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69 CAPÍTULO III – INTRODUÇÃO ÀS FUNÇÕES DE VARIÁVEL COMPLEXA Ao Professor Antônio Pertence Jr. por ter me presenteado com um livro, que muito me auxiliou na elaboração deste capítulo. Sumário Conjuntos de pontos no plano Z Função de variável complexa Transformações Função exponencial Funções trigonométricas básicas Função logarítmica 1- Conjuntos de pontos no plano Z 1.1 – Distância entre dois pontos Considere dois números complexos quaisquer e indicados na figura 1. Fig. 1 – Os números e estão separados pela distância A definição da distância entre dois pontos do plano Z, isto é, entre dois números complexos, é a definição euclidiana de distância entre dois pontos, com a qual já estamos familiarizados. Teremos então: 1.2 – Disco de raio e centro Notação: O disco de raio e centro em é o conjunto dos pontos do plano Z situados a uma distância inferior a do ponto . Isso significa que o disco de raio e centro em indicado na figura 2 é o conjunto dos números complexos situados a uma distância inferior a do número complexo . Escrevemos então: 70 Fig. 2 – A distância entre um ponto do disco e o ponto de é menor que a) Vizinhança de um ponto É o conjunto dos pontos situados no disco Aqui o raio possui valor arbitrário, em lugar de um valor específico, como o raio do disco da figura 2. A definição de vizinhança de um ponto nos permite formalizar as três condições que se seguem: Ponto interior de um conjunto A Um ponto é um ponto interior de um conjunto de pontos A do plano Z, se existir uma vizinhança de que contenha apenas pontos do conjunto A, como mostra a figura 3. Fig.3ª – O ponto é um ponto interior do conjunto A qualquer Fig. 3b – O ponto é um ponto interior do conjunto dos pontos do disco Ponto exterior de um conjunto A Um ponto é um ponto exterior de um conjunto de pontos A do plano Z, se existir uma vizinhança de que não contenha nenhum ponto do conjunto A, como mostra a figura 4. 71 Fig.4ª – O ponto é um ponto exterior do conjunto A qualquer Fig. 3b – O ponto é um ponto exterior do conjunto dos pontos do disco Ponto de fronteira de um conjunto A Um ponto é um ponto de fronteira de um conjunto de pontos A do plano Z, se qualquer vizinhança de possui pelo menos um ponto do conjunto A e um ponto que não pertence ao conjunto A. Confira na figura 5. Fig.5ª – O ponto é um ponto de fronteira do conjunto A Fig. 5b – O ponto é um ponto de fronteira do conjunto dos pontos do disco b) Conjunto aberto Um conjunto A de pontos do plano Z é um conjunto aberto se ele não contém nenhum ponto de sua fronteira, como mostra a figura 6. Fig. 6a – O conjunto A é um conjunto aberto Fig. 6b – O disco é um conjunto aberto 72 c) Conjunto fechado Um conjunto A de pontos do plano Z é um conjunto fechado se ele contém todos os pontos de sua fronteira, como mostra a figura 7. Fig. 7a – O conjunto A é um conjunto fechado Fig. 7b – O conjunto dos pontos é um conjunto fechado. Atenção! O conjunto fechado mostrado na figura 7b não é um disco. Vamos determinar e representar vários exemplos de conjuntos de pontos do plano Z. Exemplo 1: Vamos ler a sentença acima: é o conjunto dos números complexos , tais que... o módulo da parte real de é menor ou igual a 3 Eliminando as barras de módulo, concluímos que os números complexos deste conjunto são tais que, todos possuem a parte real no intervalo: é um conjunto fechado: contém todos os pontos da sua fronteira: . A representação gráfica correspondente é exibida na figura 8. 73 Fig.8 – Todos os números complexos localizados na faixa indicada do plano Z possuem , com . Exemplo 2: Vamos ler a sentença acima: é o conjunto dos números complexos , tais que... o módulo de ou, a distância de à origem, pois é maior ou igual a 3 e menor do que 5. Lembrando que é um número complexo qualquer do plano Z, teremos: (números complexos situados sobre a circunferência com centro na origem e raio 3 e fora dela). E, simultaneamente, (números complexos internos à circunferência com centro na origem e raio 5) A representação gráfica do conjunto de números complexos é mostrada na figura 9. 