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Engenharia Elétrica Disciplina: Variáveis Complexas 3º Semestre - Prof. MSc. Edson Silva Unid. I Cap. 3 – Funções Analíticas 2 3.1 – Definição de Função Analítica. 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann. 3.2.1 – Condições de Cauchy - Riemann em Coordenadas Polares. 3.3 – Funções Analíticas. 3.3.1 – Equação de Laplace. 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares. Unid. I Cap. 3 – Funções Analíticas 3 Se 𝑓! 𝑧 existe no ponto 𝑧" e em todos os pontos de uma dada vizinhança de 𝑧" , então 𝑓(𝑧) é denominada uma função analítica. Uma função 𝑓(𝑧) é analítica na região ℛ se ela é analítica em todos os pontos dessa região. Se uma função 𝑓(𝑧) possui derivada no ponto 𝑧" ela é necessariamente contínua no ponto 𝑧". lim ∆$→" 𝑓 𝑧" + ∆𝑧 − 𝑓(𝑧") = lim ∆$→" & $!'∆$ (&($!) ∆$ lim ∆$→" ∆𝑧 = 0 ⟹ lim ∆$→" 𝑓 𝑧" + ∆𝑧 = 𝑓 𝑧" 3.1 – Definição de Função Analítica 4 Cauchy e Riemann criaram um método simples para testar a analiticidade de 𝑓 𝑧 , demonstrado abaixo. 𝑓! 𝑧 = lim ∆$→" & $'∆$ (& $ ∆$ e 𝑓(𝑧) = 𝑢(𝑥, 𝑦) +𝑖𝑣(𝑥, 𝑦) Fazendo o limite ao longo do eixo 𝑥, temos ∆𝑦 = 0. 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 𝑓’ 𝑧 = lim ∆"→$ ∆%→$ 𝑢 𝑥 + ∆𝑥, 𝑦 + ∆𝑦 − 𝑢 𝑥, 𝑦 ∆𝑥 + 𝑖∆𝑦 + 𝑖 lim ∆"→$ ∆%→$ 𝑣 𝑥 + ∆𝑥, 𝑦 + ∆𝑦 − 𝑣 𝑥, 𝑦 ∆𝑥 + 𝑖∆𝑦 𝑓’ 𝑧 = lim ∆"→$ 𝑢 𝑥 + ∆𝑥, 𝑦 − 𝑢 𝑥, 𝑦 ∆𝑥 + 𝑖 lim ∆"→$ 𝑣 𝑥 + ∆𝑥, 𝑦 − 𝑣 𝑥, 𝑦 ∆𝑥 𝑓’(𝑧) = 𝜕𝑢 𝜕𝑥 + 𝑖 𝜕𝑣 𝜕𝑥 (3.1) 5 Fazendo o limite ao longo do eixo 𝑦, temos ∆𝑥 = 0. Igualando a Eq. (3.1) com a Eq. (3.2), temos: 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 𝑓’ 𝑧 = lim ∆"→$ ∆%→$ 𝑢 𝑥 + ∆𝑥, 𝑦 + ∆𝑦 − 𝑢 𝑥, 𝑦 ∆𝑥 + 𝑖∆𝑦 + 𝑖 lim ∆"→$ ∆%→$ 𝑣 𝑥 + ∆𝑥, 𝑦 + ∆𝑦 − 𝑣 𝑥, 𝑦 ∆𝑥 + 𝑖∆𝑦 𝑓’ 𝑧 = lim ∆%→$ 𝑢 𝑥, 𝑦 + ∆𝑦 − 𝑢 𝑥, 𝑦 𝑖∆𝑦 + 𝑖 lim ∆%→$ 𝑣 𝑥, 𝑦 + ∆𝑦 − 𝑣 