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複素ふくそ解析かいせき

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
複素ふくそ関数かんすうf(z) = (z2 − 1)(z − 2 − i)2/(z2+2+2i)のグラフ。色相しきそうへんかくあらわし、明度めいど(このグラフでは周期しゅうきてき変化へんかさせている)は絶対ぜったいあらわす。

数学すうがくいち分野ぶんやである複素ふくそ解析かいせき(ふくそかいせき、えい: complex analysis)は、複素数ふくそすううえ定義ていぎされた関数かんすう微分びぶんほう積分せきぶんほうへんぶんほう微分びぶん方程式ほうていしきろん積分せきぶん方程式ほうていしきろんなどの総称そうしょうであり[1]関数かんすうろんともばれる[2][3][4]初等しょとう教育きょういく以降いこうあつかじつ解析かいせき対比たいひして複素ふくそ解析かいせきというが、現代げんだい数学すうがく基礎きそ複素数ふくそすうであることから、たん解析かいせきといえば複素ふくそ解析かいせき意味いみすることもある。複素ふくそ解析かいせき手法しゅほうは、応用おうよう数学すうがくふく数学すうがく全般ぜんぱん、(流体りゅうたい力学りきがくなどの)理論りろん物理ぶつりがく、(数値すうち解析かいせき[5][6]回路かいろ理論りろん[7]をはじめとした)工学こうがくなどのおおくの分野ぶんやもちいられている。

歴史れきし

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複素ふくそ解析かいせき理論りろん貢献こうけんした先人せんじん

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複素ふくそ解析かいせきもっとふるくからある数学すうがく分野ぶんやひとつであり、その起源きげん18世紀せいきあるいはそれより以前いぜんにまでたどることができる。レオンハルト・オイラーカール・フリードリッヒ・ガウスベルンハルト・リーマンオーギュスタン=ルイ・コーシーヨースタ・ミッタク=レフラーワイエルシュトラスといった数学すうがくしゃおおくの20世紀せいき数学すうがくしゃたちが複素ふくそ解析かいせき理論りろん貢献こうけんしている[1][5][6][8]

複素ふくそ解析かいせき応用おうよう

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歴史れきしてき複素ふくそ解析かいせきとく等角とうかく写像しゃぞう理論りろん工学こうがく地図ちずがく物理ぶつりがくおおくの応用おうようがあるが[6][8][9]解析かいせきてき整数せいすうろん全般ぜんぱんにわたっても応用おうようされている[10]近年きんねん複素ふくそ力学りきがくけい勃興ぼっこう正則せいそく関数かんすうかえしによってあたえられるフラクタル図形ずけい有名ゆうめいれいとしてマンデルブロ集合しゅうごうげられる)の研究けんきゅうなどによって有名ゆうめいになっている[11]

重要じゅうよう応用おうようとしてきょうかたち変換へんかんたいして作用さよう不変ふへん量子りょうしろんであるきょうかたちじょう理論りろんげられる。また電気でんき工学こうがくにおけるフェーザ表示ひょうじ固体こたい力学りきがくにおける応力おうりょく関数かんすう流体りゅうたい力学りきがくにおける複素ふくそ速度そくどポテンシャル[12]など、工学こうがく様々さまざま分野ぶんやにも応用おうようされている。

複素ふくそ関数かんすう

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複素ふくそ関数かんすうとは、自由じゆう変数へんすう従属じゅうぞく変数へんすうがともに複素数ふくそすう範囲はんいあたえられるような関数かんすうである[1][8]。より正確せいかくえば複素ふくそ平面へいめん部分ぶぶん集合しゅうごううえ定義ていぎされた複素数ふくそすう関数かんすう複素ふくそ関数かんすうばれる。複素ふくそ関数かんすうたい自由じゆう変数へんすう従属じゅうぞく変数へんすうきょとにけてかんがえることができる。

ここで

したがって複素ふくそ関数かんすう成分せいぶん

は、2つの変数へんすう x, y についてのじつ数値すうち関数かんすうだとかんがえることができる。複素ふくそ解析かいせき基本きほんてき概念がいねんは、指数しすう関数かんすう対数たいすう関数かんすう三角さんかく関数かんすうなどのじつ関数かんすう複素ふくそ関数かんすう拡張かくちょうすることによりあたえられることがおおい。

