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1 4. Funciones básicas. 2 Función Exponencial Sea z = x+iy, definimos la función exponencial como: ¿Por qué? (1) e z se reduce a e x cuando z es real.

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1 1 4. Funciones básicas

2 2 Función Exponencial Sea z = x+iy, definimos la función exponencial como: ¿Por qué? (1) e z se reduce a e x cuando z es real (cuando y = 0). (2) e z es una función entera (es analítica en todo punto). (3) Su derivada coincide con la función misma, como en el caso de la exponencial real.

3 3 (2) Veamos que e z es una función entera, es decir analítica para todo z: Tenemos: u(x,y) = e x cos y ; v(x,y) = e x sin y cuyas derivadas parciales son continuas para todo (x,y) y u x = e x cos y = v y u y = -e x sin y = -v x es decir, cumplen las las ECR, para todo (x,y). (3) Su derivada es:

4 4 Podríamos haber abordado la definición de la siguiente manera: Recordando que la función exponencial real se determina por la ecuación diferencial f'(x) = f(x) con f(0)=1, nos preguntamos si existe una solución analítica a: f'(z) = f(z) con f(z)=1. Si la solución existe, coincidirá con e x cuando z = x. Supongamos como soluciones (separación de variables):

5 5 Todas las soluciones son de la forma: con A y B constantes. Como: Derivemos ambas ecuaciones respecto a y y apliquemos CR:

6 6 O bien podríamos haber alcanzado la definición a través de series...

7 7 Propiedades de la función exponencial (1)

8 8 (2) Resolvamos e z = 1: Igualando la parte imaginaria: e x sin y = 0 y = n (n = 0,1,2.....). Igualando la parte real: 1 = e x cos y = e x cos ( 2n ) = e x x=0. z = 2n i (n = 0,1,2.....). En particular e 0 = 1. (3) (e z ) -1 = e -z Observemos que 1 = e 0 = e z-z = e z e -z. (4) (e z ) n = e nz, con n entero. Para n=0,1 la igualdad es cierta por definición. Para n > 1, aplicamos e z+w = e z e w e inducción. Para n < -1, (e z ) n = [(e z ) -1 ] –n = (e -z ) –n = e nz.

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10 10 y x u v (5) Observemos que e z 0 z. El rango de la función exponencial es todo el plano w, excepto 0, C - {0}. (7) De modo que e z es periódica con periodo 2 i e z+ 2 i = e z z (6) arg e z = y 2n (n = 0,1,2...). Así que podemos dividir el plano z en bandas periódicas infinitas de ancho 2. De modo que la imagen de cada banda llena la totalidad del plano w (excepto w = 0). La banda - < y se denomina región fundamental o principal de e z.

11 11 Las líneas y = c e y = d se transforman en los rayos respectivamente (a excepción del origen). Las línea x = a y x = b se transforma en los círculos de radio R = a, b respectivamente. Combinando ambos hechos, observa como se transforma el rectángulo.

12 12 f(z) =exp(z) = e x (cos y + i sen y) Esquema de color dependiente del valor real DominioRango

13 13 f(z) = exp(z) = e x (cos y + i sen y) Esquema de color dependiente del valor imaginario DominioRango

14 14 The complex exponential maps the infinite open strip bounded by the horizontal lines through ± πi one-to- one onto the plane minus the negative real axis. The lines of constant real part are mapped to circles, and lines of constant imaginary part to rays from the origin. In the animation we view a rectangle in the strip rather than the entire strip, so the region covered is an annulus minus the negative real axis. The inner boundary of the annulus is so close to the origin as to be barely visible. We also make the strip a bit thinner than 2 π, so that the annulus does not quite close up.complex exponential

15 15 e z = e x (cos y + i sen y) (1.1)

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23 23 (8) Fórmula de Euler Cuando z es imaginario puro (x = 0):

24 24 ¿Cómo llegó Euler a esta fórmula? (Series de potencias...)

