Esercizi e complementi per il corso di Metodi Matematici per la Fisica Rodolfo Figari e Raffaele Carlone 23 aprile 2013 2 Capitolo 1 Funzioni di variabile complessa 1.1 Numeri complessi Esercizio (1). Semplificare le seguenti espressioni: ? ? (a) p5`iq`ip3´iq; (b) pi` 2qp 2´iq; (c) 1 5 ´ 2i ; (d) . 1`i p5 ` 2iqp1 ` 2iq Esercizio (2). Calcolare il modulo dei numeri complessi: ? 1 1 1 ´ 2i ; (c) . (a) p1 ` iq; (b) pi ` 2q ; (d) p1 ´ iq 1 ` 2i 1`i Esercizio (3). Rappresentare in forma esponenziale e trigonometrica i seguenti numeri complessi 1 1 a) p1 ` iq, b) i 4 , c) , d) p1 ´ 2iqp1 ` iq 1`i Esercizio (4). Calcolare le potenze z 2 , z 6 dei seguenti numeri complessi: 2 1`i a) ? ´ i, b) `1 1´i 3´i 3 4 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA Esercizio (5). Calcolare le radici dei seguenti numeri complessi e rappresentarle nel piano complesso ˆ ˙1{4 ? 1{2 1 a) p1´i 2q , b) p1`iq1{3 , c) , d) pp1 ´ 2iqp1 ` iqq1{5 1`i Esercizio (6). Risolvere le seguenti equazioni e rappresentare le soluzioni nel piano complesso d) z 6 ´ i z 4 ` z 2 ´ i a) z 2 ` 3 i z ` 4, b) z 4 ` i z 2 , c) z z ´ z ´ 41i , Esercizio (7). Se z1 “ 2 ` 4 ı e z2 “ ´3 ` 8 ı trovare, nella forma z “ x ` ı y: z1 (a) z “ z1 ` z2 ; (b) z “ z1 z2 ; (c) z “ . z2 Esercizio (8). Se z “ 2 ´ 3 ı trovare 1 z Esercizio (8). Valutare le potenze di ı: (a) ı8 ; (b) ı11 ; (c) ı42 ; (d) ı106 . ? ? 1 (e) i5 ; (f ) pi ` 2q2 ; (g) 7 ; (h) p2 i ` 5q2 ; i Esercizio (10). Scrivere i seguenti numeri complessi nella forma z “ x ` ı y: (a) 2ı3 ´ 3ı2 ` 5ı; (b) ı11 ; (c) ı42 ; (d) ı106 . 1.1. NUMERI COMPLESSI 5 Esercizio (11). Verificare le seguenti uguaglianze e disuguaglianze i) Re z “ z`z , 2 Im z “ z´z 2ı ii) pz1 ` z2 q “ z1 ` z2 iii) z1 z2 “ z1 z2 iv) ´|z| ď Re z ď |z|, ´|z| ď Im z ď |z| v) |z1 `z2 |2 “ |z1 |2 `|z2 |2 `2 Repz1 z 2 q ď |z1 |2 `|z2 |2 `2|z1 ||z2 | “ p|z1 |`|z2 |q2 vi) |z1 ` z2 | ě ||z1 | ´ |z2 || Esercizio (12). Scrivere il numero complesso nella forma z “ x ` ıy: (a) 2ı3 ´ 3ı2 ` 5ı (b) 3ı5 ´ ı4 ` 7ı3 ´ 10ı2 ´ 9 (c) ıp5 ` 7ıq (d) 5 2 20 ` ´ ı ı ı (e) p3 ` 6ıq ` p4 ´ ıqp3 ` 5ıq ` 1 2´ı Esercizio (13). Sia z “ x ` ıy. Esprimere le seguenti quantità in termini di x ed y: 1 (a) Re ; (b) Re z 2 ; (c) Impz 2 ` z 2 q; (d) Repı zq. z 6 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA Esercizio (14). Verificare che le seguenti equazioni siano soddisfatte dalle soluzioni indicate: ? ? 2 2 2 (a) z ` ı “ 0, z1 “ ´ ` ı (indicare l’altra soluzione) 2 2 (b) z 4 “ ´4, z1 “ 1 ` ı, z2 “ ´1 ` ı (trovare le altre soluzioni) ˇ ˇ ˇ ˇ ´1 ˇ se Esercizio (15). Trovare un limite superiore per: f pzq “ ˇˇ 4 z ´ 5z ` 1 ˇ |z| “ 2 ? Esercizio (16). Esprimere il numero complesso z “ ´ 3 ´ ı in forma polare ? Esercizio (17). Calcolare z 3 per z “ ´ 3 ´ ı in forma polare Esercizio (18). Utilizzando la formula di de Moivre trovare l’espressione di cos p3 θq e di sin p3 θq in funzione di cos θ e di sin θ Esercizio (19). Trovare le radici cubiche di z “ ı Esercizio (20). Rappresentare nel piano complesso i seguenti aperti: (a) Im z ă 0; (b) ´1 ă Re z ă 1; (c) |z| ą 1; (d) 1 ă |z| ă 2; (e) 0 ď π arg z ď . 