𝑥, 𝑦 𝑖∆𝑦 𝑓’ 𝑧 = 𝜕𝑣 𝜕𝑦 − 𝑖 𝜕𝑢 𝜕𝑦 (3.2) 𝜕𝑢 𝜕𝑥 = 𝜕𝑣 𝜕𝑦 (3.3) 𝜕𝑢 𝜕𝑦 = − 𝜕𝑣 𝜕𝑥 (3.4) 6 Condição necessária: - A função 𝑓(𝑧) = 𝑢(𝑥, 𝑦) + 𝑖𝑣(𝑥, 𝑦) é analítica na região ℛ , então 𝑢(𝑥, 𝑦) e 𝑣(𝑥, 𝑦) satisfazem as condições de Cauchy-Riemann [Eq. (3.3) e Eq. (3.4)] em todos os pontos de ℛ. Condição necessária e suficiente: - Se as derivadas parciais 𝑢+ , 𝑣+ , 𝑢, e 𝑣, são contínuas em ℛ , então as condições de Cauchy- Riemann são suficientes para 𝑓(𝑧) ser analítica em ℛ. 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 7 Ex. 3.1 – Verificar as condições de Cauchy-Riemann para 𝑓 𝑧 = 𝑧- = 𝑥- − 𝑦- + 2𝑥𝑦𝑖 e obter 𝑓’ 𝑧 . Sol. Ex. 3.1. 𝑢+ = 𝜕𝑢 𝜕𝑥 = 𝜕(𝑥- − 𝑦-) 𝜕𝑥 = 2𝑥 𝑣, = 𝜕𝑣 𝜕𝑦 = 𝜕(2𝑥𝑦) 𝜕𝑦 = 2𝑥 𝑢, = 𝜕𝑢 𝜕𝑦 = 𝜕(𝑥- − 𝑦-) 𝜕𝑦 = −2𝑦 𝑣+ = 𝜕𝑣 𝜕𝑥 = 𝜕(2𝑥𝑦) 𝜕𝑥 = 2𝑦 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann Eq. (3.3) satisfeita Eq. (3.4) satisfeita 8 Cont. Sol. Ex. 3.1. Como as derivadas parciais 𝑢+ , 𝑣+ , 𝑢, e 𝑣, são contínuas em todo o plano 𝑧 e as condições de Cauchy- Riemann são satisfeitas, então 𝑓’ 𝑧 existe e pode ser obtida pela Eq. (3.1) ou pela Eq. (3.2). Aplicando a Eq. (3.1), vem: 𝑓’ 𝑧 = 𝑢+ + 𝑖𝑣+ = 2𝑥 + 𝑖(2𝑦) = 2(𝑥 + 𝑖𝑦) = 2𝑧 Aplicando a Eq. (3.2), temos: 𝑓’ 𝑧 = 𝑣, − 𝑖𝑢, = 2𝑥 − 𝑖(−2𝑦) = 2(𝑥 + 𝑖𝑦) = 2𝑧 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 9 Ex. 3.2 – Verificar as condições de Cauchy-Riemann para 𝑓 𝑧 = ̅𝑧 = 𝑥 − 𝑖𝑦 e obter 𝑓’ 𝑧 se possível. Sol. Ex. 3.2. 𝑢+ = 𝜕𝑢 𝜕𝑥 = 𝜕(𝑥) 𝜕𝑥 = 1 𝑣, = 𝜕𝑣 𝜕𝑦 = 𝜕(−𝑦) 𝜕𝑦 = −1 𝑢, = 𝜕𝑢 𝜕𝑦 = 𝜕(𝑥) 𝜕𝑦 = 0 𝑣+ = 𝜕𝑣 𝜕𝑥 = 𝜕(−𝑦) 𝜕𝑥 = 0 Cauchy-Riemann não atendido, logo ∄ 𝑓’ 𝑧 . 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann Eq. (3.3) não satisfeita Eq. (3.4) satisfeita 10 Ex. 3.3 – Verificar as condições de Cauchy-Riemann para 𝑓 𝑧 = . $ = . +'/, = + +"'," + 𝑖 − , +"'," e obter 𝑓’ 𝑧 . Sol. Ex. 3.3. 