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APPUNTI DI ANALISI MATEMATICA 3
Appunti di Analisi
Matematica 3
APPUNTI DEL CORSO DI ANALISI MATEMATICA 3 FRANCESCO PERRELLI
Capitolo 1: funzioni in campo complesso ( 1 โ 52)
Capitolo 2: trasformazioni conformi (53 โ 63)
Capitolo 3: integrazione in campo complesso (64 โ 116)
Capitolo 4: modelli matematici (117 โ 206)
Capitolo 5: formula di derivazione sotto integrale (207 โ210)
Capitolo 6: trasformata di Fourier e di Laplace (211 โ239)
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
Capitolo 1: funzioni in
campo complesso
APPUNTI DEL CORSO DI ANALISI MATEMATICA 3 FRANCESCO PERRELLI
Sommario Numeri complessi ............................................................................................................................................. 4
Introduzione ai numeri complessi ................................................................................................................ 4
Parte reale e parte immaginaria di un numero complesso ......................................................................... 4
Operazioni di somma e prodotto in campo complesso e proprietร ........................................................... 4
Relazione dโordine in campo complesso ...................................................................................................... 6
Numeri complessi ed estensione dei numeri reali ...................................................................................... 6
Rappresentazione dei numeri complessi ..................................................................................................... 7
Riduzione di un numero complesso alla forma algebrica .................................................................. 8
Numeri complessi in forma trigonometrica .......................................................................................... 8
Formule di passaggio da coordinate polari a cartesiane e viceversa .............................................. 9
Esempi di forma algebrica e forma trigonometrica .......................................................................... 10
Prodotto tra due numeri complessi ..................................................................................................... 10
Potenze di numeri complessi e formula di De Moivrรฉ ..................................................................... 11
Radici n-esime di un numero complesso ............................................................................................. 11
Esercizi sulle radici di un numero complesso ..................................................................................... 12
Funzioni in campo complesso ......................................................................................................................... 14
Intorno in campo complesso ...................................................................................................................... 14
Punto interno, punto esterno e punto di frontiera, insieme aperto ........................................................ 15
Limite in campo complesso e continuitร .................................................................................................... 16
Campo complesso ampliato ....................................................................................................................... 16
Funzione complessa di variabile complessa โก 2 funzioni reali di due variabili reali ............................... 17
Esempi di funzioni ....................................................................................................................................... 18
Funzione ๐๐ = ๐๐ .................................................................................................................................................................................... 18
Funzione ๐๐ = ๐น๐๐ .................................................................................................................................................................................. 18
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
Sommario
Esempi di funzioni ....................................................................................................................................... 18
Funzione ๐๐ = ๐๐ .................................................................................................................................................................................... 18
Funzione ๐๐ = ๐น๐๐ .................................................................................................................................................................................. 18
Funzione ๐๐ = ๐/๐ ................................................................................................................................................................................... 19
Funzione ๐๐ = ๐๐ .................................................................................................................................................................................... 19
Funzione ๐๐ = ๐๐ซ๐ ๐ ............................................................................................................................................................................... 19
Derivabilitร in campo complesso ................................................................................................................... 20
Proprietร della derivazione in campo complesso ...................................................................................... 20
Teorema di Cauchy-Riemann ......................................................................................................................... 21
Applicazioni del teorema di Cauchy-Riemann ........................................................................................... 22
๐๐ = ๐๐ = ๐๐ โ ๐๐ + ๐ ๐๐ ๐ ................................................................................................................................................................... 22
๐๐ = ๐น๐๐ = ๐ + ๐ ๐ ................................................................................................................................................................................. 22
๐๐ = ๐ = ๐ โ ๐ ๐, ๐ โ โ .......................................................................................................................................................................... 22
๐๐ = ๐๐ = ๐๐ + ๐๐ โ ๐๐, ๐ = ๐๐ + ๐๐, ๐๐, ๐ = ๐ ............................................................................................................................... 22
๐๐ = ๐๐ซ๐ ๐ , ๐ โ โ โ ๐ ............................................................................................................................................................................ 22
Dimostrazione della condizione di Cauchy-Riemann ................................................................................ 22
Teorema di Goursat ........................................................................................................................................ 24
Conseguenze del teorema di Cauchy-Riemann ............................................................................................. 24
Jacobiano della trasformazione ................................................................................................................. 24
Condizioni di Cauchy-Riemann in coordinate polari ................................................................................. 25
Armonicitร di ๐ e ๐ ..................................................................................................................................... 25
Serie di funzioni in campo complesso ............................................................................................................ 27
Convergenza puntuale ................................................................................................................................ 27
Convergenza uniforme ............................................................................................................................... 28
Differenza tra convergenza uniforme e puntuale ...................................................................................... 28
Convergenza assoluta ................................................................................................................................. 29
Convergenza totale ..................................................................................................................................... 29
Relazione tra convergenza totale e convergenza assoluta ....................................................................... 29