6 1.1. NUMERI COMPLESSI 7 Esercizio (21). Verificare le seguenti affermazioni (giustificandole) e dove richiesto fornire una soluzione: (a) Repz1 z2 q “ Rez1 Rez2 (b) |x ` ıy| ď |x| ` |y| (c) se z “ ´z allora z è immaginario puro (d) se |z ´ 2| ă 2, allora | arg z| ă π 2 (e) Im eıθ “ sin θ 4ı allora |z| “ ... ´3 ´ 4ı ? (g) il vettore z “ p2 ` 2ıqp 3 ` ıq si trova nel ... quadrante (f ) se z “ Esercizio (22). Si studino le curve z “ zptq indicate in cui a, b ą 0: (a) z “ ea`ı b t con b “ 2π n, n P Z e t P r0, 1s (b) z “ p1 ` ı tq´1 con t P r0, 1s 1 (c) z “ aeı t 2π ` e´ı t 2π con t P r0, 1s a 8 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA 1.2 Funzioni di variabile complessa Esercizio (1). Verificare se e dove le funzioni indicare sono analitiche utilizzando le condizioni di Cauchy-Riemann: (a) f pzq “ piz ` zq z3 ` i z3 ` 3 |z| 4 |z| 4 (b) f pzq “ p1 ` ıqImz 2 se z ‰ 0 ed f p0q “ 0 |z|2 (c) f pzq=z Rez Soluzione. Consideriamo la soluzione per la funzione al punto a). Ricordiamo innanzitutto l’enunciato del teorema: Teorema. Supponiamo che le condizioni di Cauchy-Riemann valgano in un intorno U di un punto z0 per una funzione f pzq “ upx, yq ` ivpx, yq, e suppoBu Bu Bv Bv niamo che le derivate parziali , , , siano continue in U. Allora Bx By Bx By f pzq è analitica nel punto z “ z0 . Innanzitutto riscriviamo la funzione nella forma f pzq “ x3 ´ y 3 x3 ` y 3 ` i “ upx, yq ` i vpx, yq. x2 ` y 2 x2 ` y 2 Consideriamo la seguente retta y “ c x con c un numero reale. Calcoliamo il limite della f pzq per z Ñ 0 lungo la direzione y “ cx. p1 ` iq ´ c3 p1 ´ iq f pzq ´ f p0q “ zÑ0 z p1 ` c2 qp1 ` icq lim La funzione non è analitica intorno all’origine poiché la derivata dipende dalla particolare direzione. Valutiamo ora la stessa situazione con le condizioni di Cauchy-Riemann. Nell’origine si ha che Bu Bv Bu Bv “ “ “´ “1 Bx By By By 1.2. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA 9 In un intorno dell’origine le condizioni di C.R. si riducono a : " " 2 Bx u ´ By v “ 0 x ` 2xy ´ y 2 “ 0 ÝÑ By u ` Bx v “ 0 x2 ´ 2xy ´ y 2 “ 0 e sono soddisfatte solo per px, yq “ p0, 0q. Vediamo cosa accade, in un intorno dell’origine alle derivate parziali. Si consideri, derivata parziale della u: x4 ` 3x2 y 2 ` 2xy 3 Bx u “ px2 ` y 2 q2 2 3 `2c si ha che lungo la direzione y “ c x vale Bx u “ 1`3c e dipendendo dal p1`c2 q2 particolare valore di c viene a dipendere dalla direzione della semiretta lungo cui ci muoviamo partendo dall’origine. La derivata esiste nell’origine ma non è ivi continua. Esercizio (2). Provare che se f è continua in Ω P C aperto, allora le funzioni Re f , Im f , |f |, f n con n “ 2, 3, ... sono continue in Ω. Esercizio (3). Provare che se f e g sono continue in Ω P C aperto, allora le funzioni f ` g, f g sono continue. Esercizio (4). Provare che se la funzione f non è costante nel suo dominio di definizione Ω e assume solo valori reali o solo valori immaginari allora non è olomorfa. Esercizio (5). Provare che se la funzione olomorfa f è tale che |f |, o Re f , o Im f sono costanti nel dominio di olomorfia allora la funzione f è costante. 