𝑢+ = 𝜕 𝑥 𝑥- + 𝑦- 𝜕𝑥 = 1 𝑥- + 𝑦- − 𝑥 2𝑥 𝑥- + 𝑦- - = 𝑦- − 𝑥- 𝑥- + 𝑦- - 𝑣, = 𝜕 − 𝑦 𝑥- + 𝑦- 𝜕𝑦 = −1 𝑥- + 𝑦- − −𝑦 2𝑦 𝑥- + 𝑦- - = 𝑦- − 𝑥- 𝑥- + 𝑦- - 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 11 Cont. Sol. Ex. 3.3. 𝑢, = 𝜕 𝑥 𝑥- + 𝑦- 𝜕𝑦 = 0 − 𝑥 2𝑦 𝑥- + 𝑦- - = −2𝑥𝑦 𝑥- + 𝑦- - 𝑣+ = 𝜕 − 𝑦 𝑥- + 𝑦- 𝜕𝑥 = 0 − −𝑦 2𝑥 𝑥- + 𝑦- - = 2𝑥𝑦 𝑥- + 𝑦- - Cauchy-Riemann atendido. Aplicando a Eq. (3.1): 𝑓’ 𝑧 = 𝑦- − 𝑥- 𝑥- + 𝑦- - + 𝑖 2𝑥𝑦 𝑥- + 𝑦- - = − 𝑥- − 𝑦- − 𝑖2𝑥𝑦 𝑥- + 𝑦- - 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 12 Cont. Sol. Ex. 3.3. 𝑓’ 𝑧 = − 𝑥& − 𝑦& − 𝑖2𝑥𝑦 𝑥& + 𝑦& & = − 𝑥& − 𝑦& − 𝑖2𝑥𝑦 𝑥& − 𝑦& & + 4𝑥&𝑦& 𝑓’ 𝑧 = − 1 𝑥& − 𝑦& + 𝑖2𝑥𝑦 = − 1 𝑥& + 𝑖2𝑥𝑦 + 𝑖𝑦 & 𝑓’ 𝑧 = − 1 𝑥 + 𝑖𝑦 & = − 1 𝑧& 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 𝑓’ 𝑧 = − 𝑥& − 𝑦& − 𝑖2𝑥𝑦 𝑥& − 𝑦& & − 𝑖2𝑥𝑦 & = − 𝑥& − 𝑦& − 𝑖2𝑥𝑦 𝑥& − 𝑦& − 𝑖2𝑥𝑦 𝑥& − 𝑦& + 𝑖2𝑥𝑦 13 Cont. Sol. Ex. 3.3. Utilizando o MATLAB® 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann Eq. (3.3) atendida Eq. (3.4) atendida 14 Ex. 3.4 – Verificar as condições de Cauchy-Riemann para as funções abaixo e calcular 𝑓’ 𝑧 , se possível. a 𝑓 𝑧 = 𝑓 𝑥 + 𝑖𝑦 = 2𝑥 + 𝑖𝑥𝑦- b 𝑓 𝑧 = 𝑧0 = (𝑥 + 𝑖𝑦)0= 𝑥0 − 3𝑥𝑦- + 3𝑥-𝑦 − 𝑦0 𝑖 c 𝑓 𝑧 = 𝑒$ = 𝑒+'/, = 𝑒+𝑒/, = 𝑒+ cos 𝑦 + 𝑖 sen 𝑦 Ex. 3.5 – Obter os valores dos números reais 𝑎 e 𝑏 que tornam 𝑓 𝑧 = 𝑓 𝑥 + 𝑖𝑦 = 𝑥- + 𝑎𝑦- + 𝑦 + 𝑖(𝑏𝑥𝑦 + 𝑐𝑥) uma função analítica da variável complexa 𝑧 = 𝑥 + 𝑖𝑦. 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 15 Ex. 3.6 – Se 𝑢 𝑥, 𝑦 = 4𝑥0𝑦 − 4𝑥𝑦0 , existe alguma função 𝑣 𝑥, 𝑦 tal que 𝑢 𝑥, 𝑦 + 𝑖𝑣 𝑥, 𝑦 é analítica? Sol. Ex. 3.6. 