37  Sıfırlar ve Kutuplar

Bir bölümün kutupları, paydanın sıfırlarından doğar. Bu bölümde önce sıfırların yapısını inceleyecek, sonra “\(m\)-inci mertebeden sıfır \(\Rightarrow\) \(m\)-inci mertebeden kutup” köprüsünü kuracağız. Sonunda basit kutuplar için, hesabı tek bir türev almaya indiren zarif bir formül elde edeceğiz.

37.1 Analitik Fonksiyonların Sıfırları

Tanım 37.1 (m-inci Mertebeden Sıfır) \(f\), \(z_0\)’da analitik olsun. Bir \(m\) doğal sayısı için \(f(z_0) = f'(z_0) = \cdots = f^{(m-1)}(z_0) = 0\) ve \(f^{(m)}(z_0) \neq 0\) ise, \(f\)’nin \(z_0\)’da \(m\)-inci mertebeden bir sıfırı vardır denir.

Teorem 37.1 (Sıfırların Karakterizasyonu) \(f\), \(z_0\)’da analitik olsun. \(f\)’nin \(z_0\)’da \(m\)-inci mertebeden bir sıfırı vardır ancak ve ancak \(z_0\)’da analitik ve sıfırdan farklı bir \(g\) fonksiyonu için

\[f(z) = (z - z_0)^m\,g(z) \tag{1}\]

yazılabiliyorsa.

İspat

(\(\Leftarrow\)) \((1)\) sağlansın. \(g\), \(z_0\)’da analitik olduğundan bir \(|z - z_0| < \varepsilon\) komşuluğunda Taylor serisine sahiptir; \((1)\)’de yerine konursa

\[f(z) = g(z_0)(z - z_0)^m + \frac{g'(z_0)}{1!}(z - z_0)^{m+1} + \frac{g''(z_0)}{2!}(z-z_0)^{m+2} + \cdots\]

Bu, \(f\) için bir Taylor açılımıdır; tekliğinden katsayılar okunur:

\[f(z_0) = f'(z_0) = \cdots = f^{(m-1)}(z_0) = 0, \qquad f^{(m)}(z_0) = m!\,g(z_0) \neq 0\]

(\(\Rightarrow\)) \(f\)’nin \(z_0\)’da \(m\)-inci mertebeden sıfırı olsun. Taylor açılımının ilk \(m\) katsayısı sıfırdır:

\[f(z) = \sum_{n=m}^{\infty} \frac{f^{(n)}(z_0)}{n!}(z - z_0)^n = (z - z_0)^m\left[\frac{f^{(m)}(z_0)}{m!} + \frac{f^{(m+1)}(z_0)}{(m+1)!}(z - z_0) + \cdots\right]\]

Köşeli parantez içindeki kuvvet serisi \(|z - z_0| < \varepsilon\)’da yakınsadığından toplamı orada analitiktir; bu toplamı \(g(z)\) olarak adlandırırsak \((1)\) elde edilir ve

\[g(z_0) = \frac{f^{(m)}(z_0)}{m!} \neq 0\]

\(\blacksquare\)

Örnek 37.1 (Polinomun Sıfırı) \(f(z) = z^3 - 8 = (z - 2)(z^2 + 2z + 4)\) polinomunun \(z_0 = 2\)’de birinci mertebeden bir sıfırı vardır: \((1)\) gösteriminde \(g(z) = z^2 + 2z + 4\) tamdır ve \(g(2) = 12 \neq 0\)’dır. Aynı sonuç türevlerden de okunur: \(f(2) = 0\) ve \(f'(2) = 12 \neq 0\).

Örnek 37.2 (İkinci Mertebeden Sıfır) \(f(z) = z\big(e^z - 1\big)\) tam fonksiyonunun \(z_0 = 0\)’da ikinci mertebeden bir sıfırı vardır:

\[f(0) = 0, \qquad f'(0) = 0, \qquad f''(0) = 2 \neq 0\]

\((1)\) gösteriminde \(f(z) = (z - 0)^2 g(z)\) olur; burada

\[g(z) = \begin{cases} \dfrac{e^z - 1}{z}, & z \neq 0 \\[2mm] 1, & z = 0 \end{cases}\]

tam fonksiyonudur (kuvvet serileriyle işlemler bölümünde tamlığı gösterilmişti).