74 Fig.9 – O conjunto dos números complexos descritos por se situam sobre o anel: Exemplo 3: Temos aqui: é o conjunto dos números complexos , tais que... a distância de a é maior ou igual a . Sabemos que: Logo: é o conjunto dos números complexos do plano Z, que se situam sobre a linha da circunferência com centro em e raio e externos a ela, como mostra a figura 10. Fig.10 – é o conjunto de todos os pontos do plano Z, exceto o disco com centro em e raio . Exemplo 4: é o conjunto dos números complexos que possuem parte imaginária positiva. 75 Este conjunto é o semiplano representado na figura 11. Fig.11 – é um conjunto aberto, que não contém o conjunto dos reais. Exemplo 5: A sentença acima significa: é o conjunto dos números complexos tais que... o argumento (principal) do quadrado de cada número deve ter seu valor no intervalo fechado entre e radianos. Devemos determinar quais são esses números complexos através dos valores de . Sendo assim, escreveremos e na forma exponencial: Logo, Portanto, Os números complexos do conjunto estão representados na figura 12. A bissetriz do 1º quadrante e o semieixo vertical (com são as fronteiras deste conjunto 76 Fig. 12 – Os números complexos descritos pelo conjunto . Exemplo 6: Vamos compreender a proposta do conjunto : é a distância entre os números complexos e . é a distância entre os números complexos e . é o conjunto dos números complexos tais que... fique à mesma distância de e de , ou seja, deve ser equidistante de e . Sendo assim, teremos: Elevando os dois lados ao quadrado, simplificando os termos semelhantes, obtemos: Esta é a equação de uma reta no plano Z, que apresentamos na figura 13. Essa reta é o lugar geométrico dos pontos (números complexos) da forma , no plano Z, como e . 77 Fig.13 – A reta é a mediatriz do segmento , formada pelo conjunto dos pontos no plano Z. 2 – Função de variável complexa Considere um conjunto de números complexos e uma lei (ou regra) que associa cada elemento do conjunto a um único número complexo, indicado por: , onde . Como mostra a figura 14: é uma função com domínio O conjunto dos números complexos , obtidos a partir de todos os elementos de , é chamado de conjunto imagem de , através da função . Atenção! Tanto a variável independente , quanto a variável dependente de são, ambas, números complexos. Isso significa que trabalharemos agora com dois planos complexos: o plano Z que contém os números e o plano W, que contém os números . Fig.14 – O conjunto no plano Z, o conjunto no plano W e a função 78 2.1 – O domínio de Exceto se houver especificação explícita, tomaremos como domínio da função o maior conjunto possível de valores de , para os quais as operações propostas por possam ser realizadas. Exemplo 7: Determine o domínio das funções elementares: a) Esta é uma função polinomial de variável complexa, para a qual não existe restrição de operação, para nenhum valor de . Portanto, b) Também aqui o domínio de é todo o plano Z, sem restrições. Atenção! É importante você lembrar que, se tivéssemos a função real , teríamos . c) A função racional algébrica O domínio desta função será todo o plano Z, exceto as raízes do denominador. Temos então: A forma polar de é: Portanto: , com As três raízes são: O domínio da função é: 79 Note que a função real só não está definida para , a única raiz real do denominador. d) Como vimos no exemplo anterior, temos . Observe que a função real possui 2.2 – As partes real e imaginária de Vimos no capítulo 2, que e que e são números reais. Sendo assim, substituindo na expressão analítica de vamos obter: Onde e são funções reais de e denominadas: (parte real de ) (parte imaginária de ) Exemplo 8: Determine a parte real e a parte imaginária das funções indicadas. a) Vamos substituir na função acima. Reordenando as parcelas, escrevemos: E obtemos: e . b) Inicialmente, substituímos na função dada. Para obtermos na forma 80 Devemos multiplicar o