הצגת המקור של הדף "משוואות קושי-רימן"

ב[[אנליזה מרוכבת]] ו[[אנליזה הרמונית]], '''משוואות קושי-רימן''' הן צמד [[משוואה דיפרנציאלית חלקית|משוואות דיפרנציאליות חלקיות]], שאותן מקיימים שני הרכיבים ([[מספר ממשי|הממשי]] וה[[מספר מרוכב|מרוכב]]) של כל [[פונקציה אנליטית]] [[פונקציה מרוכבת|מרוכבת]]. בכיוון ההפוך, אם [[פונקציה|הפונקציות]] הממשיות <math>\ u(x,y),v(x,y)</math> הן [[דיפרנציאביליות]] ומקיימות את המשוואות, אז <math>\, f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y)</math> היא פונקציה אנליטית. תנאי זה לאנליטיות של <math>\ f</math> נקרא '''תנאי קושי-רימן'''.

==ניסוח פורמלי==
תהא <math>\ f(z)=f(x+iy)</math> [[פונקציה מרוכבת]], אז ניתן לכתוב אותה כסכום של שתי פונקציות ממשיות <math>\ u,v</math> : <math>\ f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y)</math>.

'''משוואות קושי-רימן''' הן שתי המשוואות הדיפרנציאליות הבאות:
{{משוואה
|הזחה = ::
|משוואה = <math>\ (1) \quad \frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial v}{\partial y} \quad ,(2) \quad \frac{\partial u}{\partial y}=-\frac{\partial v}{\partial x}</math>
|ריווח תא = 6
|מסגרת = 1}}

=== תנאי קושי-רימן ===
'''תנאי קושי-רימן''' לגזירות מנוסח באופן הבא:{{ש}}
פונקציה <math>\ f(z)=f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y) </math> גזירה בנקודה <math>\ z_0=x_0 + iy_0</math> אם ורק אם <math>\ u(x,y)</math> ו־<math>\ v(x,y)</math> רציפות בסביבת הנקודה <math>\ z_0=(x_0,y_0)</math>, הנגזרות החלקיות <math>u_x,u_y,v_x,v_y</math> קיימות ורציפות בנקודה זו ומשוואות (1) ו-(2) לעיל מתקיימות בנקודה זו.

משוואות (1) ו-(2) לעיל נובעות ממשוואת קושי-רימן ההומוגנית:
::: <math> \frac{\partial f}{\partial x} + i \frac{\partial f}{\partial y} = 0</math>
כך שאם נציב את <math>\ u, v</math> במשוואה האחרונה, נקבל את המשוואות הקודמות. ניסוח זה נוח במיוחד כאשר רוצים לבדוק את קיום תנאי קושי-רימן אצל פונקציות שקשה להפריד אותן לחלק ממשי ולחלק מדומה, למשל: <math>\ f(z) = e^{\frac {1}{z}}</math>.

כמו כן, אם נשתמש בקשרים <math>\ x=\frac{1}{2}(z+\bar{z}), y=\frac{1}{2i}(z-\bar{z})</math> ונפעיל את [[כלל השרשרת]] על משוואת קושי-רימן ההומוגנית, נקבל את התנאי <math> \frac {\partial f}{\partial \bar{z}} = 0</math>, שהוא בפני עצמו מעיד על אנליטיות של פונקציה. כלומר אם הנגזרת של f לפי <math>\bar{z}</math> מתאפסת רק בנקודות מסוימות, אנחנו כבר יודעים שהפונקציה f היא אנליטית אך ורק בנקודות אלה. בנוסף, אם <math>\ f=u+iv</math> היא אנליטית, אז גם <math>\ g=-v+iu</math> היא אנליטית. נשים לב שעם ההגדרה הנ"ל עבור <math>x</math> ו־<math>y</math> ניתן להגדיר את אופרטורי הגזירה הבאים:
::: <math>\ \frac{\partial}{\partial\bar{z}}=\frac{1}{2}\left(\frac{\partial}{\partial x}+i\frac{\partial}{\partial y}\right) \quad,\quad \frac{\partial}{\partial z}=\frac{1}{2}\left(\frac{\partial}{\partial x}-i\frac{\partial}{\partial y}\right)</math>
ובדרך זו מקבלים ביטוי ל[[לפלסיאן|אופרטור לפלס]] בשני משתנים: <math>\ 4\frac{\partial ^2}{\partial z \partial\bar{z}}=\Delta</math>.

כלומר, פונקציה מרוכבת המקיימת את משוואות קושי-רימן בנקודה מסוימת מקיימת את [[משוואת לפלס]] באותה נקודה.