25 25 (9) The most remarkable fórmula in math (Richard Feynman) nos proporciona la siguiente identidad: Observa que para la fórmula de Euler,

26 26 From Gianluca Gorni's web site

27 27 Ejercicio: Hallar todas las soluciones de e z = 3+4i Solución: Igualando módulos |e z | = e x = 5 x = ln(5) = 1,609. Igualando partes real e imaginaria: e x cos y = 3; e x sin y = 4 cos y = 0,6; sin y = 0,8 y = 0,927 2n z = 1,609 + (0,927 2n ) i (n = 0,1,2.....) (10) |e iy | = |cos y + i sin y| = (cos 2 y + sin 2 y) = 1 (11) |e z | = |e x+iy |= |e x | |e iy |= |e x |= e x > 0

28 28 (12) Las formas exponencial y trigonométrica Recuerda que la forma polar para un número complejo es La fórmula de Euler nos dice que Forma exponencial de un número complejo

29 29 (13) La función exponencial y el conjugado ¿Qué números complejos satisfacen la expresión ? El módulo es 1 y puede tomar cualquier valor, de modo que satisfacen la expresión todos los números complejos sobre el círculo unidad. Todos los números complejos sobre un círculo de radio 2, centrado en z 0 =1 ¿Qué números complejos satisfacen la expresión ? z 0 =1

30 30 (14) Producto y división en forma exponencial Es sencillo multiplicar y dividir en forma exponencial. Por ejemplo, dividamos: En general:

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32 32 Aplicación: Fasores Muchas señales pueden ser representadas como senoides:

33 33 Representación de un número complejo en forma de fasor

34 34 Cambio de Fase

35 35 Corriente Alterna Resistencia R La tensión está en fase con la corriente Inductancia L La tensión adelanta a la corriente en La tensión se retrasa respecto a la corriente en Circuitos

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37 37 Definimos la impedancia compleja Z como Si definimos la tensión compleja como V = IZ Cada una de esas fórmulas pueden ser escritas como podemos escribirlo en la forma Resistencia Capacitancia Inductancia

38 38 Podemos escribir: Funciones trigonométricas A partir de la fórmula de Euler:

39 39 Whittaker & Watson, A Course of Modern Analysis, Fourth edition 1927 (Un paréntesis)

40 40 Observa que los autores suponen que el lector está familiarizado con la siguiente identidad trigonométrica: que es equivalente a:

41 Esta identidad trigonométrica es equivalente al siguiente teorema geométrico: sin ( k /n ) 2 sin ( k /n ) Si equiespaciamos n+1 puntos alrededor del círculo unidad y trazamos un conjuntos de cuerdas paralelas, entonces el producto de las longitudes dobladas de las n-1 cuerdas es n.

42 Reordenando las cuerdas, introduciendo números complejos y usando la idea de que el valor absoluto y la suma de números complejos corresponde a la adición de vectores. La longitud de la k-ésima cuerda será: 2 sin ( k /n ) Y el producto de la longitud de las n-1 cuerdas será:

43 Introduzcamos un número complejo arbitrario z y definamos la función: 2 sin ( k /n ) Evaluemos: Para ello observemos que en los factores aparecen los n números:, que son las raíces enésimas de la unidad.

44 2 sin ( k /n ) Las n raíces de la unidad son solución de la ecuación: Por el teorema fundamental del álgebra, la ecuación polinómica tiene exactamente n raíces, que son: Así el polinomio puede factorizarse únicamente como: Como, además: Así: y Finalmente tenemos: Longitud del producto de las n-1 cuerdas

45 45 Sies un n-ógono regular inscrito en un círculo de radio unidad centrado en O y P el punto sobre a distancia x de O, entonces Teorema de Cotes (1716) Nota: Cotes no publicó una prueba de este teorema, quizás porque el uso de los números complejos no eran todavía considerado una manera respetable de probar un teorema en geometría. Roger Cotes (1682 –1716)

46 46 A partir de la observación anterior, resulta natural definir las funciones seno y coseno de una variable compleja z por medio de las siguientes expresiones: Funciones trigonométricas de variable compleja Observa que en variable compleja las funciones trigonométricas y exponencial están íntimamente relacionadas, cosa que no ocurre en variable real. Con estas definiciones: (1)cos z (sin z) se reduce a cos x (sin x) cuando z es real. (2) cos z y sin z son funciones enteras (analíticas en todo punto). (3) Sus derivadas coinciden con sus equivalentes en variable real.

47 47 Ejemplo: Resolver cos z = 5. Solución: Aplicamos la definición en exponenciales del coseno: cos z = [e iz + e -iz ]/2 = 5 e iz + e -iz – 10 = 0; multiplicando la ecuación por e iz e i2z –10 e iz + 1 = 0; Haciendo el cambio de variable t = e iz t = e iz = 5 (25-1) = o z = 2n i (n=0,1,2....) e -y = ó y = e ix = 1 x = 2n (n=0,1,2....)

48 48 Two-to-one coverings of a disk by the complex cosine restricted to a rectangle of width 2 π and height 2 centered at the origin.