10 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA Nota. Alcuni autori usano notazioni differenti per la determinazione principale della funzione logaritmo (log) e per la funzione, a molti valori, inversa della funzione ez (Log). Le due definizioni sono le seguenti • log z ” log |z| ` i arg z 0 ă arg z ă 2π definita nel piano complesso privato dell’asse reale positivo. • Log z ” log z ` 2kπi per k P Z intero positivo, negativo o nullo. Ogni valore di k definisce una diversa determinazione del logaritmo nel piano complesso privato dell’asse reale positivo. Le determinazione prinicipale è spesso definita nel piano complesso privato dell’asse reale negativo log z ” log |z| ` i arg z ´ π ă arg z ă π e potrebbe alternativamente essere definita nel piano complesso privato di qualunque semiretta che congiunga l’origine con il punto all’infinito. Esercizio (6). Date le due definizioni calcolare • logp1 ` iq • logp´1 ` iq • log rp1 ` iqp´1 ` iqs Verificare in quale senso va inteso che Logpz wq “ Log z ` Log w controllare che, in tale senso, Logp´zq ` Logp´zq “ Log z ` Log z ma 2Logp´zq ‰ 2Log z 1.3. CALCOLO DI INTEGRALI E DI SOMME DI SERIE 1.3 11 Calcolo di integrali e di somme di serie Esercizio (1). Calcolare il seguente integrale reale utilizzando il teorema dei residui ż8 cospπxq dx 2 2 0 px ` 1q (1.1) Soluzione. Innanzitutto si osservi che la funzione integranda è una funzione pari per cui ż8 ż żR cospπxq cospπxq 1 8 cospπxq 1 dx “ dx “ lim dx 2 2 2 2 2 2 RÑ8 2 ´8 px ` 1q 2 0 px ` 1q ´R px ` 1q Consideriamo la funzione f pzq “ eiπ z pz 2 ` 1q2 ed il cammino di integrazione CR del tipo in figura Utilizzando il teorema dei residui si ha che „ż R ż ÿ eiπ x eiπ z lim dx ` dz “ 2π i Respf pzq, zk q 2 2 2 2 RÑ8 ´R px ` 1q CR pz ` 1q k Nel membro di destra si devono naturalmente considerare solo i poli della funzione f pzq contenuti nel semipiano superiore. Utilizzando il lemma di Jordan, è evidente che il secondo integrale nel membro di sinistra dà contributo nullo nel limite R Ñ 8 e quindi il calcolo dell’integrale si riduce a ˜ ¸ ż8 ÿ cospπxq dx “ Re 2π i Respf pzq, zk q 2 2 0 px ` 1q k 12 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA L’unico polo della funzione f pzq nel semipiano superiore è un polo doppio in z “ i. Calcoliamo d eiπz π i eiπz pz ` iq ´ 2eiπz ´π π ` 1 “ lim “ e zÑi dz pz ` iq2 zÑi pz ` iq3 4i Respf pzq, iq “ lim Il risultato dell’integrale è quindi ż8 cospπxq π dx “ pπ ` 1qe´π 2 2 4 0 px ` 1q Con questo tipo possono calcolare gli integraş8di procedimento şsi 8 li della forma ´8 f pxq cospαxqdx, ´8 f pxq sinpαxqdx con una scelta opportuna del cammino di integrazione, operata in modo tale da sfruttare il lemma di Jordan. Esercizio (2). Calcolare il seguente integrale reale utilizzando il metodo dei residui ż8 1 ? dx xpx ` 1q 0 Soluzione. Dall’analisi della funzione integranda si ha che essa ha un comportamento del tipo x´1{2 in un intorno dell’origine e va come x´3{2 all’infinito. Questo garantisce la convergenza dell’integrale. Per il calcolo estendiamo la funzione integranda al piano complesso 1 f pzq “ ? zpz ` 1q Per rendere monodroma la funzione radice “tagliamo” l’asse reale in