial u}{\partial x}}(z_{o})+i\cdot {\frac {\partial v}{\partial x}}(z_{o})}
bzw.
∂
f
∂
y
(
z
o
)
=
∂
u
∂
y
(
z
o
)
+
i
⋅
∂
v
∂
y
(
z
o
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})={\frac {\partial u}{\partial y}}(z_{o})+i\cdot {\frac {\partial v}{\partial y}}(z_{o})}
gilt.
Richtungsableitungen und partielle Ableitungen
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Definiert man mit CRG die so genannten Wirtinger-Ableitungen
∂
f
∂
z
(
z
o
)
:=
1
2
⋅
(
∂
f
∂
x
(
z
o
)
−
i
⋅
∂
f
∂
y
(
z
o
)
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial z}}(z_{o}):={\frac {1}{2}}\cdot \left({\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})-i\cdot {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})\right)}
und
∂
f
∂
z
¯
(
z
o
)
:=
1
2
⋅
(
∂
f
∂
x
(
z
o
)
+
i
⋅
∂
f
∂
y
(
z
o
)
)
,
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{o}):={\frac {1}{2}}\cdot \left({\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})+i\cdot {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})\right),}
so erhält man
∂
f
∂
z
¯
(
z
o
)
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{o})=0}
ein Holomorphiekriterium .
Durch das Einsetzen der Wirtinger-Ableitungen erhält man jeweils die partielle Ableitungen mit:
1
2
⋅
(
∂
f
∂
z
(
z
o
)
+
∂
f
∂
z
¯
(
z
o
)
)
=
1
2
⋅
(
(
∂
f
∂
x
(
z
o
)
−
i
⋅
∂
f
∂
x
(
z
o
)
)
+
(
∂
f
∂
x
(
z
o
)
+
i
⋅
∂
f
∂
y
(
z
o
)
)
)
=
1
2
⋅
(
2
⋅
∂
f
∂
x
(
z
o
)
)
=
∂
f
∂
x
(
z
o
)
i
2
⋅
(
∂
f
∂
z
(
z
o
)
−
∂
f
∂
z
¯
(
z
o
)
)
=
i
2
⋅
(
(
∂
f
∂
x
(
z
o
)
−
i
⋅
∂
f
∂
x
(
z
o
)
)
−
(
∂
f
∂
x
(
z
o
)
+
i
⋅
∂
f
∂
y
(
z
o
)
)
)
=
i
2
⋅
(
−
2
i
⋅
∂
f
∂
y
(
z
o
)
)
=
∂
f
∂
y
(
z
o
)
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}{\frac {1}{2}}\cdot \left({\frac {\partial f}{\partial z}}(z_{o})+{\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{o})\right)&=&{\frac {1}{2}}\cdot \left(\left({\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})-i\cdot {\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})\right)+\left({\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})+i\cdot {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})\right)\right)\\&=&{\frac {1}{2}}\cdot \left(2\cdot {\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})\right)={\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})\\{\frac {i}{2}}\cdot \left({\frac {\partial f}{\partial z}}(z_{o})-{\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{o})\right)&=&{\frac {i}{2}}\cdot \left(\left({\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})-i\cdot {\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})\right)-\left({\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})+i\cdot {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})\right)\right)\\&=&{\frac {i}{2}}\cdot \left(-2i\cdot {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})\right)={\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})\end{array}}}
Darstellung partieller Ableitungen über Richtungsableitungen
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Insgesamt erhält man mit
z
=
x
+
i
y
{\displaystyle z=x+iy}
in
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
über
x
=
1
2
(
z
+
z
¯
)
{\displaystyle \textstyle x={\frac {1}{2}}(z+{\bar {z}})}
und
y
=
1
2
i
(
z
−
z
¯
)
=
i
2
(
z
¯
−
z
)
{\displaystyle \textstyle y={\frac {1}{2\mathrm {i} }}(z-{\bar {z}})={\frac {\mathrm {i} }{2}}({\bar {z}}-z)}
die Darstellung von Realteil und Imaginärteil. Überträgt man die Gleichungen auf
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
so erhält man also mit
G
⊂
R
2
{\displaystyle G\subset \mathbb {R} ^{2}}
und
f
:
G
→
C
{\displaystyle f:G\rightarrow \mathbb {C} }
die partiellen Ableitungen
∂
f
∂
x
(
z
o
)
=
1
2
⋅
(
∂
f
∂
z
(
z
o
)
+
∂
f
∂
z
¯
(
z
o
)
)
∈
C
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial x}}(z_{o})={\frac {1}{2}}\cdot \left({\frac {\partial f}{\partial z}}(z_{o})+{\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{o})\right)\in \mathbb {C} }
und
∂
f
∂
y
(
z
o
)
=
i
2
⋅
(
∂
f
∂
z
¯
(
z
o
)
−
∂
f
∂
z
(
z
o
)
)
∈
C
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}(z_{o})={\frac {i}{2}}\cdot \left({\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{o})-{\frac {\partial f}{\partial z}}(z_{o})\right)\in \mathbb {C} }
Für die Differentiale erhält man daraus
d
x
=
1
2
(
d
z
+
d
z
¯
)
{\displaystyle \mathrm {d} x={\frac {1}{2}}(\mathrm {d} z+\mathrm {d} {\bar {z}})}
und
d
y
=
i
2
(
d
z
¯
−
d
z
)
{\displaystyle \mathrm {d} y={\frac {\mathrm {i} }{2}}(\mathrm {d} {\bar {z}}-\mathrm {d} z)}
.