正則せいそく関数かんすう

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正則せいそく関数かんすうとは、複素ふくそ平面へいめんのある領域りょういき D定義ていぎされ、定義ていぎいき全体ぜんたい複素ふくそ微分びぶん可能かのう、つまり任意にんいaDたい極限きょくげん

さだまる複素ふくそ関数かんすう f(z) をいう[1][8]複素ふくそ関数かんすうについては複素ふくそ微分びぶん可能かのうであることと解析かいせきてきであること、つまり

さだまり、

  • a から一定いってい距離きょり収束しゅうそく半径はんけい)の範囲はんいでこの級数きゅうすう収束しゅうそくして、
  • 収束しゅうそく関数かんすう f(z) に一致いっちすること

同値どうちである[13]。そのため、複素ふくそ解析かいせきにおいては正則せいそく関数かんすう (holomorphic function) 、複素ふくそ微分びぶん可能かのう関数かんすう (complex differentiable function) 、解析かいせき関数かんすう (analytic function) という用語ようご同義どうぎになる。複素ふくそ関数かんすう複素ふくそ微分びぶん可能かのうでないてん特異とくいてん (singularity) という。

特異とくいてん分類ぶんるい

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複素ふくそ解析かいせき解析かいせきてき領域りょういきしゅとして探求たんきゅうする分野ぶんやであるが、複素ふくそ関数かんすう特異とくいてんがある場合ばあい特異とくいてんふく領域りょういき全体ぜんたいにおける大局たいきょくてき挙動きょどう特異とくいてん支配しはいされる。したがって、特異とくいてん位置いち性質せいしつ研究けんきゅうすることは複素ふくそ解析かいせき範疇はんちゅうふくまれる。

特異とくいてんには孤立こりつしたものと孤立こりつしないものとがあるが、複素ふくそ解析かいせき対象たいしょうとなるのはおも孤立こりつした特異とくいてんである。

孤立こりつ特異とくいてん

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孤立こりつ特異とくいてんは、じょ特異とくいてんごく真性しんせい特異とくいてん分類ぶんるいされる。除去じょきょ可能かのう特異とくいてんとは、そのてんにおける適当てきとうなおすことにより、複素ふくそ函数かんすうをその近傍きんぼう解析かいせきてきにすることができるときにう。きょくとは、複素ふくそ函数かんすう f(z)特異とくいてん z = a であって、(za)nf(z) において除去じょきょ可能かのう特異とくいてんとなる自然しぜんすう n存在そんざいするものをいう。真性しんせい特異とくいてんとは、除去じょきょ可能かのうでもきょくでもない孤立こりつ特異とくいてんをいう[1]

孤立こりつ特異とくいてん

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孤立こりつ特異とくいてんは、特異とくいてん稠密ちゅうみつつらなっているために、その近傍きんぼうかなら特異とくいてんふくんでしまう特異とくいてんをいう。たとえば f(z) = 1/sin(1/z)z = 0孤立こりつ特異とくいてんつ(z = ±1/nπぱい0 以外いがいの、孤立こりつしていない真性しんせい特異とくいてん、ただし n任意にんい自然しぜんすう)。このほかに、定義ていぎいき自然しぜん境界きょうかい解析かいせき接続せつぞくによってえられないかべ)やあたい関数かんすう一価いっか関数かんすうとしてあつかうために導入どうにゅうする分岐ぶんき切断せつだん (branch cut)[1]一種いっしゅ特異とくいてんかんがえられる。分岐ぶんき切断せつだん端点たんてん分岐ぶんきてん (branch point) というが、分岐ぶんき切断せつだんがあるかぎり、分岐ぶんきてん孤立こりつした特異とくいてんになりえない。しかし、分岐ぶんき切断せつだんは(分岐ぶんきてん固定こていしてホモトープであるかぎり)どこにいてもよいものであるから都合つごうわせて分岐ぶんき切断せつだんうごかせば、分岐ぶんきてんをあたかも孤立こりつした特異とくいてんであるかのようにあつかえる。この発想はっそうリーマンめん[1][8]つうずる。分岐ぶんきてん代数だいすう分岐ぶんきてん対数たいすう分岐ぶんきてん分類ぶんるいされるが、代数だいすう特異とくいてん対数たいすう特異とくいてん[14]ばれることもある。