𝜕𝑢 𝜕𝑥 = 𝜕𝑣 𝜕𝑦 ⟹ 𝜕𝑣 𝜕𝑦 = 𝜕 4𝑥0𝑦 − 4𝑥𝑦0 𝜕𝑥 = 12𝑥-𝑦 − 4𝑦0 ⟹ 𝑣 = J12𝑥-𝑦 − 4𝑦0𝑑𝑦 = 6𝑥-𝑦- − 𝑦1 + 𝑔(𝑥) 𝜕𝑢 𝜕𝑦 = − 𝜕𝑣 𝜕𝑥 ⟹ 𝜕𝑣 𝜕𝑥 = − 𝜕 4𝑥0𝑦 − 4𝑥𝑦0 𝜕𝑦 = −4𝑥0 + 12𝑥𝑦- ⟹ 𝑣 = J12𝑥𝑦- − 4𝑥0𝑑𝑥 = 6𝑥-𝑦- − 𝑥1 + ℎ(𝑦) 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 16 Cont. Sol. Ex. 3.6. Igualando os dois resultados de 𝑣, temos: 𝑣 = 6𝑥-𝑦- − 𝑦1 + 𝑔 𝑥 = 6𝑥-𝑦- − 𝑥1 + ℎ 𝑦 ⟹ O 𝑔 𝑥 = −𝑥1 ℎ 𝑦 = −𝑦1 ∴ 𝑣 = 6𝑥-𝑦- − 𝑥1 − 𝑦1 𝑓 𝑧 = 𝑢 𝑥, 𝑦 + 𝑖𝑣 𝑥, 𝑦 ⟹ 𝑓 𝑧 = 4𝑥0𝑦 − 4𝑥𝑦0 + 𝑖 6𝑥-𝑦- − 𝑥1 − 𝑦1 Desenvolvendo 𝑧1 = 𝑥 + 𝑖𝑦 1 é possível observar que 𝑓 𝑧 é dada por: 𝑓 𝑧 = −𝑖𝑧1 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 17 Fig. 3.1 – Gráficos de 𝑢 = ℜe −𝑖𝑧! e 𝑣 = ℑm −𝑖𝑧! . 3.2 – Condições de Cauchy-Riemann 18 Coordenadas polares: 𝑥 = 𝑟cos𝜑 e 𝑦 = 𝑟sen𝜑. 𝑢2 = 𝜕𝑢 𝜕𝑟 = 𝜕𝑢 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑟 + 𝜕𝑢 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑟 = 𝑢+cos𝜑 + 𝑢,sen𝜑 𝑣3 = 𝜕𝑣 𝜕𝜑 = 𝜕𝑣 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝜑 + 𝜕𝑣 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝜑 = −𝑣+𝑟sen𝜑 + 𝑣,𝑟cos𝜑 𝑢2 = 𝑢+cos𝜑 + 𝑢,sen𝜑 𝑣3 = −𝑣+𝑟sen𝜑 + 𝑣,𝑟cos𝜑 𝑟𝑢2 − 𝑣3 = 𝑢+ − 𝑣, 𝑟cos𝜑 + 𝑢, + 𝑣+ 𝑟sen𝜑 𝑢+ − 𝑣, = 𝑢, + 𝑣+ = 0 𝑟𝑢2 − 𝑣3 = 0 ⟹ 𝑟𝑢2 = 𝑣3 3.2.1 – Condições de Cauchy-Riemann em Coordenadas Polares × 𝑟 + × (−1) ∴ 𝑟 𝜕𝑢 𝜕𝑟 = 𝜕𝑣 𝜕𝜑 (3.5) 19 Coordenadas polares: 𝑥 = 𝑟cos𝜑 e 𝑦 = 𝑟sen𝜑. 𝑢3 = 𝜕𝑢 𝜕𝜑 = 𝜕𝑢 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝜑 + 𝜕𝑢 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝜑 = −𝑢+𝑟sen𝜑 + 𝑢,𝑟cos𝜑 𝑣2 = 𝜕𝑣 𝜕𝑟 = 𝜕𝑣 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑟 + 𝜕𝑣 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑟 = 𝑣+cos𝜑 + 𝑣,sen𝜑 𝑢3 = −𝑢+𝑟sen𝜑 + 𝑢,𝑟cos𝜑 𝑣2 = 𝑣+cos𝜑 + 𝑣,sen𝜑 𝑢3 + 𝑟𝑣2 = 𝑣, − 𝑢+ 𝑟sen𝜑 + 𝑣+ + 𝑢, 𝑟cos𝜑 𝑢+ − 𝑣, = 𝑢, + 𝑣+ = 0 𝑢3 + 𝑟𝑣2 = 0 ⟹ 𝑢3 = −𝑟𝑣2 3.2.1 – Condições de Cauchy-Riemann em Coordenadas Polares + × 𝑟 ∴ 𝜕𝑢 𝜕𝜑 = −𝑟 𝜕𝑣 𝜕𝑟 (3.6) 20 Teorema Seja 𝑓 𝑧 = 𝑓 𝑟𝑒/3 = 𝑢 𝑟, 𝜑 + 𝑖𝑣 𝑟, 𝜑 definida em uma vizinhança de um ponto 𝑧" = 𝑟"𝑒/3!, com as funções 𝑢2 = 45 42 , 𝑢3 = 45 43 , 𝑣2 = 46 42 e 𝑣3 = 46 43 existindo nessa vizinhança, contínuas em 𝑟", 𝜑" e com 𝑓 𝑧 diferenciável em 𝑧", temos: 3.2.1 – Condições de Cauchy-Riemann em Coordenadas Polares 𝑓! 