Einsetzen in das totale Differential und Umsortieren liefert
d
f
=
1
2
(
∂
f
∂
x
−
i
∂
f
∂
y
)
d
z
+
1
2
(
∂
f
∂
x
+
i
∂
f
∂
y
)
d
z
¯
{\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial f}{\partial x}}-\mathrm {i} {\frac {\partial f}{\partial y}}\right)\mathrm {d} z+{\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial f}{\partial x}}+\mathrm {i} {\frac {\partial f}{\partial y}}\right)\mathrm {d} {\bar {z}}}
.
Um (formal) die Beziehung
d
f
=
∂
f
∂
z
d
z
+
∂
f
∂
z
¯
d
z
¯
{\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {\partial f}{\partial z}}\mathrm {d} z+{\frac {\partial f}{\partial {\bar {z}}}}\mathrm {d} {\bar {z}}}
zu erhalten, setzt man
∂
f
∂
z
:=
1
2
(
∂
f
∂
x
−
i
∂
f
∂
y
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial z}}:={\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial f}{\partial x}}-\mathrm {i} {\frac {\partial f}{\partial y}}\right)}
und
∂
f
∂
z
¯
:=
1
2
(
∂
f
∂
x
+
i
∂
f
∂
y
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial {\bar {z}}}}:={\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial f}{\partial x}}+\mathrm {i} {\frac {\partial f}{\partial y}}\right)}
.
Dies sind die Wirtinger-Ableitungen .
Für
∂
f
∂
z
{\displaystyle \textstyle {\frac {\partial f}{\partial z}}}
schreibt man auch kurz
∂
f
{\displaystyle \,\partial f}
, für
∂
f
∂
z
¯
{\displaystyle \textstyle {\frac {\partial f}{\partial {\bar {z}}}}}
schreibt man
∂
¯
f
{\displaystyle {\bar {\partial }}f}
. Der Operator
∂
¯
{\displaystyle {\overline {\partial }}}
heißt Cauchy-Riemann-Operator .
Mit Hilfe der partiellen Ableitungen schreibt sich das (totale) Differential von
f
{\displaystyle f}
als
d
f
=
∂
f
∂
x
d
x
+
∂
f
∂
y
d
y
{\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {\partial f}{\partial x}}\mathrm {d} x+{\frac {\partial f}{\partial y}}\mathrm {d} y}
.
als Richtungsableitungen für
v
=
(
1
,
1
)
{\displaystyle v=(1,1)}
und
v
¯
=
(
1
,
−
1
)
{\displaystyle {\overline {v}}=(1,-1)}
die Darstellung über die partiellen Ableitungen.
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
∂
¯
f
=
0
{\displaystyle {\overline {\partial }}f=0}
gilt. In diesem Fall ist
∂
f
{\displaystyle \partial f}
die Ableitung von
f
{\displaystyle f}
. Dies gilt, da die Gleichung
∂
¯
f
=
0
{\displaystyle {\overline {\partial }}f=0}
eine sehr kurze Darstellung der Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen ist. Aus diesem Grund trägt der Operator
∂
¯
{\displaystyle {\overline {\partial }}}
den Namen Cauchy-Riemann-Operator.
Gilt hingegen für eine reell differenzierbare Funktion
f
{\displaystyle f}
die Gleichung
∂
f
=
0
{\displaystyle \partial f=0}
so nennt man diese Funktion antiholomorph und das reelle Differential kann mit Hilfe von Eigenschaft 1 aus
∂
¯
f
{\displaystyle {\overline {\partial }}f}
berechnet werden.
Es gelten die Gleichungen
∂
f
∂
x
=
∂
f
+
∂
¯
f
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial x}}=\partial f+{\overline {\partial }}f}
und
∂
f
∂
y
=
i
(
∂
f
−
∂
¯
f
)
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}=\mathrm {i} \left(\partial f-{\overline {\partial }}f\right)}
.