Relazione tra convergenza uniforme e convergenza puntuale ................................................................. 29
Relazione tra convergenza uniforme e convergenza totale ...................................................................... 30
Serie di potenze .............................................................................................................................................. 30
Teorema di Abel .......................................................................................................................................... 30
Dimostrazione del primo punto ................................................................................................................................................................ 31
Insieme di convergenza di una serie di potenze ........................................................................................ 33
Calcolo del raggio di convergenza .............................................................................................................. 34
Teorema di Cauchy-Hadamard ................................................................................................................................................................. 34
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
Teorema di DโAlambert ............................................................................................................................................................................ 34
Teorema di Picard .................................................................................................................................................................................... 34
Esempi di serie di potenze .......................................................................................................................... 34
๐ = ๐ +โ๐๐ ........................................................................................................................................................................................... 35
๐ = ๐ +โ๐๐๐ ........................................................................................................................................................................................ 35
๐ = ๐ +โ๐๐๐๐ ...................................................................................................................................................................................... 36
๐ = ๐ +โ๐๐๐! ....................................................................................................................................................................................... 36
Ricapitolazione ............................................................................................................................................ 36
Convergenza uniforme nel cerchio di convergenza ................................................................................... 37
Teorema di continuitร del limite di una serie ............................................................................................ 37
Continuitร della somma di una serie di potenze ....................................................................................... 37
Olomorfismo della somma di una serie di potenze ................................................................................... 38
Accenno alla dimostrazione ...................................................................................................................................................................... 38
Derivate n-esime della serie di potenze ..................................................................................................... 40
Funzioni elementari in campo complesso...................................................................................................... 41
Funzione esponenziale in campo complesso ............................................................................................. 41
๐ โ ๐น, ๐๐ = ๐ + ๐ + ๐๐๐ +โฏ+ ๐๐๐! + โฏ ............................................................................................ 41
Proprietร dellโesponenziale in campo complesso ..................................................................................... 42
Esponenziale della somma di due numeri complessi ................................................................................................................................. 42
๐๐ = ๐๐๐๐จ๐ฌ๐ + ๐๐ฌ๐ข๐ง๐ .............................................................................................................................................................................. 42
Modulo della funzione esponenziale ........................................................................................................................................................ 43
Periodicitร della funzione esponenziale .................................................................................................................................................... 44
Olomorfia della funzione esponenziale ..................................................................................................................................................... 44
Funzioni seno e coseno ............................................................................................................................... 44
Proprietร delle funzioni seno e coseno ...................................................................................................... 45
Simmetria ................................................................................................................................................................................................ 45
Periodicitร ................................................................................................................................................................................................ 45
Identitร fondamentale della trigonometria ............................................................................................................................................... 45
Zeri .......................................................................................................................................................................................................... 45
Olomorfia ................................................................................................................................................................................................ 46
Funzione tangente ...................................................................................................................................... 46
Funzione logaritmo ..................................................................................................................................... 47
Isolare una determinazione del logaritmo................................................................................................................................................. 48
Logaritmo principale ................................................................................................................................................................................ 49
Logaritmo come estensione di quello reale ............................................................................................................................................... 49
Olomorfismo della funzione logaritmo (per casa) ...................................................................................................................................... 50
Funzione potenza ........................................................................................................................................ 50
Arcoseno in campo complesso ................................................................................................................... 51
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
Numeri complessi
Introduzione ai numeri complessi
I numeri complessi vengono introdotti di solito in maniera assiomatica. Si possono paragonare gli assiomi
alle regole di un gioco da tavolo: prima di cominciare a giocare, cโรจ bisogno di fissare con i giocatori
delle regole che siano le minime possibili. Lโimpostazione assiomatica fa una cosa analoga: fissa un numero
minimo di regole, che sono gli assiomi, e, con tali assiomi, si comincia ad operare e a vedere cosa si
ottiene. In particolare, i numeri complessi erano stati introdotti in Analisi Matematica 1 come coppie di
numeri reali, per cui lโinsieme dei numeri complessi era lโinsieme delle coppie di numeri reali.