modo che non si possa ruotare attorno all’origine. L’asse reale positivo risulterà sdoppiato in un semiasse superiore corrispondente a θ “ 0 ed uno inferiore θ “ 2π. Consideriamo il seguente cammino di integrazione: 1.3. CALCOLO DI INTEGRALI E DI SOMME DI SERIE 13 cammino La funzione integranda all’interno del cammino di integrazione considerato è analitica sia all’interno che sul cammino di integrazione, eccetto che per un polo semplice nel punto z “ ´1 “ eπ i . Si avrà che: ż ż ż ż ¿ ÿ 1 ? “ 2πı Respf pzq, zk q “ ` ` ` dz “ zpz ` 1q AB Cr ED CR k (1.2) 1 C “ 2πıRespf pzq, ´1q Il cammino è dato dalla somma di quattro contributi che occorrerà valutare. Il contributo lungo i due segmenti AB ed ED corrisponde al calcolo di due integrali di variabile reale ma il tratto AB coincide con la parte superiore del semiasse reale positivo (θ “ 0), mentre il cammino ED corrisponde alla parte inferiore del semiasse reale positivo θ “ 2π. Su AB, z “ xei0 , e su ED si ha z “ xep0`2πqi “ xe2π i . żr ż “ ED R pxe2πi q´1{2 2πi e dx “ xe2π i ` 1 żR r x´1{2 dx x`1 e żR ż “ AB r x´1{2 dx x`1 I contributi dei due integrali su Cr e su CR sono facilmente valutabili facendo riferimento ai lemmi del cerchio grande e del cerchio piccolo. Poiché infatti si ha che lim z f pzq “ lim z f pzq “ 0 i due contributi risultano entrambi nulli. zÑ0 zÑ8 14 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA Riassumendo, nel limite r Ñ 0 e R Ñ 8 la (1.2) si riduce a ż8 2 0 1 ? dx “ 2πıRespf pzq, ´1q “ 2π xpx ` 1q Esercizio (3). Calcolare, ˆ dei residui ˙ i seguenti integrali: ż `8 con il metodo cos αx π ´α?2{2 (a) dx, ? e x4 ` 1 2 ´8 ż8 ´ ¯ 2 π sin x dx, (b) 2 x 2 0 Esercizio (4). Calcolare il seguente integrale reale utilizzando il teorema dei residui: ż8 ln x dx I“ 2 2 0 x `a con a parametro reale. 1 è una funzione pari (f p´xq “ x 2 ` a2 f pxq). La funzione logaritmo sappiamo essere una funzione polidroma. Per questo motivo consideriamo il taglio r0, 8q del piano complesso (come in figura) per poter considerare l’estensione della funzione integranda all’intero piano complesso: 1 gpzq “ ln z 2 z ` a2 1 con arg x P r0, 2πs in modo che gpxq “ ln x 2 . x ` a2 Consideriamo quindi il prolungamento al semipiano complesso Imz ą 0 ed il seguente cammino di integrazione1 : Soluzione. Nella funzione integranda 1.3. CALCOLO DI INTEGRALI E DI SOMME DI SERIE ¿ ż gpzq “ ż gpzqdz` I γ 15 Γ “ I Y II Y γpεq Y γpRq ż ż ÿ Resz“zk rgpzqs gpzqdz` gpzqdz` gpzqdz “ 2πı γpRq II con Imzk ą 0 γpεq k żR ż ln x dx 2 2 I ε x `a ż ż ´ε żR ln |x| ` ı π ln x ` ı π gpzqdz “ dx “ dx 2 2 x 2 ` a2 II ´R x ` a ε Per quanto riguarda l’integrale sul cerchio diˇ raggio R osserviamo che cerˇ ˇ 1 ˇ ˇ ď 1 ed in tale insieme la tamente esiste un R0 : |z| ą R0 Ñ ˇˇ 2 2 z `a ˇ |z|2 1 funzione z2 `a2 è limitata. Quindi ˇż ˇ ż ż ż ˇ ˇ 1 π ˇ ˇ gpzqdz ď ˇ gpzqdz ˇ ď |gpzq||dz| ď 2 | ln R ` eı θ |R dθ R γpRq γpRq γpRq 0 ln R 2ı “ π` R R gpzqdz “ 1 in questo caso non vi è alcun problema di polidromia poichè per il cammino scelto l’argomento di z non supera 2π 16 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA Quindi per R Ñ 8 il contributo