Para una función holomorfa, los valores sobre una circunferencia contienen información de todo su interior. Cauchy permite recuperar un valor central, después sus derivadas y finalmente su serie de Taylor. Construiremos la fórmula con un círculo pequeño y usaremos esa idea para entender estimaciones, máximos y raíces. Las curvas de los ejemplos se recorren antihorariamente salvo indicación contraria.
Si necesitas repasar:
1. El núcleo 1/(z−a) selecciona un valor interior
Si f es holomorfa en un abierto que contiene un disco cerrado y a está estrictamente dentro, ∮ f(z)/(z−a) dz=2πi f(a) sobre la frontera positiva. También vale para un contorno simple con su interior y un entorno incluidos en la región de holomorfía.
La función f del numerador es la holomorfa; el cociente tiene el núcleo singular en a. No confundimos esa singularidad permitida con una singularidad extra del numerador. Si a está fuera, el cociente puede ser holomorfo en el disco y dar cero; si está en la curva, esta fórmula no se aplica.
Invertir orientación cambia el signo.
Separar el numerador del punto seleccionado
Integra (z²+2)/(z−1) sobre |z|=3.
Datos
f(z)=z²+2 es entera y a=1 queda dentro del disco.Valor
f(1)=3.Fórmula
La integral es 2πi·3=6πi.
La integral vale 6πi.
El punto interior se sustituye en el numerador f, no en el cociente que tiene denominador cero allí.
Un punto exterior produce otra situación
Integra eᶻ/(z−4) sobre |z|=2.
Localizar
a=4 está fuera del disco.Holomorfía
El cociente completo es holomorfo en un entorno del disco de radio dos.
Teorema correcto
Cauchy para contornos cerrados da integral cero.
La integral vale 0.
No usamos 2πi e⁴: la hipótesis punto interior era falsa.
2. Un círculo pequeño explica el factor 2πi
Retiramos un disco pequeño de radio r alrededor de a. En el anillo restante, f(z)/(z−a) es holomorfa. Cauchy iguala la integral exterior con la del círculo pequeño tomado también antihorario; el signo se obtiene al pasar la frontera interior, cuya orientación de anillo era horaria, al otro lado.
Entonces dz=ire^(it)dt y el cociente multiplicado por dz queda i f(a+re^(it))dt. La diferencia respecto de 2πi f(a) tiene módulo ≤2π sup sobre el círculo de |f(z)−f(a)|, que tiende a cero por continuidad. Así nace la fórmula.
Cuantificar la aproximación en un ejemplo lineal
f(z)=z+1 y a=0.
En el círculo
|f(re^(it))−f(0)|=r.Error
La diferencia entre la integral y 2πi f(0) queda acotada por 2πr.
Reducir
r↓0 obliga a que esa diferencia sea cero para el valor de la integral exterior, independiente de r.
La integral exterior recupera f(0)=1 y vale 2πi.
La cota puede ser mayor que el error real; solo necesitamos que baje a cero.
El núcleo puede quedar cancelado
f(z)=z−a.
Valor central
f(a)=0.Cociente
Fuera de a, f(z)/(z−a)=1 y se prolonga holomórficamente en el centro.Integral
La integral de uno sobre un contorno cerrado es cero.
Cauchy da 2πi·0=0, coherente con la cancelación.
La fórmula no garantiza un resultado no nulo por el mero aspecto de un denominador z−a.
3. La potencia del denominador es uno más que el orden de derivada
Una potencia dos pide primera derivada; una potencia tres, segunda. Al despejar la integral dividimos por n!, no multiplicamos.
La función sigue siendo holomorfa en toda la región requerida y a interior. Derivar el núcleo respecto de a es legítimo localmente porque a permanece a distancia positiva del contorno: las diferencias de núcleos se controlan uniformemente allí. La fórmula produce también la existencia de las derivadas superiores.
Una segunda derivada con su factorial
Integra e^(2z)/(z−1)³ sobre |z−1|=1/2.
Orden
n+1=3, así que n=2.Derivar
f″(z)=4e^(2z); f″(1)=4e².Factorial
La integral es (2πi/2!)4e²=4πi e².
El resultado es 4πi e².
El radio no introduce un factor extra: solo confirma que el punto está dentro y el numerador es holomorfo.
Una tercera derivada selecciona un coeficiente
Integra (z⁵+3z³+1)/z⁴ sobre |z|=1.
Orden
El exponente cuatro pide n=3.Derivada
f‴(z)=60z²+18, así que f‴(0)=18.Dividir
(2πi/3!)18=6πi.
La integral vale 6πi.
Al dividir el numerador por z⁴ aparece 3/z; es una comprobación del mismo factor.
4. Las estimaciones salen de altura por longitud y la distancia al centro
El radio pertenece a un disco de holomorfía permitido y M acota ese mismo contorno. Cambiar R puede cambiar M o atravesar una singularidad. Una cota no se interpreta como el valor exacto de la derivada.
Derivada y coeficiente no tienen la misma cota
f es holomorfa alrededor de |z|≤2 y |f|≤5 en |z|=2.