𝑧" = 𝑒(/3! 𝑢2 𝑟", 𝜑" + 𝑖𝑣2 𝑟", 𝜑" (3.7) 𝑓! 𝑧" = 7#$%! 2 𝑣3 𝑟", 𝜑" − 𝑖𝑢3 𝑟", 𝜑" (3.8) crpolar.pdf 21 Ex. 3.7 – Verifique as condições de Cauchy-Riemann para 𝑓 𝑧 = . $" = . 2"7$"% =89: -3 2" − 𝑖 :; com 𝑘 = 1, 2,⋯ , 𝑛 são funções analíticas, as constantes 𝑎> são funções analíticas, o produto e a soma de funções analíticas é uma função analítica. Uma função racional (quociente de duas funções polinomiais) é analítica em ℛ ⊂ ℂ se os pólos de 𝑟 𝑧 , isto é, as raízes de 𝑞 𝑧 = 0, estão fora da região ℛ . 3.3 – Funções Analíticas 𝑟 𝑧 = 𝑝(𝑧) 𝑞(𝑧) (3.9) https://www.youtube.com/watch?v=PybGMXKTp7c 28 Ex. 3.10 – Determine se a função definida por 𝑓 𝑧 = (2 + 5𝑧)/(𝑖 − 3𝑧) é analítica no disco aberto ℛ: 𝑧 0 tal que o círculo 𝑧 − 𝑧" = 𝛿 circunde apenas o ponto singular z0. Caso não seja possível encontrar um 𝛿 > 0 , o ponto é denominado ponto singular não isolado. Ex.: 𝑓 𝑧 = 1/sen(1/𝑧), tem pólos em 𝑧 = 1/(𝑚𝜋) com distância entre polos sucessivos diminuindo, logo 𝑧" = 0 é um ponto singular não isolado. 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares 𝛿 > 0 𝑧" 35 Pólos: pode-se encontrar um número positivo inteiro 𝑛 tal que lim $→$! 𝑧 − 𝑧" =𝑓 𝑧 = 𝑎, onde 𝑎 é um complexo não nulo, então 𝑧 = 𝑧" é um pólo de ordem 𝑛. Se 𝑎 = 0, então o pólo é de ordem inferior a 𝑛 ou 𝑓 𝑧 é analítica. Se 𝑎 → ∞, então o pólo é de ordem superior a 𝑛. 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares 𝑧 = 0: ponto singular não isolado de 𝑓 𝑧 = 1 sen 1/𝑧 36 Ex. 3.14 – Calcule os pólos e zeros de 𝑓 𝑧 = . $ + ?