dell’integrale sul cerchio di raggio R è nullo. In modo del tutto analogo, osservando che la funzione integranda non presenta singolarità nell’origine è semplice (ed analogo) dimostrare che anche l’integrale sul cerchio di raggio ε ha contributo nullo per ε Ñ 0. Quindi nel limite R Ñ 8 e ε Ñ 0 si ha che ż8 0 ln x iπ dx “ πı Resz“ıa rgpzqs ´ 2 2 x `a 2 ż8 0 x2 1 ` a2 L’ultimo integrale del membro di destra può essere calcolato con i residui. ż8 0 x2 1 π “ 2 `a 2 |a| Esercizio (5). Sommare la seguente serie ÿ 1 ppkq k dove ppkq è un polinomio tale che sia : • a coefficienti reali • di grado N ě 2 • con gli zeri non coincidenti con numeri interi sull’asse reale. Dimostrazione. Si consideri la funzione di variabile complessa: f pzq “ π cotpπ zq ppzq dove ppzq è l’estensione al piano complesso della funzione ppkq e consideriamo l’integrale della funzione f pzq lungo il cammino indicato in figura: 1.3. CALCOLO DI INTEGRALI E DI SOMME DI SERIE 17 somma Gli spigoli del quadrato sono scelti in modo tale che i lati del quadrato non intersechino l’asse reale in alcun valore intero ed n è sufficientemente grande da includere nel quadrato tutti gli zeri al finito della funzione ppzq. Le singolarità della funzione f pzq all’interno del cammino saranno dovute agli zeri della funzione sinpπzq coincidenti con k “ 0, ˘1, ˘2, .... e agli zeri della funzione ppzq. ¿ C π cotpπzq dz “ 2π i ppzq « n ÿ k“´n ˆ Res ˙ff ˙ ÿ ˆ r π cotpπzq π cotpπzq ,k ` Res , zpj ppzq ppzq j“1 (1.3) La funzione f pzq è stata scelta in modo tale da restituire ˙ ˆ n n ÿ ÿ 1 π cotpπzq ,k “ Res ppzq ppkq k“´n k“´n Per quanto concerne l’integrale sul bordo abbiamo che ˇ ˇ ˇ¿ ˇ ˇ ˇ ˇ π cotpπzq ˇ ˇ 1 ˇ ˇ ˇC dz ˇˇ ď K sup ˇˇ ˇ ˇ ppzq zPC ppzq ˇ ˇ C ove K è il perimetro del rettangolo e C è una costante tale che | cotpπzq| ă C su ogni rettangolo ed è indipendente dalle dimensioni del rettangolo stesso. Per n Ñ 8 si ha che il contributo lungo il bordo è nullo. 18 CAPITOLO 1. FUNZIONI DI VARIABILE COMPLESSA Per completare la dimostrazione occorre far vedere che | cotpπzq| è limitato su ogni rettangolo da una costante indipendente dallo spigolo L del quadrato Per calcolare la somma della serie 8 ÿ p´1qk ppkq k“´8 si considera un procedimento del tutto analogo ma considerando una funzione π cscpπzq f pzq “ . ppzq Nota (Criteri di sommabilità). Analizziamo condizioni sufficienti affinché una funzione generalmente continua in un intervallo, con un numero finito di discontinuità, sia integrabile. Vale il ben noto criterio del confronto: siano f e g funzioni non negative continue nell’intervallo ra, br, e si abbia che f pxq ď gpxq, @x P ra, br allora se la funzione g è sommarie in tale intervallo anche f sarà sommabile; se f non è sommabile tale sarà anche la g. Analizziamo quindi il caso di una funzione maggiorante notevole. Consideriamo il caso di in un intervallo ra, br. 1 è sommabile se Si verifica che, per qualunque α ą 0 la funzione pb ´ xqα α ă 1, non è sommabile se α ě 1 Consideriamo il caso di in un intervallo ra, 8r. 1 Si verifica che, per qualunque α ą 0 la funzione α è sommabile se α ą 1, x non è sommabile se α ě 1 .