numerador e o denominador de pelo conjugado do denominador. Teremos então: A igualdade acima significa que: c) Substituindo em , obtemos: Observamos que E substituímos a fórmula de Euler, estudada no capítulo 2: Reescrevemos como: Efetuando as operações indicadas e lembrando que , obtemos: 81 Reordenando os termos, separamos as partes real e imaginária de : Temos então: 3 - Transformações Vimos na seção 2, que a função estabelece a correspondência entre pontos (números complexos) do plano Z e pontos (números complexos) do plano W (figura 14). Esta correspondência estabelecida entre os dois planos* é usualmente denominada de transformação ou aplicação. *Na função real de variável real, , a correspondência é feita entre duas retas reais: os eixos X e Y situados no mesmo plano, o plano cartesiano. Esta correspondência é estabelecida pela função através dos pontos , que constituem o gráfico de neste plano. A visualização da transformação de conjuntos de pontos do plano Z em conjuntos de pontos do plano W é possível com as representações gráficas de e feitas, simultaneamente, nos respectivos planos Z e W. Exemplo 9: Considere a transformação: a) Escreva na forma Substituindo em , obtemos: Identificamos que: b) Determine o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta . Substituindo , teremos que: 82 Interpretando, por enquanto, geometricamente, dizemos que os pontos da reta , situada no plano Z, foram transformados nos pontos da reta , situada no plano W. Vamos esboçar simultaneamente, na figura 15, os gráficos em seus respectivos planos. Fig. 15 – A reta no plano Z corresponde à reta vertical no plano W. Mas lembre-se! Estes não são planos cartesianos! A reta é o lugar geométrico dos números complexos da forma no plano Z (pois e ). E a reta vertical é o lugar geométrico dos números complexos do plano W, que possuem parte real igual a 3, isto é, (pois e ) Observando agora a transformação de Z W, (do domínio sobre a imagem) na figura 16, vemos que: transformou o conjunto dos números complexos do plano Z, no conjunto dos números complexos do plano W, que possuem parte real igual a 3, isto é, . Vamos verificar isso, escolhendo um número (ou ponto) da reta , ou seja, . Tomemos, por exemplo, . Isso nos fornece o número ou ponto da reta . Substituindo em , obtemos: 83 Genericamente, substituindo em , obtemos: Números complexos com parte real igual 3, . Ainda através da transformação se escolhermos outra reta no plano W, este conjunto de pontos corresponderá a outra reta no plano Z, como veremos na letra c deste exemplo. Fig.16 – Os números sobre a reta se transformaram nos números sobre a reta através de . c) Determine o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta . Obtivemos na letra a que: Substituindo na equação acima, obtemos: A interpretação geométrica nos mostra que os pontos da reta , situada no plano Z, foram transformados nos pontos da reta , situada no plano W. Vamos esboçar simultaneamente, na figura 17, os gráficos em seus respectivos planos. 84 Fig.17 – A reta no plano Z corresponde à reta horizontal no plano W. A reta é o lugar geométrico dos números complexos do plano Z, com a forma . A reta é o lugar geométrico dos números complexos do plano W, que possuem parte imaginária igual a , isto é, . Observando agora a transformação de Z W, na figura 18, vemos que: transformou o conjunto dos números complexos do plano Z, no conjunto dos números do plano W, que possuem parte imaginária igual a 1. Fig.18 – Os números sobre a reta se transformaram nos números sobre a reta através de . 85 Exemplo 10: Considere a transformação: a) Escreva na forma Substituindo , obtemos: Identificamos que: b) Determine o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta . Neste caso temos: A equação acima indica que a reta vertical no plano W é o resultado da transformação dos pontos da hipérbole equilátera do plano Z, através de , como mostra a figura 19. Fig. 19 – Os números complexos situados sobre a hipérbole do plano Z, se transformaram nos números do plano W com parte real igual a 1. De forma geral, podemos afirmar que, na transformação , os pontos ou números complexos sobre uma hipérbole da família , se transforma na respectiva reta vertical , da família de retas correspondente do plano W. Confira a representação gráfica na figura 20. 