Definiamo ora invece i numeri complessi come espressioni del tipo ๐ + ๐๐, per cui diciamo che lโinsieme
dei numeri complessi โ รจ un insieme di tutte le espressioni del tipo ๐ + ๐๐, dove ๐ e ๐ sono numeri reali
e ๐ รจ un simbolo, detto unitร immaginaria, che ha la proprietร che ๐๐ = โ๐
โ = {๐ + ๐๐: ๐, ๐ โ โ}, ๐2 = โ1
Parte reale e parte immaginaria di un numero complesso
Dato un numero complesso ๐ง, esprimibile in forma algebrica, come: ๐ง = ๐ + ๐๐
si adottano le seguenti definizioni:
๐ si definisce parte reale di ๐ e si indica: ๐ = Re{๐ง}
๐ si definisce coefficiente della parte immaginaria di ๐, e si indica: ๐ = Im{๐ง}
Operazioni di somma e prodotto in campo complesso e proprietร
Sono definite nellโinsieme complesso due operazioni, somma e prodotto, come segue, con le solite regole
del calcolo letterario, o meglio per la somma e il prodotto sono fissate le seguenti definizioni (si tratta di
definizioni, cioรจ di assiomi, regole di base che fissiamo). Dati due numeri complessi ๐ + ๐๐ e ๐ + ๐๐ (quindi
๐, ๐ ๐ e ๐ per definizione di numero complesso sono tutti numeri reali):
- si definisce la somma tra i due numeri complessi ๐ + ๐๐ e ๐ + ๐๐ il numero ancora complesso
๐ + ๐ + ๐(๐ + ๐):
๐, ๐, ๐, ๐ โ โ, (๐ + ๐๐) + (๐ + ๐๐ ) โ ๐ + ๐ + ๐ (๐ + ๐ )
- si definisce il prodotto tra i due numeri complessi ๐ + ๐๐ e ๐ + ๐๐ il numero ancora complesso
๐๐ โ ๐๐ + ๐(๐๐ + ๐๐), ottenibile applicando le classiche regole del calcolo letterario (si tenga conto
che ๐2 = โ1):
๐, ๐, ๐, ๐ โ โ, (๐ + ๐๐) โ (๐ + ๐๐ ) โ ๐๐ + ๐๐๐ + ๐๐๐ โ ๐๐ = ๐๐ โ ๐๐ + ๐ (๐๐ + ๐๐)
In conclusione si sono introdotte due operazioni, la somma e il prodotto, nellโinsieme dei numeri complessi:
(โ, +,โ)
Tuttavia tra numeri complessi รจ banale pensare che si possano fare anche operazioni di sottrazione e
divisione. Per introdurre questโultime due vanno considerati ulteriori due assiomi. ww
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
In primis, rispetto alle operazioni di somma e moltiplicazione, un ulteriore assioma definisce che valgono
le seguenti proprietร , cioรจ la proprietร associativa e commutativa sia per la somma che per il prodotto, e
vale anche la proprietร distributiva di somma rispetto al prodotto:
1) proprietร associativa e commutativa per + e โ
proprietร distributiva di + rispetto a โ
Altro assioma definisce poi lโesistenza dellโelemento neutro sia rispetto alla somma che rispetto al
prodotto, dove per elemento neutro rispetto alla somma e rispetto al prodotto si definiscono
rispettivamente i numeri complessi 0 + ๐0 e 1 + ๐0: in quanto elementi neutri si avrร che:
0 + ๐0, che รจ indicato piรน semplicemente con il simbolo 0, in quanto elemento neutro rispetto alla somma,
sarร tale che la sua somma con un qualsiasi numero complesso restituirร tale numero complesso;
1 + ๐0, che รจ piรน semplicemente con il simbolo 1, sarร tale che la sua moltiplicazione con un qualsiasi
numero complesso restituirร tale numero complesso1:
2) โ ๐ + ๐๐ โก ๐ โถ (๐ + ๐๐) + (๐ + ๐๐) = ๐ + ๐๐