49 49 Two-to-one coverings of a disk by the complex sine restricted to a rectangle of width 2 π and height 2 centered at the origin.

50 50 El resto de funciones trigonométricas se definen en relación a las funciones seno y coseno mediante las relaciones conocidas: Las fórmulas usuales para las funciones trigonométricas de variable real siguen siendo válidas para las correspondientes de variable compleja: tan z y sec z (cot z y csc z) no son enteras, ya que no son analíticas en los puntos donde cos z (sin z) es 0. Observa por ejemplo que:

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52 52 Las funciones hiperbólicas reales se definen por analogía a las definiciones de seno, coseno y tangente en variable compleja: Funciones hiperbólicas de variable real (recordatorio)

53 53 Representación gráfica de las funciones reales hiperbólicas Nota : La ecuación de una cuerda suspendida de dos puntos a la misma altura es a x aycosh. La curva se conoce como catenaria.

54 54 Interpretación de las funciones hiperbólicas reales Así como las funciones circulares (trigonométricas) aparecen en problemas que involucran integrales con (1-x 2 ) 1/2, las hiperbólicas aparecen con (1+x 2 ) 1/2.

55 55 Derivadas de las funciones hiperbólicas reales Demostración:

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57 57 Escribamos las funciones trigonométricas complejas en forma binómica: De la misma manera para la función seno tenemos:

58 58 Si particularizamos en las definiciones de las funciones trigonométricas complejas para z = ix tendremos:

59 59 Estos resultados nos dan una regla general para convertir identidades trigonométricas en identidades hiperbólicas: Cualquier identidad trigonométrica seguirá siendo válida si reemplazamos sin(), cos(), tan() por sinh(), cosh(), tanh() respectivamente. Teniendo en cuenta, además, que si hay un producto de dos sin() ó tan(), cambia el signo del término sustituido. Por ejemplo:

60 60 (1) Resolver cos z = 0 cos z = cos x cosh y – i sin x sinh y = 0 Parte real: cos x cosh y = 0 cos x = 0; x = (2n+1) /2 (n = 0,1,2...) Parte imaginaria: sin x sinh y = 0 sinh y = 0; y = 0 z = (2n+1) /2 (n = 0,1,2....) (2) Resolver sin z = 0 sin z = sin x cosh y + i cos x sinh y = 0 Parte real: sin x cosh y = 0 sin x = 0; x = n (n = 0,1,2...) Parte imaginaria: cos x sinh y = 0 sinh y = 0; y = 0 z = n (n = 0,1,2....) Los ceros de cos z y sin z son los mismos que los de sus análogas funciones cos x y sin x reales.

61 61 Funciones hiperbólicas complejas Hemos definido las funciones hiperbólicas de una variable real como: Parece natural definir las funciones hiperbólicas de variable compleja mediante las expresiones: (1) Estas funciones son enteras y con derivadas: (cosh z) = sinh z ; (sinh z) = cosh z (2) Otras funciones hiperbólicas se definen como: tanh z = sinh z / cosh z ; coth z = cosh z / sinh z sech = 1/cosh z ; csech z = 1/sinh z que son analíticas excepto en los puntos en que el denominador se anula.

62 62 Escribamos las funciones hiperbólicas complejas en forma binómica: De la misma manera podemos demostrar que:

63 63 Ejercicio: Demostrar la identidad de Moivre para funciones hiperbólicas: Ejercicio: Demostrar que : cosh (iz) = cos z y sinh (iz) = sin z Ejemplo: Veamos que |cos z| 2 = cos 2 x + sinh 2 y |cos z| 2 = cos 2 x cosh 2 y + sin 2 x sinh 2 y Como cosh 2 y – sinh 2 y = [½(e y + e -y )] 2 -[½(e y - e -y )] 2 = 1 |cos z| 2 = cos 2 x (1 + sinh 2 y) + sin 2 x sinh 2 y = cos 2 x + sinh 2 y

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66 66 Ejercicio: Hallar todas las soluciones de la ecuación.. Hacemos, y la ecuación resulta:, cuyas soluciones son:, de donde, y también con k un número entero. Despejando z se obtiene la solución:, con k un nº entero.