86 Fig.20 – A família de hipérboles no plano Z e a família de retas do plano W vinculadas entre si pela transformação . c) Determine também o conjunto de pontos do plano Z que se transforma na reta . Identificamos no início deste exemplo que: Substituindo o valor de obtemos: A figura 21 mostra, que o conjunto de números complexos localizados sobre os pontos da função , no plano Z, se transformam nos números complexos do plano W, que têm a parte imaginária igual a 2. Isso significa que os números situados sobre a função são: A transformação fornece: Estes últimos são os números complexos obtidos no plano W nesta transformação. 87 Fig.21 – Os números se transformam em Se quiser, você pode conferir com alguns pontos específicos de Z, obtidos para : Da mesma forma como fizemos na letra b, podemos estender a transformação sobre a família de funções do plano Z: Que são levadas às retas horizontais de W, , como vemos na figura 22. Fig.22 – Cada ponto em Z se transforma no ponto de W. 88 4– Funções Elementares Veremos nesta seção que, funções de uma variável real , podem ser definidas no plano complexo, como funções de uma variável complexa , sendo . 4.1 – Função polinomial Se for inteiro positivo e constantes complexas com , a função polinomial de grau , indicada por é definida em todo o plano complexo. Escrevemos: , Exemplo 11: a) b) 4.2 – Função racional algébrica São funções da forma Onde e são polinômios de . Tais funções são definidas em todos os pontos do plano complexo para os quais . Polo de ordem de uma função racional algébrica Considere uma função racional algébrica . Se com e , teremos: Nas condições acima, dizemos que é um polo de ordem de . O polo de ordem é um dos tipos de singularidades que uma função de variável complexa pode apresentar [2]. A localização dos polos de uma função racional algébrica no plano complexo é uma informação relevante no estudo da estabilidade de um sistema físico. Exemplo 12: 89 Determine e classifique quanto à ordem, os polos de cada uma das funções abaixo: a) As raízes do denominador são: e (veja exemplo 7 – letra c) A função dada pode ser escrita como: possui três polos simples (polos de ordem 1) em : e e . b) Fatorando o denominador, obtemos: Este polinômio de 4º grau possui três raízes distintas: , que é raiz dupla de (observe que ) , que são duas raízes simples de . A função possui um polo de ordem 2 em e dois polos simples em e c) Fatorando o denominador, obtemos: Este polinômio de 6º grau possui duas raízes distintas: (raiz tripla) (raiz tripla) A função possui dois polos de ordem 3 em e . 4.3 – A função exponencial Define-se a função exponencial no plano Z como e esta função se reduz à função usual do cálculo, se tivermos , isto é, se for real. Substituindo e a fórmula de Euler, teremos: 90 O domínio desta função é todo o plano Z. Pode-se provar com auxílio da seção 5.1 do capítulo 2, que permanecem válidas, na análise complexa, as seguintes propriedades para [1]: Observando que Teremos ainda que: e Atenção! A função pode assumir qualquer valor complexo não nulo! Confira essa afirmativa no exemplo a seguir. Exemplo 13: Determine o valor de para os valores de indicados. a) b) c) Este é o valor da função real . d) 91 Obtivemos um valor negativo! Lembre-se que a função real > 0 . e) Obtivemos um valor imaginário puro. 4.4 – Funções trigonométricas básicas Vamos retomar à fórmula de Euler, expressa na equação (22), na seção 4.2 do capítulo II: Adicionando as duas equações, obtemos: Subtraindo agora a segunda equação da primeira, obtemos: As duas relações acima, são definições das funções e , agora escritas como combinações de exponenciais imaginárias. Tais relações nos ajudarão a obter os valores destas