Die Operatoren
∂
{\displaystyle \partial }
und
∂
¯
{\displaystyle {\overline {\partial }}}
sind
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
-linear , das heißt für
a
,
b
∈
C
{\displaystyle a,b\in \mathbb {C} }
und reell differenzierbare Funktionen
f
,
g
:
G
→
C
{\displaystyle f,g\colon G\to \mathbb {C} }
gilt
∂
(
a
f
+
b
g
)
=
a
∂
f
+
b
∂
g
{\displaystyle \partial (af+bg)=a\partial f+b\partial g}
und
∂
¯
(
a
f
+
b
g
)
=
a
∂
¯
f
+
b
∂
¯
g
{\displaystyle {\overline {\partial }}(af+bg)=a{\overline {\partial }}f+b{\overline {\partial }}g}
.
Für jede reell differenzierbare Funktion
f
{\displaystyle f}
gilt
∂
¯
f
=
∂
f
¯
¯
{\displaystyle {\overline {\partial }}f={\overline {\partial {\overline {f}}}}}
und
∂
¯
f
¯
=
∂
f
¯
{\displaystyle {\overline {\partial }}\ {\overline {f}}={\overline {\partial f}}}
.
Für die Wirtinger-Ableitungen gilt die Kettenregel
∂
(
g
∘
f
)
∂
z
(
z
0
)
=
∂
g
∂
w
(
f
(
z
0
)
)
⋅
∂
f
∂
z
(
z
0
)
+
∂
g
∂
w
¯
(
f
(
z
0
)
)
⋅
∂
f
¯
∂
z
(
z
0
)
{\displaystyle {\frac {\partial (g\circ f)}{\partial z}}(z_{0})={\frac {\partial g}{\partial w}}(f(z_{0}))\cdot {\frac {\partial f}{\partial z}}(z_{0})+{\frac {\partial g}{\partial {\overline {w}}}}(f(z_{0}))\cdot {\frac {\partial {\overline {f}}}{\partial z}}(z_{0})}
und
∂
(
g
∘
f
)
∂
z
¯
(
z
0
)
=
∂
g
∂
w
(
f
(
z
0
)
)
⋅
∂
f
∂
z
¯
(
z
0
)
+
∂
g
∂
w
¯
(
f
(
z
0
)
)
⋅
∂
f
¯
∂
z
¯
(
z
0
)
{\displaystyle {\frac {\partial (g\circ f)}{\partial {\overline {z}}}}(z_{0})={\frac {\partial g}{\partial w}}(f(z_{0}))\cdot {\frac {\partial f}{\partial {\overline {z}}}}(z_{0})+{\frac {\partial g}{\partial {\overline {w}}}}(f(z_{0}))\cdot {\frac {\partial {\overline {f}}}{\partial {\overline {z}}}}(z_{0})}
.
Das Hauptsymbol von
∂
{\displaystyle \partial }
ist
ξ
↦
1
2
(
ξ
1
−
i
ξ
2
)
{\displaystyle \xi \mapsto {\tfrac {1}{2}}(\xi _{1}-\mathrm {i} \xi _{2})}
und das Hauptsymbol von
∂
¯
{\displaystyle {\overline {\partial }}}
ist
ξ
↦
1
2
(
ξ
1
+
i
ξ
2
)
{\displaystyle \xi \mapsto {\tfrac {1}{2}}(\xi _{1}+\mathrm {i} \xi _{2})}
. Beide Differentialoperatoren sind also elliptisch .
Assoziierter Laplace- und Dirac-Operator
Bearbeiten
Mit den Wirtinger-Ableitungen kann man den Laplace-Operator durch
Δ
f
=
4
∂
∂
¯
f
=
4
∂
¯
∂
f
{\displaystyle \Delta f=4\partial {\overline {\partial }}f=4{\overline {\partial }}\partial f}
darstellen. Daraus folgt insbesondere, dass der Operator
D
:=
2
(
0
−
∂
∂
¯
0
)
{\displaystyle D:=2{\begin{pmatrix}0&-\partial \\{\overline {\partial }}&0\end{pmatrix}}}
ein Dirac-Operator ist.
Die Fundamentallösung des Cauchy-Riemann-Operators
∂
∂
z
¯
{\displaystyle \textstyle {\frac {\partial }{\partial {\overline {z}}}}}
ist
1
π
z
{\displaystyle \textstyle {\frac {1}{\pi z}}}
, das heißt die durch die Funktion
u
(
z
)
=
1
π
z
{\displaystyle \textstyle u(z)={\frac {1}{\pi z}}}
erzeugte Distribution löst die Gleichung
∂
∂
z
¯
u
(
z
)
=
δ
{\displaystyle \textstyle {\frac {\partial }{\partial {\overline {z}}}}u(z)=\delta }
, wobei
δ
{\displaystyle \delta }
die Delta-Distribution ist. Eine Herleitung ist im Artikel Cauchy-Riemannsche partielle Differentialgleichungen zu finden.