37.2 Sıfırlar Ayrıktır

Teorem 37.2 (Sıfırların Ayrıklığı) \(f\), \(z_0\)’da analitik ve \(f(z_0) = 0\) olsun. \(f\), \(z_0\)’ın hiçbir komşuluğunda özdeş olarak sıfır değilse, \(z_0\)’ın delinmiş bir \(0 < |z - z_0| < \varepsilon\) komşuluğunda \(f(z) \neq 0\)’dır.

İspat

\(f\)’nin \(z_0\)’daki türevlerinin tümü sıfır olsaydı, Taylor katsayılarının tümü sıfır olurdu ve \(f\), \(z_0\)’ın bir komşuluğunda özdeş sıfır olurdu — hipoteze aykırı. Demek ki sonlu bir \(m\) mertebesi vardır ve Teorem 37.1 gereği

\[f(z) = (z - z_0)^m g(z), \qquad g(z_0) \neq 0\]

\(g\), \(z_0\)’da analitik olduğundan süreklidir; sıfırdan uzak kalma özelliğiyle \(g(z) \neq 0\) olan bir \(|z - z_0| < \varepsilon\) komşuluğu vardır. Bu komşulukta \((z - z_0)^m\) çarpanı da yalnız \(z_0\)’da sıfırlanır; sonuç olarak delinmiş komşulukta \(f(z) \neq 0\)’dır.

\(\blacksquare\)

Bu teorem, tek türlü belirlenme bölümünde ödünç aldığımız “yerel gerçeği” gerekçelendirir ve şu güçlü sonucu verir:

Teorem 37.3 (Bir Doğru Parçasında Sıfırlanmak) \(f\), \(z_0\)’ın bir \(N_0\) komşuluğunda analitik olsun. \(z_0\)’ı içeren bir \(D\) domeninin ya da bir \(L\) doğru parçasının her noktasında \(f(z) = 0\) ise, \(f\) tüm \(N_0\) boyunca özdeş olarak sıfırdır.

Re Im z₀ L: f = 0 N: f ≡ 0 N₀: f analitik Taylor katsayıları sıfır ⇒ tüm N₀'da f ≡ 0
İki adımlı yayılma: f, z0'dan geçen L parçasında sıfırsa sıfırların ayrıklığı gereği küçük N diskinin tamamında sıfırdır; o zaman z0'daki bütün türevler, dolayısıyla tüm Taylor katsayıları sıfırdır ve seri f'yi büyük N0 diskinin tamamında temsil ettiğinden orada da f ≡ 0 olur.
İspat

Aksi hâlde Teorem 37.2 gereği \(z_0\)’ın, her yerinde \(f(z) \neq 0\) olan delinmiş bir komşuluğu bulunurdu; bu ise \(D\) (ya da \(L\)) üzerinde \(f\)’nin sıfırlanmasıyla çelişir. Demek ki \(f\), \(z_0\)’ın bir \(N\) komşuluğunda özdeş sıfırdır. O zaman Taylor katsayılarının tümü

\[a_n = \frac{f^{(n)}(z_0)}{n!} = 0\]

olur ve seri \(N_0\)’ın tamamında \(f\)’yi temsil ettiğinden \(f \equiv 0\)’dır.

\(\blacksquare\)

37.3 Sıfırlardan Kutuplara

Teorem 37.4 (Sıfırlar Kutup Üretir) \(p\) ve \(q\) fonksiyonları \(z_0\)’da analitik olsun. \(p(z_0) \neq 0\) ve \(q\)’nun \(z_0\)’da \(m\)-inci mertebeden bir sıfırı varsa, \(\dfrac{p(z)}{q(z)}\) bölümünün \(z_0\)’da \(m\)-inci mertebeden bir kutbu vardır.

İspat

\(q\)’nun \(z_0\)’da sıfırı olduğundan Teorem 37.2 gereği \(z_0\)’ın delinmiş bir komşuluğunda \(q(z) \neq 0\)’dır; yani \(z_0\), bölümün ayrık tekil noktasıdır. Teorem 37.1 ise

\[q(z) = (z - z_0)^m g(z), \qquad g(z_0) \neq 0\]

verir. Böylece

\[\frac{p(z)}{q(z)} = \frac{\varphi(z)}{(z - z_0)^m}, \qquad \varphi(z) = \frac{p(z)}{g(z)} \tag{2}\]

\(\varphi\), \(z_0\)’da analitik ve \(\varphi(z_0) \neq 0\) olduğundan kutup karakterizasyonu gereği \(z_0\), \(m\)-inci mertebeden bir kutuptur.