funções trigonométricas, que serão estendidas para o plano complexo. Define-se e escritas na forma: Pode-se verificar com auxílio das definições acima, que [2]: e estão definidas em todo o plano complexo Z 92 Propriedades familiares para essas funções, no domínio dos números reais, permanecem inalteradas: a) é uma função par b) é uma função ímpar c) d) e) f) é periódica com período g) é periódica com período Vamos obter agora os valores de e , onde é um número complexo qualquer do plano Z. Como calcular e ? De acordo com as propriedades (d) e ( e)acima teremos: Precisamos obter e : Sabemos que Substituindo e lembrando que obtemos: Como: Escrevemos: Da mesma forma, temos: Substituindo novamente , obtemos: 93 Multiplicando o numerador e o denominador por – , chegamos ao seguinte resultado: Como Concluímos que: Portanto, concluímos que os valores de e são os números complexos: Observação: As funções e estão relacionadas entre si pela relação fundamental: Demonstração: Atenção! Importante! Diferentemente do que ocorre com as funções reais correspondentes, nas quais e , as funções e não são funções limitadas. O quadrado do módulo de é: 94 Substituindo , obtemos: Colocando em evidência: Logo, Utilizando um procedimento semelhante, obtemos também que: Como , concluímos que as funções e podem assumir qualquer valor no plano W, como veremos no exemplo a seguir. Exemplo 14: Determine o valor da função trigonométrica indicada: a) b) c) Obter sendo 95 d) Obter para 4.5 – A função logarítmica Seja um número complexo qualquer do plano Z, escrito na forma exponencial: Onde A função logarítmica no plano W é definida como: Logo: , com é o valor usual da função de variável real , uma vez que temos . assume valores no intervalo – . Observação: 96 Vimos na seção 3 do capítulo II, que podemos também localizar o número adicionando ao ângulo , um número inteiro de voltas completas, expressas como , onde ,etc. Desta forma, teremos a forma exponencial de escrita como: A função logarítmica torna-se: Desta forma, com mais de um argumento para um número complexo , teremos também mais de um valor de para o mesmo número , se utilizarmos diferentes valores de . Entretanto, a definição de função exige que cada valor de deve ser associado a um único valor de , através da operação definida na função logarítmica. Para contornar esse impasse, a análise complexa “desmembra” a função logarítmica em ramos definidos para cada valor de e, consequentemente, para cada valor do argumento de , correspondente. E ainda, cada ramo da função logarítmica é uma função que contém em seu domínio um intervalo de valores do argumento, com extensão de radianos. Desta forma, a função correspondente a um ramo conduz cada número do seu domínio a um único valor de . Ramo principal de O ramo principal de corresponde ao valor de A função correspondente é (valor principal) O respectivo domínio é e – . Outros ramos de Os outros ramos da função correspondem aos demais valores de A função correspondente é O respectivo domínio é e 97 Exemplo 15: a) Ramo de para A função é Domínio: e b) Ramo de para A função é Domínio: e Exemplo 16: Calcule o valor principal da função logarítmica indicada. a) Inicialmente, devemos obter a forma exponencial de Temos então: Logo: b) Escrevendo na forma exponencial: Lembre-se que o ângulo fornecido pela calculadora com valor de não localiza , porque este número se situa no 2º quadrante do plano Z. Obtemos , portanto: c) Temos: 98 A forma exponencial de é . Logo: Observe que, no plano Z, podemos obter o logaritmo de números reais negativos! d) Escrevemos e obtemos: Exemplo 17: Determine de forma que Tomando o logaritmo natural de ambos os lados da equação, obtemos: A forma exponencial de é . Portanto, 99 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BROWN, James. W.; CHURCHILL, Ruel V. Variáveis complexas e aplicações. 9. ed. Porto Alegre: AMGH Editora Ltda., 2015. 2. ÁVILA, Geraldo S. S.. Variáveis complexas e aplicações. Rio de Janeiro: LTC Editora, c1990. 