ממשוואות קושי-רימן ניתן להסיק כי קווי הגובה של הפונקציות <math>\ u,v</math> הם [[אורתוגונליות|אורתוגונליים]], כי המכפלה הסקלרית של הגרדיאנטים של <math>\ u,v</math> מתאפסת:
:<math> \nabla u \cdot \nabla v = u_x v_x + u_y v_y = - u_x u_y + u_y u_x = 0 </math>

מהוכחת משוואות קושי-רימן ניתן גם לקבל את ערך הנגזרת של הפונקציה. בשל הקשר בין [[נגזרת חלקית|הנגזרות החלקיות]] שבא לידי ביטוי במשוואות קושי-רימן, די בשתיים מהנגזרות החלקיות כדי לבטא את הנגזרת בשלמותה. ביטוי אחד לנגזרת הוא <math>\ f'(z)=u_x+iv_x</math>.

כמו כן, אם נתונה לנו למשל הפונקציה u והיא [[פונקציה הרמונית|הרמונית]] בתחום מסוים, אז ניתן לקבל על ידי משוואות קושי-רימן את הפונקציה v, שתיקרא ההרמונית הצמודה של u, ולכן נוכל לקבל גם את הפונקציה f, שתהיה אנליטית בתחום ההרמוניות של u ו-v.

'''תנאי קושי רימן בייצוג קוטבי:'''

תהא <math>\ f(z)=r(\cos(\theta)+i\sin(\theta))</math> פונקציה מרוכבת בייצוג קוטבי, אז ניתן לכתוב אותה כסכום של שתי פונקציות ממשיות <math>\ u,v</math> : <math>\ f(z)=u(r,\theta)+iv(r,\theta)</math>.

במקרה זה ניתן להמיר את תנאי הגזירות של <math>\ u,v</math>בייצוג האלגברי לקוטבי כך:

<math>u_r= (\frac 1 r)v_\theta</math>

<math>(\frac 1 r)u_\theta=-v_r</math>

בצורה מוכללת יותר, לכל ייצוג קוטבי מהצורה <math>\ f(z^n)=r^n(cos(n\theta)+isin(n\theta))</math>(על פי [[משפט דה מואבר|דה מואבר]]) תנאי הגזירות יהיו:

<math>u_r= (\frac 1 r)^nv_\theta</math>

<math>(\frac 1 r)^n u_\theta=-v_r</math>

==הוכחה==
נתבונן ב־f כפונקציה <math>f:\R^2\to\C</math>. נגדיר [[קירוב ליניארי]] ל־f ונחשב את <math>\Delta f</math>:

<math>\Delta f=f(z+\Delta z)-f(z)=f_x(z)\Delta x+f_y\Delta y+\varepsilon(\Delta z)\Delta z</math> כאשר <math>\lim_{\Delta z\to 0}\varepsilon(\Delta z)=0</math>. (קל להשתכנע בקיומו של קירוב זה מ[[טור טיילור]])

נשים לב כי <math>\Delta z+\Delta\overline z=2\Delta x\ ,\ \Delta z-\Delta\overline z=2i\Delta y</math>, ולכן נוכל לרשום

<math>\Delta f=\frac{f_x-if_y}{2}\Delta z+\frac{f_x+if_y}{2}\Delta\overline z+\varepsilon(\Delta z)\Delta z</math>

נגדיר את אופרטורי הגזירה הבאים: <math>\frac{\partial}{\partial z}=\frac12\left(\frac\partial{\partial x}-i\frac\partial{\partial y}\right)\ ,\ \frac{\partial}{\partial\overline z}=\frac12\left(\frac\partial{\partial x}+i\frac\partial{\partial y}\right)</math>

נחלק ב־<math>\Delta z</math> ו[[גבול של פונקציה|נשאיף]] לאפס:

<math>\frac{df}{dz}=\frac{\partial f}{\partial z}+\frac{\partial f}{\partial\overline z}\cdot\frac{d\overline z}{dz}</math>

קל לראות שהביטוי <math>\frac{d\overline z}{dz}</math> לא מוגדר (פשוט באמצעות בדיקת הגבול פעם כשהחלק הממשי שווה לאפס והמדומה שואף לאפס, ופעם כשהחלק המדומה שווה לאפס והממשי שואף לאפס, שמניבים תוצאות שונות), לכן הביטוי כולו מוגדר אם ורק אם <math>\frac{\partial f}{\partial\overline z}=0</math>, כלומר <math>u_x+iv_x=-iu_y+v_y</math>, ומהשוואת החלקים המדומה והממשי נקבל
: <math>u_x=v_y</math>
: <math>v_x=-u_y</math>
שהן משוואות קושי-רימן.

== לקריאה נוספת ==
* Ablowitz M. J. & Fokas A. S., ''Complex Variables: Introduction and Applications'', Cambridge University Press, 1997

==קישורים חיצוניים==
* {{אנציקלופדיה למתמטיקה|Cauchy-Riemann_equations}}
* {{MathWorld}}

{{אנליזה מרוכבת}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:משפטים באנליזה מרוכבת]]
[[קטגוריה:משוואות דיפרנציאליות|קושי-רימן]]
[[קטגוריה:תורת הפוטנציאל]]
[[קטגוריה:ברנהרד רימן]]
[[קטגוריה:פונקציות הרמוניות]]