\(\blacksquare\)

Örnek 37.3 (İkinci Mertebeden Kutup) \(p(z) = 1\) ve \(q(z) = z(e^z - 1)\) alalım. Örnek 37.2’de \(q\)’nun orijinde ikinci mertebeden sıfırı olduğu görülmüştü; Teorem 37.4 gereği

\[\frac{1}{z\big(e^z - 1\big)}\]

fonksiyonunun orijinde ikinci mertebeden bir kutbu vardır. Önceki bölümde aynı sonuca seri hesabıyla ulaşmıştık.

37.4 Basit Kutuplar İçin Rezidü Formülü

Teorem 37.5 (p/q’ Formülü) \(p\) ve \(q\), \(z_0\)’da analitik olsun. Eğer

\[p(z_0) \neq 0, \qquad q(z_0) = 0, \qquad q'(z_0) \neq 0\]

ise \(z_0\), \(\dfrac{p(z)}{q(z)}\) bölümünün bir basit kutbudur ve

\[\operatorname*{Rez}_{z = z_0} \frac{p(z)}{q(z)} = \frac{p(z_0)}{q'(z_0)} \tag{3}\]

İspat

Koşullar, \(q\)’nun \(z_0\)’da \(m = 1\) mertebeden sıfırı olduğunu söyler; Teorem 37.4 gereği \(z_0\) bir basit kutuptur. Teorem 37.1 ile

\[q(z) = (z - z_0)\,g(z), \qquad g(z_0) \neq 0 \tag{4}\]

\((2)\) gösterimi \(m = 1\) için \(\varphi(z) = \dfrac{p(z)}{g(z)}\) verir ve basit kutup rezidü formülü uygulanır:

\[\operatorname*{Rez}_{z = z_0} \frac{p(z)}{q(z)} = \varphi(z_0) = \frac{p(z_0)}{g(z_0)}\]

Son olarak \((4)\) türetilip \(z = z_0\) konursa \(q'(z_0) = g(z_0)\) çıkar; yerine yazıldığında \((3)\) elde edilir.

\(\blacksquare\)

İpucuNeden bu kadar pratik?

\((3)\) formülü, paydayı çarpanlara ayırmayı ya da Laurent serisi yazmayı gereksiz kılar: payda bir kez türetilir, hepsi bu. Özellikle \(\sin z\), \(\cos z\), \(e^z - 1\) gibi transandant paydalarda — çarpanlara ayırmanın mümkün olmadığı durumlarda — tek pratik yol budur.

37.5 Çözümlü Uygulamalar

Örnek 37.4 (Kotanjantın Tüm Rezidüleri) \(f(z) = \cot z = \dfrac{\cos z}{\sin z}\) fonksiyonunun tekil noktalarını ve rezidülerini bulunuz.

Çözüm

Tekil noktalar, paydanın sıfırlarıdır: \(z = n\pi\) \((n = 0, \pm 1, \pm 2, \dots)\). \(p(z) = \cos z\) ve \(q(z) = \sin z\) için

\[p(n\pi) = (-1)^n \neq 0, \qquad q(n\pi) = 0, \qquad q'(n\pi) = \cos n\pi = (-1)^n \neq 0\]

Her biri basit kutuptur ve \((3)\) formülüyle

\[B_n = \frac{p(n\pi)}{q'(n\pi)} = \frac{(-1)^n}{(-1)^n} = 1\]

Sonsuz çoklukta tekil noktanın rezidüsü tek hamlede bulundu.

\(\blacksquare\)

Örnek 37.5 (tanh z / z² Rezidüsü) \(f(z) = \dfrac{\tanh z}{z^2} = \dfrac{\sinh z}{z^2 \cosh z}\) fonksiyonunun \(z = \dfrac{\pi i}{2}\) noktasındaki rezidüsünü bulunuz.

