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复分析代考_Complex function代考_The Cauchy Integral Formula for Multiply Connected Domains
In previous chapters we treated the Cauchy integral formula for holomorphic functions defined on holomorphically simply connected (h.s.c.) domains. (In Chapter 4 we discussed the Cauchy formula on an annulus, in order to aid our study of Laurent expansions.] In many contexts we focused our attention on discs and squares. However it is often useful to have an extension of the Cauchy integral theory to multiply connected domains. While this matter is straightforward, it is not trivial. For instance, the holes in the domain may harbor poles or essential singularities of the function being integrated. Thus we need to treat this matter in detail.
The first stage of this process is to notice that the concept of integrating a holomorphic function along a piecewise $C^1$ curve can be extended to apply to continuous curves. The idea of how to do this is simple: We want to define $\oint_\gamma f$, where $\gamma:[a, b] \rightarrow \mathbb{C}$ is a continuous curve and $f$ is holomorphic on a neighborhood of $\gamma([a, b])$. If $a=a_1<a_2<\cdots<a_{k+1}=b$ is a subdivision of $[a, b]$ and if we set $\gamma_i$ to be $\gamma$ restricted to $\left[a_i, a_{i+1}\right]$, then certainly we would require that
$$
\oint_\gamma f=\sum_{i=1}^k \oint_{\gamma_i} f
$$
Suppose further that, for each $i=1, \ldots, k$, the image of $\gamma_i$ is contained in some open $\operatorname{disc} D_i$ on which $f$ is defined and holomorphic. Then we would certainly want to set
$$
\oint_{\gamma_i} f=F_i\left(\gamma_i\left(a_{i+1}\right)\right)-F_i\left(\gamma_i\left(a_i\right)\right)
$$
where $F_i: D_i \rightarrow \mathbb{C}$ is a holomorphic antiderivative for $f$ on $D_i$. Thus $\oint_\gamma f$ would be determined. It is a straightforward if somewhat lengthy matter (Exercise 36) to show that subdivisions of this sort always exist and that the resulting definition of $\oint_\gamma f$ is independent of the particular such subdivision used. This definition of integration along continuous curves enables us to use, for instance, the concept of index for continuous closed curves in the discussion that follows. [We take continuity to be part of the definition of the word “curve” from now on, so that “closed curve” means continuous closed curve, and so forth.] This extension to continuous, closed curves is important: A homotopy can be thought of as a continuous family of curves, but these need not be in general piecewise $C^1$ curves, and it would be awkward to restrict the homotopy concept to families of piecewise $C^1$ curves.
复分析代考_Complex function代考_Holomorphic Simple Connectivity
In Section $6.7$ we proved that if a proper subset $U$ of the complex plane is holomorphically (analytically) simply connected, then it is conformally equivalent to the unit disc. At that time we promised to relate holomorphic simple connectivity to some more geometric notion. This is the purpose of the present section.
It is plain that if a domain is holomorphically simply connected, then it is (topologically) simply connected. For the hypothesis implies (by the analytic form of the Riemann mapping theorem, Theorem 6.6.3) that the domain is either conformally equivalent to the disc or to $\mathbb{C}$. Hence it is certainly topologically equivalent to the disc. Therefore it is simply connected in the topological sense.
For the converse direction, we notice that if a domain $U$ is (topologically) simply connected, then simple modifications of ideas that we have already studied show that any holomorphic function on $U$ has an antiderivative: Suppose that $f: U \rightarrow \mathbb{C}$ is holomorphic. Choose a point $P \in U$. If $\gamma_1, \gamma_2$ are two piecewise $C^1$ curves from $P$ to another point $Q$ in $U$, then $\oint_{\gamma_1} f(z) d z=\oint_{\gamma_2} f(z) d z$. This equality follows from applying Corollary 11.2.5 to the (closed) curve made up of $\gamma_1$ followed by ” $\gamma_2$ backwards” (this curve is homotopic to a constant, since $U$ is simply connected). Define $F(Q)=\oint_\gamma f(z) d z$ for any curve $\gamma$ from $P$ to $Q$. It follows, as in the proof of Morera’s theorem (Theorem 3.1.4), that $F$ is holomorphic and $F^{\prime}=f$ on $U$.
Thus one has the chain of implications for a domain $U \subset \mathbb{C}$ but unequal to $\mathbb{C}$ : homeomorphism to the $\operatorname{disc} D \Rightarrow$ (topological) simple connectivity $\Rightarrow$ holomorphic simple connectivity $\Rightarrow$ conformal equivalence to the disc $D$ $\Rightarrow$ homeomorphism to the disc $D$, so that all these properties are logically equivalent to each other. [Note: It is surprisingly hard to prove that “simple connectivity” $\Rightarrow$ “homeomorphism to $D$ ” without using complex analytic methods.] This in particular proves Theorem 6.4.2 and also establishes the following assertion, which is the result usually called the Riemann mapping theorem: Theorem 11.3.1 (Riemann mapping theorem). If $U$ is a connected, simply connected open subset of $\mathbb{C}$, then either $U=\mathbb{C}$ or $U$ is conformally equivalent to the unit disc $D$.