複素ふくそ関数かんすう分類ぶんるい

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複素ふくそ関数かんすう微分びぶん可能かのうであるということは、じつ関数かんすう微分びぶん可能かのうであるということにくらべてはるかにつよ条件じょうけんである。いちかい微分びぶん可能かのう複素ふくそ関数かんすう無限むげんかい微分びぶん可能かのうであり[15]積分せきぶん可能かのうであり、解析かいせきてきである。定義ていぎいき(もしくは考察こうさつ対象たいしょうとなっている領域りょういき)の全体ぜんたい正則せいそく関数かんすう正則せいそく関数かんすうといい[1][8]とく複素ふくそ平面へいめん全体ぜんたい定義ていぎいきとする正則せいそく関数かんすうせい関数かんすうという[1][8]孤立こりつしたごくのぞいて正則せいそく関数かんすう有理ゆうりがた関数かんすうという[1][8]指数しすう関数かんすう正弦せいげん関数かんすう余弦よげん関数かんすう多項式たこうしき関数かんすうなど、おおくの初等しょとう関数かんすうせい関数かんすうであるが[1]正接せいせつ関数かんすう()などはきょくつから有理ゆうりがたであり、対数たいすう関数かんすうまけじつじく分岐ぶんき正則せいそくでない[1][8]ガンマ関数かんすうまけ整数せいすうきょくつから有理ゆうりがたであるが、みぎ半平はんぺんめんかぎれば正則せいそくである[1][16][17]

いちじるしい特徴とくちょう

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複素ふくそせん積分せきぶん

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複素ふくそ解析かいせきにおいてよくもちいられる道具立どうぐだてに複素ふくそせん積分せきぶんがある。コーシーの積分せきぶん定理ていりによって、じた経路けいろかこまれた領域りょういき内側うちがわ全体ぜんたい正則せいそくになっている関数かんすうを、そのけい路上ろじょうせん積分せきぶんしたはかならず 0 になるということがわかる[1][5][8][11][13]。もし正則せいそく関数かんすう特定とくていてんごくにしているとき、つまりそこで関数かんすうが「爆発ばくはつ」し有限ゆうげんをとらないときには、そのてんでの関数かんすうとめすうもとめることでせん積分せきぶん決定けっていできる。かく複素数ふくそすうにおける正則せいそく関数かんすうは、そのてんのまわりの円周えんしゅううえでの(かんがえている正則せいそく関数かんすうおうじて構成こうせいされる有理ゆうりがた関数かんすうの)せん積分せきぶんとしてもとめることができる(コーシーの積分せきぶん公式こうしき[1][5][8][11][13])。また、正則せいそく関数かんすうせん積分せきぶんかんするとめすう理論りろんもちいることで複雑ふくざつじつ積分せきぶん決定けっていすることもできるようになる[1][5][8][11][13]

カゾラーティ・ワイエルシュトラスの定理ていり

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カゾラーティ・ワイエルシュトラスの定理ていりによって真性しんせい特異とくいてんのまわりでの正則せいそく関数かんすう挙動きょどうかんするおどろくべき性質せいしつみちびかれる。特異とくいてんのまわりでの関数かんすう挙動きょどうテイラー級数きゅうすう類似るいじローラン級数きゅうすうによって記述きじゅつされる。

リウヴィルの定理ていり

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リウヴィルの定理ていりによって複素ふくそ平面へいめん全体ぜんたい有界ゆうかい正則せいそく関数かんすう定数ていすう関数かんすうかぎられることがわかるが[1][8]、これをもちいて複素数ふくそすうたい代数だいすうてき閉体であるという代数だいすうがく基本きほん定理ていり自然しぜん簡単かんたん証明しょうめいあたえられる。