Çözüm

\(z = \pi i/2\) noktası \(\cosh z\)’nin bir sıfırıdır. \(p(z) = \sinh z\) ve \(q(z) = z^2\cosh z\) alalım:

\[p\!\left(\frac{\pi i}{2}\right) = \sinh\frac{\pi i}{2} = i\sin\frac{\pi}{2} = i \neq 0\]

\[q\!\left(\frac{\pi i}{2}\right) = 0, \qquad q'(z) = 2z\cosh z + z^2 \sinh z\]

\[q'\!\left(\frac{\pi i}{2}\right) = \left(\frac{\pi i}{2}\right)^2 \sinh\frac{\pi i}{2} = -\frac{\pi^2}{4}\,i \neq 0\]

(İlk terim \(\cosh(\pi i/2) = 0\) olduğu için düştü.) Basit kutuptur ve

\[B = \frac{p(\pi i/2)}{q'(\pi i/2)} = \frac{i}{-\dfrac{\pi^2}{4}i} = -\frac{4}{\pi^2}\]

\(\blacksquare\)

Örnek 37.6 (Dördüncü Dereceden Paydada) \(f(z) = \dfrac{z}{z^4 + 4}\) fonksiyonunun \(z_0 = \sqrt{2}\,e^{i\pi/4} = 1 + i\) noktasındaki rezidüsünü bulunuz.

Re Im z₀ = 1 + i = √2·eiπ/4 −1 + i −1 − i 1 − i π/4 |z| = √2
z⁴ + 4 = 0 denkleminin dört kökü |z| = √2 çemberi üzerinde 90° aralıklarla dizilir; hepsi z/(z⁴ + 4) için basit kutuptur. z0 = 1 + i bunlardan açısı π/4 olanıdır; diğerleri i ile çarpılarak (90° döndürülerek) elde edilir.
Çözüm

\(z_0\), \(z^4 + 4\) polinomunun bir sıfırıdır. \(p(z) = z\) ve \(q(z) = z^4 + 4\) için

\[p(z_0) = z_0 \neq 0, \qquad q(z_0) = 0, \qquad q'(z_0) = 4z_0^3 \neq 0\]

Basit kutuptur ve

\[B_0 = \frac{z_0}{4z_0^3} = \frac{1}{4z_0^2} = \frac{1}{4(1+i)^2} = \frac{1}{8i} = -\frac{i}{8}\]

Kutup karakterizasyon teoremiyle de bulunabilirdi, ama \(\varphi\) fonksiyonunu kurmak için paydayı dört lineer çarpana ayırmak gerekirdi — bu yol çok daha kısadır.

\(\blacksquare\)

UyarıYüksek mertebeler için formül yok

\((3)\) formülü yalnızca basit kutuplar içindir. Daha yüksek mertebeler için benzer formüller yazılabilir, ancak uzundurlar ve pratikte kullanışlı değildirler; o durumlarda kutup karakterizasyon teoremi veya doğrudan Laurent açılımı tercih edilir.

37.6 Alıştırma

Alıştırma 37.1 (Sıfır ve Kutup Alıştırmaları)  

  1. \(\dfrac{z}{\sin z}\) fonksiyonunun \(z = 0\)’daki tekilliğinin kaldırılabilir olduğunu gösteriniz.

  2. \(\dfrac{e^z}{z^2 + \pi^2}\) fonksiyonunun \(z = \pi i\)’deki rezidüsünü \((3)\) formülüyle hesaplayınız.

  3. \(\dfrac{1}{\cos z}\) fonksiyonunun tekil noktalarını ve her birindeki rezidüyü bulunuz.

  4. \(\dfrac{z^{1/4}}{z+1}\) \(\big(r > 0,\ 0 < \theta < 2\pi\big)\) dalı için \(z = -1\)’deki rezidüyü hesaplayınız.

Çözüm

a) Payda \(\sin z\)’nin \(z = 0\)’daki sıfırı basittir: \(\sin 0 = 0\) ama \(\cos 0 = 1 \neq 0\)’dır. Pay olan \(z\) fonksiyonunun da \(z = 0\)’da basit sıfırı vardır. Aynı mertebeden iki sıfır bölümde birbirini götürür; bunu açılımla görelim:

\[\frac{z}{\sin z} = \frac{z}{z - \dfrac{z^3}{6} + \cdots} = \frac{1}{1 - \dfrac{z^2}{6} + \cdots}\]

Sağ taraf \(z = 0\)’da tanımlı ve analitiktir; limit sonludur:

\[\lim_{z \to 0}\frac{z}{\sin z} = 1\]