โ ๐ + ๐๐ โก ๐ โถ (๐ + ๐๐) โ (๐ + ๐๐) = ๐ + ๐๐
Terza proprietร , introdotta sempre come assioma, ci dice che, preso un qualunque numero complesso ๐ +
๐๐, รจ sempre possibile costruirne un altro, a cui diamo il nome di opposto di ๐ + ๐๐, fatto in maniera tale
che, sommato al numero complesso di partenza, restituisca lโelemento neutro rispetto alla somma:
3) โ๐ + ๐๐ โ ๐, โ โ ๐ โ ๐๐ โถ (๐ + ๐๐) + (โ๐ โ ๐๐) = ๐ + ๐๐
Quarta proprietร รจ lโanalogo nel caso della moltiplicazione per cui, preso un numero complesso ๐ + ๐๐ (in
questo caso perรฒ non qualunque ma diverso da 0 + ๐0), esiste (cioรจ riesco a costruire) un numero
complesso detto reciproco, indicato in maniera sintetica come (๐ + ๐๐)โ1, che รจ fatto come ๐/(๐2 +
๐2) + ๐(โ๐)/(๐2 + ๐2), o in altri termini รจ fatto dividendo entrambi le parti reali e immaginarie per ๐2 +
๐2, che gode della proprietร che la moltiplicazione tra ๐ + ๐๐ e il suo reciproco restituisce lโelemento
neutro rispetto alla moltiplicazione, lโunitร :
4) โ๐ + ๐๐ โ ๐, โ (๐ + ๐๐)โ๐ =๐
๐๐+๐๐+ ๐
โ๐
๐๐+๐๐: (๐ + ๐๐) โ (๐ + ๐๐)โ๐ = ๐ + ๐ ๐
Pur avendo definito in C le sole due operazioni di somma e moltiplicazione, a partire da questi ultimi
assiomi si possono individuare anche le operazioni di sottrazione e divisione, rispettivamente attraverso
lโopposto e il reciproco.
Lโinsieme โ, con tali operazioni di somma e prodotto, costituisce un campo.
1 Infatti (๐ + ๐๐) โ (1 + ๐0) = ๐1 + ๐ โ ๐0 + 1๐๐ + ๐๐ โ ๐0 = ๐ + 0 + ๐๐ + 0 = ๐ + ๐๐
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
Relazione dโordine in campo complesso
Si noti che, mentre il campo dei numeri reali รจ un campo totalmente ordinato (presi due numeri reali
qualunque รจ sempre possibile dire che uno รจ piรน piccolo e uno รจ piรน grande, tanto รจ vero che li si puรฒ
rappresentare mettendoli in ordine su una retta, fissato lo zero da qualche parte su di essa), questo non
รจ vero per i numeri complessi: non cโรจ una relazione dโordine tra i numeri complessi.
Lo si puรฒ vedere facilmente attraverso una dimostrazione per assurdo.
Si supponga per assurdo che esista una relazione dโordine in campo complesso. Allora essa dovrebbe
essere unโestensione della relazione dโordine che vale in โ e dovrebbe essere sempre possibile
confrontare due numeri complessi qualsiasi e stabilire qual รจ maggiore e qual รจ minore.
Si considerino allora i numeri complessi ๐ (cioรจ quel numero complesso che ha parte reale nulla e
coefficiente dellโimmaginario unitario) e ๐ (cioรจ quel numero complesso che ha parte reale nulla e
coefficiente dellโimmaginario nullo), e si provi a confrontarli, cosa che, nellโipotesi di esistenza di una
relazione dโordine in campo complesso, dovrebbe essere certamente possibile.
In particolare in base allโesistenza di una relazione dโordine dovrebbe verificarsi o che ๐ > ๐ o che ๐ <
๐: a priori non sappiamo chi di due รจ maggiore, ma sicuramente in presenza di una relazione dโordine una
delle due relazioni dovrebbe essere verificata.