3. CHURCHILL, Ruel V. Variáveis complexas e suas aplicações. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, c1975. 4. SPIEGEL, Murray R. Variáveis complexas: com uma introdução as transformações conformes e suas aplicações : resumo da teoria, 379 problemas resolvidos, 973 problemas. . São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1973. 100 INTRODUÇÃO ÀS FUNÇÕES DE VARIÁVEL COMPLEXA - SÍNTESE 1) Distância entre dois pontos 2) Disco de raio e centro : 3) Plano Z e plano W 4) Função polinomial , com 5) Função racional algébrica 6) Função exponencial 7) Fórmulas de Euler 8) Funções trigonométricas 101 e Função logarítmica Ramo principal de : Outros ramos de : 102 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Descreva e represente graficamente os conjuntos de pontos indicados 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) Identifique o lugar geométrico do plano Z determinado pela sentença indicada. Determine também a forma dos números complexos , que pertencem ao respectivo conjunto. (Se necessário, retorne ao exemplo 6) 10) 11) 12) 13) Dadas as funções abaixo, determine e 14) 15) 16) 17) (Utilize a forma exponencial de e a fórmula de Euler) 103 18) (Utilize a forma exponencial de e a fórmula de Euler) Considere a transformação nos exercícios 19, 20, 21, 22 e 23. 19) Determine para . Represente e . 20) Determine para (use a forma exponencial de i) Represente e . 21) Determine e represente o conjunto dos pontos do plano Z que foram transformados na reta do plano W. 22) Considere o conjunto de pontos da reta do plano Z. Substituindo em , determine e represente o conjunto de pontos obtido no plano W. 23) Observando seus resultados e representações nos exercícios 19 a 22, qual foi a operação geométrica que a transformação realizou sobre um ponto ou sobre um conjunto de pontos do plano Z? Considere a transformação nos exercícios 24 e 25. 24) Determine e represente o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta do plano W. 25) Determine e represente o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta do plano W. Considere a transformação nos exercícios 26 e 27. 26) Determine e represente o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta do plano W. 27) Determine e represente o conjunto de pontos do plano Z que foram transformados na reta do plano W. 28) Considere a transformação . Determine e represente o conjunto dos pontos do plano Z que foram transformados: a) Na reta ; b) Na reta . 29) Considere a transformação . 104 Determine e represente o conjunto dos pontos do plano Z que foram transformados: a) Na reta ; b) Na reta . Determine os valores indicados da função exponencial nos exercícios 30 a 33. 30) 31) 32) 33) Determine os valores das funções trigonométricas indicadas nos exercícios 34 a 37. 34) 35) 36) 37) 38) Sabendo que e Verifique a relação fundamental da trigonometria: Determine os valores indicados da função logarítmica nos exercícios 39 e 40. 39) 40) Determine o valor de nas equações dos exercícios 41 e 42. 41) 105 42) RESPOSTAS 1) Anel com centro em e raio entre 2) Faixa vertical situada entre 3) Faixa horizontal situada entre 4) Área retangular situada entre as retas e 5) Setor situado no intervalo 6) Circunferência com centro em e raio 7) Parábola 8) Mediatriz do segmento entre os pontos e 9) Quadrantes situados entre ou 10) Reta , com 11) Reta , com 12) Hipérbole , com 13) Reta , com 14) 15) 106 16) 17) 18) 19) , no plano W. 20) , no plano W. 21) Reta vertical , no plano Z. 22) Reta vertical , no plano W. 23) Rotação no sentido anti-horário de 24) , no plano Z. 25) , no plano Z. 26) , no plano Z. 27) , no plano Z. 28) Circunferências concêntricas no plano Z, com centro em (0,0) e: a) raio igual a 1; b) raio igual a 3. E ainda, esta é uma função de variável complexa com valores reais, pois temos 29) a) Circunferência com centro em (2,0) e raio 3, no plano Z. b) Reta , no plano Z. 30) 31) 32) 107 33) 34) 35) 36) 37) 38) ------ 39) 40) 41) 42)
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