解析かいせき接続せつぞく

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正則せいそく関数かんすう重要じゅうよう性質せいしつに、正則せいそく関数かんすう連結れんけつ領域りょういきじょう全体ぜんたいでの挙動きょどう任意にんいのよりちいさい領域りょういきじょう挙動きょどうによって決定けっていされてしまう(一致いっち定理ていり[1])、というものがある。おおきい領域りょういき全体ぜんたいでのもとの関数かんすうちいさい領域りょういきじょう制限せいげんしてかんがえたものの解析かいせき接続せつぞくとよばれる[1][8]。このような原理げんりによってリーマンゼータ関数かんすうなど、かぎられた領域りょういきじょうでしか収束しゅうそくしない級数きゅうすうによって定義ていぎされていた関数かんすう複素ふくそ平面へいめん全体ぜんたい正則せいそく関数かんすう有理ゆうりがた関数かんすうとして拡張かくちょうすることが可能かのうになる[11][18]場合ばあいによっては自然しぜん対数たいすうなどのように複素ふくそ平面へいめんないたん連結れんけつでない領域りょういきへの解析かいせき接続せつぞく不可能ふかのうなこともあるが、リーマンめんとよばれる曲面きょくめん導入どうにゅうすることでそのうえ正則せいそく関数かんすうとしての「解析かいせき接続せつぞく」をかんがえることができる[1][8][11][19][20][21][22]

変数へんすう複素ふくそ解析かいせき

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上記じょうき結果けっかはすべていち変数へんすうかんする複素ふくそ解析かいせきのものであるが、変数へんすう複素ふくそ解析かいせきかんしてもゆたかな理論りろん存在そんざい[23][24][25][26][27][28]、べき級数きゅうすう展開てんかいなどの解析かいせきてき性質せいしつ成立せいりつしている。一方いっぽうきょうかたちせいなどの一変いっぺんすう正則せいそく関数かんすう幾何きかがくてき性質せいしつ拡張かくちょうされず、リーマンの写像しゃぞう定理ていり[8]しめすような複素ふくそ平面へいめん領域りょういきかんするきょうかたち関係かんけいせいなどの複素ふくそいち変数へんすう理論りろんでは成立せいりつする重要じゅうよう性質せいしつ複素ふくそ変数へんすう以上いじょう理論りろんではもはや成立せいりつしない。