($ $(- ". Sol. Ex. 3.14. 𝑓 𝑧 = 𝑧 − 2 - + 6 − 𝑧 𝑧 𝑧 𝑧 − 2 - = 2𝑧 + 4 𝑧 𝑧 − 2 - 𝑎 = lim $→$! 𝑧 − 𝑧" =𝑓 𝑧 = lim $→" 𝑧=(2𝑧 + 4) 𝑧 𝑧 − 2 - 𝑛 = 1 ⟹ 𝑎 = lim $→" 2𝑧 + 4 𝑧 − 2 - = 4 −2 - ≠ 0 (𝑧 = 0 ordem 1) 𝑎 = lim $→$! 𝑧 − 𝑧" =𝑓 𝑧 = lim $→- 𝑧 − 2 =(2𝑧 + 4) 𝑧 𝑧 − 2 - 𝑛 = 2 ⟹ 𝑎 = lim $→- (2𝑧 + 4)/𝑧 = 8/2 ≠ 0 𝑧 = 2 ordem 2 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares 37 Cont. Sol. Ex. 3.14. Cálculo dos zeros: 𝑓 𝑧 = 0 ⟹ 2𝑧 + 4 = 0 ⟹ 𝑧 = −2 (ordem 1) lim $→@ 𝑓 𝑧 = lim $→@ 2𝑧/𝑧0 = lim $→@ 2/𝑧- = 0 (𝑧 = ∞ ordem 2) 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares 𝑓 𝑧 = 1 𝑧 + 6 − 𝑧 𝑧 − 2 - = 2𝑧 + 4 𝑧 𝑧 − 2 - pólos 𝑧 = 0 ordem 1 e 𝑧 = 2 ordem 2 zeros 𝑧 = −2 ordem 1 e 𝑧 = ∞ ordem 2 38 Se lim $→$! 𝑧 − 𝑧" =𝑓 𝑧 = 𝑎 ≠ 0 não pode ser satisfeita para nenhum valor positivo inteiro 𝑛, então 𝑧 = 𝑧" é chamado singularidade essencial. A função 𝑓 𝑧 = exp(1/𝑧) possui uma singularidade essencial em 𝑧 = 0. 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares Fig. 3.2 – O relevo da função exp(1/𝑧) centrada em 𝑧 = 0 com mapeamento de fase (visão panorâmica). 39 Uma singularidade é dita removível se 𝑓 𝑧 toma a forma 0/0, mas lim $→$! 𝑓 𝑧 existe e independe da direçãona qual aproxima-se de 𝑧". Ex. 3.15 – Mostre que a função 𝑓 𝑧 = sen(𝑧)/𝑧 possui uma singularidade removível em 𝑧 = 0. Sol. Ex. 3.15. 𝑓 𝑧 = sen 𝑧 𝑧 = 1 𝑧 𝑧 − 𝑧0 3! + 𝑧A 5! − ⋯ = 1 − 𝑧- 3! + 𝑧1 5! − ⋯ lim $→$! 𝑓 𝑧 = lim $→" sen 𝑧 𝑧 = 1 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares 40 Singularidades isoladas. - Singularidades removíveis: sen 𝑧 𝑧 ; 1 − cos 𝑧 𝑧 ; 𝑒$ − 1 𝑧 - Pólos de ordem finita: 1 𝑧 ; 1 𝑧- ; 1 (𝑧 − 1)B ; 2𝑧 + 3 𝑧 − 1 -(𝑧 + 2) - Singularidades essenciais (pólos de ordem infinita): sen 1/𝑧 ; 𝑒 ./$ 3.3.2 – Tipos de Pontos Singulares Leitura Complementar