Sonlu limit, tekilliğin kaldırılabilir olduğunu söyler: \(f(0) = 1\) tanımlanırsa fonksiyon \(|z| < \pi\) diskinde analitik olur.

b) Paydayı \(q(z) = z^2 + \pi^2\) yazalım. \(q(\pi i) = -\pi^2 + \pi^2 = 0\) ve \(q'(\pi i) = 2\pi i \neq 0\) olduğundan \(z = \pi i\), paydanın basit sıfırıdır; pay \(p(z) = e^z\) orada sıfırdan farklıdır. Basit kutuplar için \(p/q'\) formülü uygulanır:

\[\operatorname{Rez}_{z=\pi i}\frac{e^z}{z^2+\pi^2} = \frac{p(\pi i)}{q'(\pi i)} = \frac{e^{\pi i}}{2\pi i} = \frac{-1}{2\pi i}\]

Sonucu sadeleştirelim; \(\dfrac{1}{i} = -i\) olduğundan

\[\frac{-1}{2\pi i} = \frac{-1}{2\pi}\cdot\frac{1}{i} = \frac{-1}{2\pi}(-i) = \frac{i}{2\pi}\]

c) Tekil noktalar paydanın sıfırlarıdır. Kompleks kosinüsün sıfırları reel eksendekilerle aynıdır:

\[\cos z = 0 \iff z = \frac{\pi}{2} + n\pi \qquad (n = 0, \pm 1, \pm 2, \dots)\]

Bu noktalarda \(q'(z) = -\sin z\) değeri sıfırdan farklıdır (\(\sin\) ile \(\cos\) ortak sıfıra sahip olamaz), dolayısıyla hepsi basit kutuptur. \(p \equiv 1\) ile

\[\operatorname{Rez}_{z = \frac{\pi}{2}+n\pi}\frac{1}{\cos z} = \frac{1}{-\sin\left(\dfrac{\pi}{2} + n\pi\right)}\]

Payda değerini hesaplayalım: \(\sin\left(\frac{\pi}{2} + n\pi\right) = \cos(n\pi) = (-1)^n\). Böylece

\[\operatorname{Rez} = \frac{1}{-(-1)^n} = (-1)^{n+1}\]

Rezidüler ardışık kutuplarda işaret değiştirir: \(z = \pi/2\)’de \(-1\), \(z = 3\pi/2\)’de \(+1\), \(z = 5\pi/2\)’de \(-1\), \(\dots\)

d) Verilen dalda \(z^{1/4} = \sqrt[4]{r}\,e^{i\theta/4}\) \((0 < \theta < 2\pi)\) fonksiyonu, \(z = -1\) noktasının bir komşuluğunda analitiktir (kesim pozitif reel eksendedir, \(-1\) oradan uzaktır). Fonksiyon \(\dfrac{\varphi(z)}{z+1}\) biçimindedir ve \(\varphi(z) = z^{1/4}\) olduğundan \(z = -1\) basit kutuptur; rezidü \(\varphi(-1)\)’dir.

Re Im z = −1 z1/4 burada analitik θ = π θ/4 = π/4 φ(−1) = eiπ/4 dal kesimi (θ = 0 ve 2π)
Kesim pozitif reel eksende olduğundan z = −1'in açısı bu dalda θ = π'dir (kesimden saat yönünün tersine yarım tur); −π seçilemez. Dal z = −1 civarında analitiktir, rezidü φ(−1) = eiπ/4 = (1 + i)/√2 değeridir (şekilde aynı düzlemde gösterilmiştir).

\(z = -1\) için seçilen dalda \(r = 1\) ve \(\theta = \pi\)’dir:

\[\varphi(-1) = \sqrt[4]{1}\,e^{i\pi/4} = \cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4} = \frac{1 + i}{\sqrt{2}}\]

Dalın seçimi sonucu değiştirir: \(\theta\) aralığı \(2\pi < \theta < 4\pi\) olan dalda \(\theta = 3\pi\) alınır ve rezidü \(e^{i3\pi/4}\) olurdu.

\(\blacksquare\)

Üç tekillik tipini tanıdık ve rezidüleri hesaplamayı öğrendik. Sınıflandırmayı tamamlamak için son bir soru kalıyor: fonksiyon, her tip tekil noktaya yaklaşırken nasıl davranır? Tekil noktalarda davranış.