复分析代考
复分析代考_Complex function代考_The Cauchy Integral Formula for Multiply Connected Domains
在前面的章节中,我们处理了定义在全纯单连通 (hsc) 域上的全纯函数的柯西积分公式。(在第 4 章 中,我们讨论了圆环上的柯西公式,以帮助我们研究洛朗展开。]在许多情况下,我们将注意力集中在圆 盘和正方形上。然而,柯西积分理论的扩展通常很有用乘连通域。虽然这件事很简单,但它不是微不足 道的。例如,域中的孔可能包含极点或正在集成的函数的本质奇点。因此我们需要详细处理这个问题。
这个过程的第一步是注意到沿分段积分全纯函数的概念 $C^1$ curve 可以扩展以应用于连续曲线。如何做到 这一点的想法很简单: 我们想要定义 $\oint_\gamma f$ ,在哪里 $\gamma:[a, b] \rightarrow \mathbb{C}$ 是 条连续曲线,并且 $f$ 在的邻域上是 全纯的 $\gamma([a, b])$. 如果 $a=a_1<a_2<\cdots<a_{k+1}=b$ 是的细分 $[a, b]$ 如果我们设置 $\gamma_i$ 成为 $\gamma$ 受限于 $\left[a_i, a_{i+1}\right]$ ,那么我们当然会要求
$$
\oint_\gamma f=\sum_{i=1}^k \oint_{\gamma_i} f
$$
进一步假设,对于每个 $i=1, \ldots, k$ ,图像 $\gamma_i$ 包含在一些开放的disc $D_i$ 在哪个 $f$ 是定义的并且是全纯的。 那么我们当然要设置
$$
\oint_{\gamma_i} f=F_i\left(\gamma_i\left(a_{i+1}\right)\right)-F_i\left(\gamma_i\left(a_i\right)\right)
$$
在哪里 $F_i: D_i \rightarrow \mathbb{C}$ 是一个全纯反导数 $f$ 上 $D_i$. 因此 $\oint_\gamma f$ 将被确定。这是一个简单但有点写长的问题 (练 习36) 来证明这种细分总是存在的,并且由此产生的定义 $\oint_\gamma f$ 独立于所使用的特定细分。这种沿连续曲 线积分的定义使我们能够在接下来的讨论中使用例如连续闭合曲线的指数概念。[从现在开始,我们将连 续性作为“曲线”一词定义的一部分,因此“闭合曲线”表示连续闭合曲线,等等。]这种对连续闭合曲线的 扩展很重要: 同伦可以是被认为是连续的曲线族,但这些通常不需要分段 $C^1$ 曲线,并且将同伦概念限制 在分段族中会很尷尬 $C^1$ 曲线。
复分析代考_Complex function代考_Holomorphic Simple Connectivity
在节 $6.7$ 我们证明了如果一个适当的子集 $U$ 复平面的 是全纯(解析) 单连通的,那么它共形等价于单位 囷盘。那时我们承诺将全纯简单连通性与一些更几何的概念联系起来。这就是本节的目的。
很明显,如果一个域是全纯单连通的,那么它就是(拓扑) 单连通的。因为假设暗示 (通过黎曼映射定 理的解析形式,定理 6.6.3) 域要么共形等价于圆盘要么 $\mathbb{C}$. 因此它在拓扑上肯定等价于圆盘。因此它在 拓扑意义上是简单连通的。
对于相反的方向,我们注意到如果域 $U$ 是(拓扑) 单连通的,那么我们已经研究过的想法的简单修改表 明任何全纯函数 $U$ 有一个反导数:假设 $f: U \rightarrow \mathbb{C}$ 是全纯的。选择一个点 $P \in U$. 如果 $\gamma_1, \gamma_2$ 是两个分段 $C^1$ 曲线来自 $P$ 到另一点 $Q$ 在 $U$ ,然后 $\oint_{\gamma_1} f(z) d z=\oint_{\gamma_2} f(z) d z$. 这个等式来自将推论 $11.2 .5$ 应用于由以 下组成的 (闭合) 曲线 $\gamma_1$ 其次是 ” $\gamma_2$ 向后” (这条曲线同伦于一个常数,因为 $U$ 是简单连接的) 。定义 $F(Q)=\oint_\gamma f(z) d z$ 对于任何曲线 $\gamma$ 从 $P$ 至 $Q$. 由此得出,如 Morera 定理(定理 3.1.4) 的证明,即 $F$ 是 全纯的并且 $F^{\prime}=f$ 上 $U$.
因此,一个人对一个领域有影响链 $U \subset \mathbb{C}$ 但不等于 $\mathbb{C}$ : 同胚到 $\operatorname{disc} D \Rightarrow$ (拓扑) 简单连通性 $\Rightarrow$ 全纯单连 通性 $\Rightarrow$ 圆盘保形等价 $D \Rightarrow$ 圆盘同胚 $D$ ,所以所有这些属性在逻辑上都是等价的。[注:要证明”简单连通 性”是出奇地困难 $\Rightarrow$ “同胚到 $D^{\prime \prime}$ 而无需使用复杂的解析方法。] 这特别证明了定理 6.4.2 并且还建立了以下 断言,这就是通常称为黎曼映射定理的结果:定理 $11.3 .1$ (黎鄤映射定理)。如果 $U$ 是一个连接的,简 单连接的开放子集 $\mathbb{C}$ ,那么要么 $U=\mathbb{C}$ 或者 $U$ 共形等价于单位圆盘 $D$.

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