67 67 f(z) = sen z Esquema de color dependiente del valor imaginario DominioRango

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71 71 Pescando Biomorfos Algunas veces me considero un pescador. Los programas de ordenador y las ideas son mis herramientas, cañas y redes. Los gráficos que aparecen en mi pantalla son trofeos y deliciosas mieles. Clifford A. Pickover, Computers, Pattern, Chaos and Beauty

72 72 Partimos de una función iterada:: Escogemos una región del plano complejo y tomamos cada punto de esta región como semilla inicial z 0 para iterar. Tomemos uno de ellos. Lo iteramos, por ejemplo, 150 veces. Conocido el valor final de z, pintamos en función del valor absoluto de su parte real e imaginaria: (1)Si alguna de ellas excede o es igual a 100 (por ejemplo), pintamos z 0 como un punto blanco, (2)En caso contrario lo pintamos en negro. Biomorfos

73 73 Función logarítmica Definimos el logaritmo de un número complejo z como Definido de esta manera, observemos que: El logaritmo complejo es multivaluado, una correspondencia multívoca, no una biyección. Debido a la multivaluación de la función arg z, a cada z corresponden un número infinito de valores. (|z| > 0, no continua en z = 0).

74 74 Por ejemplo, calculemos el valor de Para cada valor de n obtenemos un posible valor de la función logaritmo. Podemos construirnos una función unívoca tomando el argumento principal Arg z, en vez de arg z.

75 75 Valor principal del logaritmo El valor principal de ln z se define como el valor correspondiente al valor principal del argumento de z: Usamos la letra mayúscula L para designar al valor principal: valor principal Tenemos:

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77 77 (1) Esta es una relación familiar para los logaritmos naturales Sea z 1 = z 2 = e i = -1, entonces si tomamos ln z 1 = lnz 2 = i PERO: ¡no se cumple para el valor principal! Ln(z 1 z 2 ) = Ln(1) = 0 ln(e z ) = ln(e x+iy ) = ln(e x ) + i y 2n i = z 2n i observa queln(z 1 z 2 ) = ln(z 1 ) + ln(z 2 ) = 2 i = ln(1)

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79 79 Resumen repetición

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84 84 Esquema de color dependiente del argumento DominioRango

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88 88 Derivada del ln(z) Sea ln z = u(x,y) + i v(x,y). Entonces: u(x,y) = ln|z| = ½ln(x 2 +y 2 ) v(x,y) = arg z = tan -1 (y/x) + 2n ; n=0,1,... u x = x/(x 2 +y 2 ) v y = y/(x 2 +y 2 ) (ln z) / = u x + i v x = x/(x 2 +y 2 ) – i y/(x 2 +y 2 ) = (x - i y)/(x 2 +y 2 ) = 1/z Ejercicio: Repetir los cálculos anteriores en polares.

89 89 Analiticidad de Ln z Como no existe ln 0, Ln z no está definido en z = 0. Como el argumento principal Arg z toma valores, el logaritmo experimenta un salto al cruzar el eje real negativo.

90 90 El logaritmo no es analítico en z = 0 ni a lo largo del eje real negativo Analítica en todo punto excepto aquí De modo que podemos tomar como dominio de analiticidad: D = plano z –{R - U 0} ¿Existen y son continuas las derivadas parciales y se cumplen las ECR en el dominio D? u x = x/(x 2 +y 2 ) = v y = [1/(1+(y/x) 2 )](1/x) u y = y/(x 2 +y 2 ) = -v x = -[1/(1+(y/x) 2 )](-y/x) Se satisfacen ECR

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94 94 Veamos sin son continuas las derivadas parciales y se cumplen las ecuaciones de CR en el dominio D en polares: Repetimos: tomaremos como dominio de analiticidad D = Z -{R - U 0}, o en polares los z's tq. r > 0 y - π < ө π.

95 95 Ejemplo: determinar el mayor dominio de analiticidad de la función f(z) = Ln[z-(3+4i)]. El Ln() es analítico para todo punto del plano z excepto la recta semi-infinita negativa y el cero. Descartaremos los valores de z que hacen que el argumento de f() sea negativo o cero: z-(3+4i) = x+iy-3-4i = (x-3)+i(y-4). Es decir: y-4 = 0, x-3 0 y = 4 x i

96 96 Re(w) Im(w) a) Determinar la región del plano complejo en la que la función es analítica. Considérese la determinación del logaritmo correspondiente al ángulo determinación Examen JUNIO 04/05: P-1

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98 98 b) Determinar la región del plano en la que la función Respuesta. Determinación principal no analítica en: w 1 = 0; Re(w 1 ) < 0; Im(w 1 ) = 0 es analítica. 1)π/z no analítica en z = 0.

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100 100 n=0,±1,±2...