Tercera derivada
|f‴(0)|≤3!·5/2³=15/4.Coeficiente
|c₃|≤5/8.Relación
f‴(0)=3!c₃ explica la diferencia de factor seis.
Las dos cotas son coherentes.
Usamos M del contorno; no hace falta adivinar el valor interior de f.
No aumentar el radio a través de un polo
f(z)=1/(3−z), centro cero, radio uno.
Cota
|3−z|≥3−|z|=2 en ese círculo, así que M=1/2.Estimación
|f′(0)|≤1/2; directamente f′(0)=1/9.Restricción
El radio tres pasa por la singularidad z=3 y no es válido para la misma aplicación.
La estimación da una cota correcta, aunque no exacta.
La forma de la desigualdad no autoriza tomar cualquier R sin revisar el dominio.
5. Una geométrica dentro del núcleo produce la serie de Taylor
Es una geométrica de razón (w−a)/(z−a), de módulo menor que uno.
Integramos término a término y la fórmula de derivadas identifica f(w)=Σ f⁽ⁿ⁾(a)(w−a)ⁿ/n!. Si |f|≤M en el círculo de radio R, la cola después de grado N en el disco de radio ρ se acota por M(ρ/R)^(N+1)/(1−ρ/R). Esto explica por qué holomorfa implica analítica.
Una expansión y una cota de resto concretas
f(z)=1/(4−z), alrededor de cero.
Geométrica
f=(1/4)/(1−z/4)=Σ desde n=0 de zⁿ/4^(n+1), válida para |z|<4.Cola en |z|≤1
Tras grado N, el error es ≤1/[3·4^(N+1)].Precisión
Con N=4 queda error ≤1/3072<0,001.
Cinco términos garantizan esa precisión en todo el disco unidad.
El resto usa una cota común del denominador |4−z|≥3, no solo el error en un punto.
Una función entera tiene Taylor en cualquier disco finito
f(z)=eᶻ, centro cero.
Derivadas
Todas las derivadas en cero valen uno.
Coeficientes
cₙ=1/n!.Radios
Podemos aplicar Cauchy en cualquier disco finito, de modo que la serie representa eᶻ en todo ℂ.
eᶻ=Σ desde n=0 de zⁿ/n!, con radio infinito.
La cota del módulo sobre un círculo de radio R crece como eᴿ; esto no es una función globalmente acotada.
6. Liouville: una función entera acotada tiene que ser constante
Si |f(z)|≤M en todo ℂ y f es entera, podemos centrar un círculo de cualquier radio en cualquier a.
Como el plano es conectado, f es constante.
Necesitamos ambos datos globales: holomorfía en todo el plano y una única cota finita que valga en todo él. Acotación en un disco o en un semiplano no cumple esa hipótesis. Tampoco basta ser holomorfa solo fuera de un punto.
Usar un dato puntual después del teorema
f entera, |f|≤100 en todo ℂ y f(0)=7.
Estimación
Para cada a y todo R>0, |f′(a)|≤100/R.Límite
f′(a)=0 para todos los a, así que f es constante.
Valor
La constante tiene que ser f(0)=7.
f(z)=7 en todo el plano.
La cota cien no era el valor de la función; solo permitió demostrar constancia.
Una función entera que solo está acotada en parte del plano
f(z)=eᶻ.
Semiplano izquierdo
Si Re z≤0, |eᶻ|=e^(Re z)≤1.Recta positiva
En z=x>0, los valores eˣ crecen sin límite.Hipótesis
No hay cota global M y Liouville no exige que sea constante.
Estar acotada en un semiplano es insuficiente para esta conclusión.
La derivada eᶻ no nula confirma que el ejemplo no es constante.
7. Máximo del módulo: el interior no puede superar localmente a todo su entorno
Una holomorfa no constante en un dominio conectado no alcanza un máximo local de |f| en el interior. La media circular derivada de Cauchy y la rigidez de su serie local fuerzan constancia si ocurre ese máximo. Si es continua en un cierre compacto y holomorfa dentro, el máximo del módulo está en la frontera.
No trasladamos la regla a mínimos sin revisar ceros: f puede anularse dentro y tener mínimo cero. Si f no tiene ceros, 1/f es holomorfa y aplicar el máximo a su recíproco da el principio del mínimo correspondiente.
Encontrar un máximo con una cota alcanzada en frontera
f(z)=z²+1 en |z|≤1.
Cota
|z²+1|≤|z|²+1≤2.Alcanzar
En z=1 y z=−1 el valor es dos.Ubicación
Son puntos de la frontera; no se contradice el principio del máximo.
El máximo es 2.
La función no es constante; el máximo no puede quedar aislado como máximo local interior.
Un mínimo sin ceros y otro con cero
Compara z+2 y z en el disco unidad cerrado.
Sin ceros
|z+2|≥2−|z|≥1 y se alcanza en z=−1, en frontera.Recíproco
1/(z+2) es holomorfa alrededor del disco, así que el principio del mínimo es aplicable.
Con cero
Para f=z el mínimo es cero en el origen interior; no existe allí 1/f holomorfa.
Los ceros explican por qué un mínimo interior sí puede ocurrir.