脚注きゃくちゅう

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  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t 神保じんぼ道夫みちお複素ふくそ関数かんすう入門にゅうもん岩波書店いわなみしょてん
  2. ^ 木村きむらしゅんぼう, 高野たかの恭一きょういち (1991). 関数かんすうろん. 朝倉書店あさくらしょてん.
  3. ^ 関数かんすうろんじょうした, 竹内たけうちはしさん & 佐藤さとうただしこうはなぼう.
  4. ^ 近代きんだい関数かんすうろん能代のしろきよし岩波書店いわなみしょてん.
  5. ^ a b c d e もり正武まさたけ (1975). 数値すうち解析かいせき複素ふくそ関数かんすうろん. 筑摩書房ちくましょぼう.
  6. ^ a b c Peter Henrici, Applied and Computational Complex Analysis, Volume 1-3, Wiley Classics Library.
  7. ^ 大石おおいし進一しんいち, 回路かいろ理論りろん, コロナしゃ.
  8. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Ablowitz, M. J., & Fokas, A. S. (2003). Complex variables: introduction and applications. en:Cambridge University Press.
  9. ^ Weisstein, Eric W. "Conformal Mapping." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/ConformalMapping.html
  10. ^ Terr, David. "Analytic Number Theory." From MathWorld--A Wolfram Web Resource, created by Eric W. Weisstein. http://mathworld.wolfram.com/AnalyticNumberTheory.html
  11. ^ a b c d e f Agarwal, R. P., Perera, K., Pinelas, S. (2011), An Introduction to Complex Analysis, Springer.
  12. ^ 今井いまいいさお. (1989). 複素ふくそ解析かいせき流体りゅうたい力学りきがく. 日本にっぽん評論ひょうろんしゃ.
  13. ^ a b c d L.V. アールフォルス (1982), 複素ふくそ解析かいせき, 現代げんだい数学すうがくしゃ 
  14. ^ Weisstein, Eric W. "Logarithmic Singularity." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/LogarithmicSingularity.html
  15. ^ 藤本ふじもとひろしこう. 複素ふくそ解析かいせき. 岩波書店いわなみしょてん, 1996ねん.
  16. ^ 時弘ときひろ哲治てつじ. 工学こうがくにおける特殊とくしゅ関数かんすう. 共立きょうりつ出版しゅっぱん.
  17. ^ Weisstein, Eric W. "Gamma Function." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/GammaFunction.html
  18. ^ Sondow, Jonathan and Weisstein, Eric W. "Riemann Zeta Function." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/RiemannZetaFunction.html
  19. ^ Springer, G. (1957). Introduction to Riemann surfaces (Vol. 473). Reading, Mass.: Addison-Wesley.
  20. ^ Hershel M. Farkas and Irwin Kra (1992), Riemann surfaces, Springer, New York.
  21. ^ Weisstein, Eric W. "Riemann Surface." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/RiemannSurface.html
  22. ^ Riemann surface in nLab
  23. ^ Salomon Bochner and W. T. Martin Several Complex Variables (1948).
  24. ^ Steven G. Krantz, Function Theory of Several Complex Variables (1992)
  25. ^ Volker Scheidemann, Introduction to complex analysis in several variables, Birkhäuser, 2005, ISBN 3-7643-7490-X
  26. ^ 大沢おおさわ健夫たけお (2018). 変数へんすう複素ふくそ解析かいせき (増補ぞうほばん). 岩波書店いわなみしょてん.
  27. ^ 倉田くらたれいろう ちょ, 高瀬たかせただしじん 解説かいせつ (2015), 変数へんすう複素ふくそ関数かんすうろんまなぶ, 日本にっぽん評論ひょうろんしゃ.
  28. ^ 一松いちまつしん, 変数へんすう解析かいせき函数かんすうろん. 培風館ばいふうかん.

参考さんこう文献ぶんけん

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  • 複素ふくそ變數へんすう凾數ろんつじ 正次まさつぐ ちょ共立きょうりつ出版しゅっぱん(1946)の現代げんだい仮名遣かなづかばん
  • つじ 正次まさつぐ函数かんすうろんうえ朝倉書店あさくらしょてん(数学すうがく全書ぜんしょ);復刊ふっかんばん(2005ねん4がつ)。
  • つじ 正次まさつぐ函数かんすうろんした朝倉書店あさくらしょてん(数学すうがく全書ぜんしょ);復刊ふっかんばん(2005ねん4がつ)。
  • L.V. アールフォルス しる笠原かさはらいぬいきち やく複素ふくそ解析かいせき現代げんだい数学すうがくしゃ、1982ねんISBN 4-7687-0118-3 
  • 神保じんぼ道夫みちお複素ふくそ関数かんすう入門にゅうもん岩波書店いわなみしょてん
  • 小平こだいら邦彦くにひこ; 複素ふくそ解析かいせき, 1990. 岩波書店いわなみしょてん.
  • 堀川ほりかわ穎二:「複素ふくそ関数かんすうろん要諦ようたい[新装しんそうばん]」、日本にっぽん評論ひょうろんしゃISBN 978-4535785977(2015ねん8がつ25にち)。
  • Ablowitz, M. J., & Fokas, A. S. (2003). Complex variables: introduction and applications. en:Cambridge University Press.
  • Remmert, R., Theory of complex functions. en:Springer Science & Business Media.
  • Remmert, R., Classical topics in complex function theory. en:Springer Science & Business Media.
  • Lang, S., Complex analysis. en:Springer Science & Business Media.
  • Conway, J. B., Functions of one complex variable I-II. en:Springer Science & Business Media.
  • Saks, S., & Zygmund, A. (1952). Analytic functions.
  • Whittaker, E. T., & Watson, G. N., A course of modern analysis. en:Cambridge University Press.

数値すうち解析かいせき複素ふくそ解析かいせき関係かんけい解説かいせつする文献ぶんけん

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海外かいがい

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