101 101 k=0,±1,±2...

102 102 Obtener los puntos del plano complejo donde la función es analítica. Considerar la determinación principal.

103 103 Im(z) Re(z) 1 (Re(z) 1) Im(z)=0 Zonas de no analiticidad – plano zZonas de no analiticidad – plano w Re(w) Im(w) Re(w)<0 Im(w)=0

104 104 Sol.: u(x,y) = 1/2 Log [x 2 + (y-3) 2 ] v(x,y) = Arg (z-3i) + 4 π f(z) = Log |z - 3i| + 4πi

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107 107 Funciones trigonométricas e hiperbólicas inversas Determinemos la inversa del seno a partir de Todas ellas son multiformes... Demostrar:

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112 112 El valor principal de la arcotangente será:

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115 115 Demostrar la expresión y calcular todos los valores posibles de. Examen JUNIO 02/03: P-1

116 116 P1. Junio Obtener la forma binómica de Respuesta.

117 117 a) Solución con signo negativo de la raíz cuadrada:

118 118 b) Solución con signo positivo de la raíz cuadrada:

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120 120 Potencias Podemos expresar potencias de números complejos en forma de funciones exponenciales/logarítmicas cuando el exponente es real. Por ejemplo, En general, para k real: Definamos ahora donde c = a+bi es complejo como: Observa que si z = e entonces z c = e c proporciona un único valor: e c = e a (cos b + i sin b). Para cualquier otra base, dado que ln(z) es multivaluado, z c lo será también. El número de valores es infinito excepto cuando c es racional. El valor principal de z c será e cLn(z)

121 121 Si c = n = 1,2,.... entonces z n es univaluado e idéntico a la potencia enésima habitual de z Si c = n = -1,-2,.... la situación es similar. Si c = 1/n = 2,3,.... entonces z c = n z = e (1/n)ln z (z 0) el exponente se determina en función de los múltiplos de 2 i/n y obtenemos distintos valores de la raíz n th Si c = p/q, siendo el cociente de dos enteros positivos, z c tiene un número finito de valores distintos. Si c es irracional o complejo entonces z c es infinitamente multivaluado. Es decir:

122 122 Ejemplo: Calcular i i ¡Infinitos valores reales! Valor principal real Ejercicio: Calcular la derivada de

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130 130 Recuerda que una función es analítica en una región R si es diferenciable en todos los puntos de R. Los términos función holomorfa, función diferenciable, función compleja diferenciable o función regular se usan a menudo de forma intercambiable para referirse a función analítica. Muchos matemáticos prefieren el término función holomorfa, mientras que función analítica es más usado por físicos e ingenieros. Recuerda que una función analítica en todos los puntos del plano complejo se llama entera. Como hemos visto una función analítica puede no serlo en uno o más puntos singulares o a lo largo de los cortes de ramas. Para acabar, una función univaluada que es analítica en todo punto de su domino a excepción de un conjunto discreto de singularidades (polos y singularidades no esenciales), se denomina función meromorfa.

131 131 M.C. Escher

132 132 ¿Qué efecto quiere conseguir Escher en esta litografía? ¿Por qué aparece una mancha blanca en el centro del cuadro? The Mathematical Structure of Eschers Print Gallery B. de Smit and H. W. Lenstra Jr. Notices of the AMS, vol. 50, N. 4 (April 2003) Prentententoonstelling (Galería de grabados) M.C. Escher 1956

133 133 Lo que yo traté de representar era solamente una superficie que se hincha, de forma anular, sin principio ni fin. El espejo mágico de M. C. Escher (Bruno Ernst, ed. Taschen)

134 134 Mundo real Mundo curvo Transformación

135 135 Transformación Anti-transformación Cualquier camino simple cerrado alrededor del origen del mundo curvo se antitransforma en un camino no cerrado en el mundo real. Por ejemplo el camino ABCD.

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137 137 Rectificación de la litografía

138 138 El efecto Droste En Alemania la marca de chocolate Droste es famosa por el efecto visual de una de sus cajas de cacao. En ella la imagen se contiene a sí misma en pequeña escala.

139 139 Tras un zoom de 2 8 = 256 volvemos a la imagen original. Escher and the Droste effect

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141 141 Reconstrucción

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147 147 Una rotación en sentido horario de grados y un zoom de nos devuelve a la imagen original. M.C. Escher: More Mathematics Than Meets the Eye, Sara Robinson. SIAM News, Vol. 35, N. 8, Ocober 2002.


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