El principio del máximo se refiere al módulo y no ordena directamente valores complejos.
8. Taylor separa ceros aislados de coincidencias que fuerzan identidad
Si la Taylor de f en a tiene primer coeficiente no nulo de grado m, f(z)=(z−a)ᵐg(z), con g(a)≠0. Cerca de a, g no se anula y el cero queda aislado, con orden m. Si todos los coeficientes son cero, f es cero en un entorno.
En un dominio conectado, dos holomorfas que coinciden en un conjunto con punto de acumulación interior coinciden en todo el dominio. Se aplica a su diferencia: una acumulación de ceros no aislados obliga a la identidad. Una acumulación solo en la frontera no cumple esta hipótesis.
Leer la multiplicidad del primer término
f(z)=eᶻ−1−z cerca de cero.
Expandir
eᶻ−1−z=z²/2+z³/6+….Factorizar
f=z²g, con g holomorfa y g(0)=1/2≠0.Concluir
El origen es un cero aislado de orden dos.
La primera potencia no nula determina el orden.
No contamos cuántos primeros términos escritos parecen pequeños; buscamos el primer coeficiente no cero.
Una acumulación dentro frente a una fuera
f y g enteras coinciden en 1/n para todo n≥1.
Acumulación interior
1/n→0 y cero pertenece al dominio ℂ.Identidad
El teorema obliga a f=g en todo ℂ.Contraste
sin(π/z) tiene ceros en 1/n en ℂ∖{0}, pero no es idénticamente cero: la acumulación cero está fuera de ese dominio.
La posición del punto de acumulación es esencial.
Por ejemplo sin(π/2)=1 en z=2, que confirma el contraste del dominio perforado.
9. Liouville prueba que todo polinomio no constante tiene una raíz compleja
Supón que un polinomio p no constante no tiene raíces. Entonces 1/p es entera. Fuera de un disco grande, el término principal domina: |p(z)|≥(|aₙ|/2)|z|ⁿ, de modo que el recíproco queda acotado. Dentro del disco, continuidad y ausencia de ceros dan un mínimo positivo de |p| y otra cota del recíproco.
Liouville haría 1/p constante, contradiciendo el grado de p. Existe al menos una raíz; factorizar por su factor lineal y repetir prueba que un polinomio de grado n tiene n raíces contando multiplicidades. La conclusión no promete n raíces distintas ni que sean reales.
Sin raíces reales, pero con raíces complejas
p(z)=z²+4.
En reales
x²+4>0, así que no se anula en ℝ.En complejos
z²=−4 produce z=2i y z=−2i.Conteo
Son dos raíces simples, coincidiendo con el grado dos.
El teorema habla de raíces en ℂ.
La inexistencia de raíces reales no era una contradicción.
Multiplicidad no equivale a puntos distintos
p(z)=(z−2)³(z+i)².
Grado
El grado total es cinco.
Puntos
Solo hay dos raíces distintas: dos y −i.
Órdenes
Se cuentan tres copias en dos y dos en −i; total cinco.
Las cinco raíces con multiplicidad pueden estar concentradas en solo dos puntos.
El polinomio constante no nulo queda fuera de la hipótesis de grado positivo; el polinomio cero se trata aparte.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Reconocer el núcleo
Calcula ∮|z|=2 e^z/z dz antihorario.
Reconocer
f(z)=eᶻ y a=0; el denominador tiene potencia uno.Holomorfía
La exponencial es entera, en particular en un entorno de |z|≤2.Posición y sentido
Cero es interior y la orientación antihoraria es positiva.
Valor
f(0)=1.Fórmula
La integral es 2πi f(0)=2πi.Interpretación
eᶻ/z no es holomorfa en cero: ese núcleo singular es precisamente el que recupera el valor interior del numerador.
2πi.
La expansión e^z/z=1/z+1+z/2+… contiene un único término que aporta 2πi al rodear el origen.
EJEMPLO RESUELTO 2
Una derivada desde la frontera
Calcula ∮|z|=2 sin(z)/z² dz.
Orientación
Usamos el sentido positivo antihorario de la lección.
Orden
z² corresponde a n+1=2, por tanto n=1.Hipótesis
sin z es entera y cero es interior a la circunferencia de radio dos.
Derivar
f′(0)=cos0=1.Factorial
La integral es (2πi/1!)f′(0)=2πi.Contraste
sin z/z²=1/z−z/6+… confirma la contribución.Usar segunda derivada habría confundido exponente y orden.
2πi.
Usar la segunda derivada habría dado cero incorrectamente: el exponente del denominador siempre es uno más que el orden requerido.
Los símbolos que hemos usado
- a
- Punto interior cuyo valor o derivadas se recuperan.
- γ
- Curva cerrada simple orientada positivamente.
- R
- Radio de una circunferencia centrada en el punto de estimación.
- M
- Cota de |f| sobre esa circunferencia.
- f⁽ⁿ⁾(a)
- Derivada compleja de orden n en a.
- n!
- Factorial; 0!=1 y para n positivo es el producto de uno a n.
- Entera
- Holomorfa en todo el plano complejo.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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