Proviamo per prima cosa ๐ > ๐. Si noti che, moltiplicando ambo i membri di una diseguaglianza per un
numero positivo, cosรฌ come lo รจ ๐ nel caso che si sta considerando, il verso della diseguaglianza non
cambia. Si ottiene perรฒ un assurdo:
๐ > 0 => ๐ โ ๐ > 0 โ ๐ => โ1 > 0
Ne consegue che, se esiste una relazione dโordine, avendo escluso ๐ > 0, sicuramente dovrebbe essere che
๐ < ๐. Tuttavia anche in questo caso, tenendo conto che moltiplicando ambo i membri di una
diseguaglianza per un numero negativo il verso della diseguaglianza cambia, si ottiene un assurdo:
๐ < 0 => ๐ โ ๐ > 0 โ ๐ => โ1 > 0
Allora ๐ รจ un numero complesso che non puรฒ essere nรฉ positivo nรฉ negativo, in altri termini non vi
รจ una relazione dโordine tra i numeri complessi, cioรจ questi non si possono confrontare.
Numeri complessi ed estensione dei numeri reali
Si noti che il motivo per cui sono introdotti i numeri complessi รจ per estendere i numeri reali non
essendo possibile con questi ultimi risolvere disequazioni del tipo ๐ฅ2 + 1 = 0.
Essendo allora il campo complesso unโestensione dei numeri reali, รจ lecito chiedersi โdoveโ si trovano i
numeri reali nel campo complesso: ebbene, i numeri reali sono tutti quei numeri complessi che hanno
il coefficiente dellโimmaginario pari a ๐.
Quindi lโinsieme dei numeri complessi contiene lโinsieme dei numeri reali come sottoinsieme . Si รจ visto
perรฒ che non si estende al campo complesso la relazione dโordine in quanto il campo complesso non รจ
ordinato.
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CAPITOLO 1: FUNZIONI IN CAMPO COMPLESSO
Rappresentazione dei numeri complessi
I numeri complessi possono essere rappresentati sul piano di Gauss.
Per rappresentare i numeri complessi in tale piano si noti che, dato un numero complesso ๐ง = ๐ + ๐๐, si
puรฒ introdurre unโapplicazione, o meglio una funzione, che va dallโinsieme dei numeri complessi โ in โ2
che associa ad ogni numero complesso ๐ la coppia di numeri reali che ha come prima coordinata la
parte reale, come seconda la parte immaginaria, (๐, ๐):
โ โ โ โ โ โโโ โ๐
๐ = ๐ + ๐๐ โ โโ (๐, ๐)
Si tratta di unโapplicazione invertibile in quanto si ha anche che una coppia di numeri reali qualunque,
(๐ผ, ๐ฝ), la si puรฒ sempre pensare come immagine di un numero complesso avente per parte reale ๐ผ e per
parte immaginaria ๐ฝ, cioรจ ๐ผ + ๐๐ฝ.
Allora, moralmente, รจ possibile far coincidere โ con โ2, cioรจ moralmente si puรฒ identificare un numero
complesso ๐ con una coppia di ๐น๐ costruita come si รจ visto.
Detto ciรฒ, si introduca nel piano un sistema di assi cartesiani (x asse delle ascisse, y asse delle ordinate),
con origine in un punto ๐ถ detto origine, sistema monometrico (in quanto ha la stessa unitร di misura
su entrambi gli assi) ortogonale (perchรฉ gli assi sono ortogonali).
In tale sistema di riferimento cartesiano รจ noto come rappresentare una coppia (๐, ๐) e tale coppia
identifica un punto ๐ di coordinate (๐, ๐), rappresentativo del numero complesso ๐ง = ๐ + ๐๐.
Si dice modulo di ๐, |๐|, la radice quadrata della somma dei quadrati delle sue parti reale e immaginaria
e geometricamente rappresenta la distanza del punto ๐ dallโorigine: ๐ง = ๐ + ๐๐, |๐ง| = โ๐2 + ๐2
Si dice coniugato di ๐, ๐ + ๐๐, il numero complesso che ha per parte reale la stessa parte reale di ๐ง ma
per parte immaginaria lโopposto e geometricamente รจ mostrato in figura: ๐ = ๐ + ๐๐, ๐ = ๐ + (โ๐๐)
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