리우빌 정리 (복소해석학)

복소해석학에서, 리우빌 정리(영어: Liouville's theorem)는 복소 평면 위의 유계 정칙 함수상수 함수라는 정리다.

정의편집

리우빌 정리에 따르면, 복소 평면   위의 함수  에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.

증명편집

리우빌 정리는 테일러 급수 전개를 사용해 간단히 증명할 수 있다. 즉, 유계 함수의 경우, 테일러 급수의 계수가 (상수항을 제외하고) 모두 0이어야 한다는 것을 보이면 된다.

상수 함수가 유계 정칙 함수인 것은 자명하다. 반대로, 유계 정칙 함수  가 주어졌다고 하자. 이는 테일러 급수

 

로 나타낼 수 있다. 그렇다면 임의의 양의 실수  에 대하여, 다음과 같은 부등식이 성립한다.

 

 는 임의의 양의 실수이므로,

 

이다. 즉,

 

이며,  상수 함수이다.

따름정리편집

대수학의 기본정리편집

리우빌 정리를 사용해 대수학의 기본 정리를 쉽게 증명할 수 있다.  가 상수가 아닌 다항식이며, 근을 갖지 않는다고 하자.  차 다항식의 경우, 충분히 큰  에 대하여

 

이므로,

 

 를 찾을 수 있다.  는 근을 갖지 않으므로,  는 복소 평면 위의 유계 정칙 함수이다. 따라서, 리우빌 정리에 의하여  는 상수 함수가 되는데, 이는 가정과 모순된다.

극점이 없는 타원 함수의 부재편집

리우빌 정리에 따라서, 극점이 없는 타원 함수는 상수 함수이다. 극점이 없는, 주기가  인 타원 함수는 콤팩트 집합   위에서 최댓값을 가져 유계 함수이므로, 리우빌 정리가 적용된다.

상수 함수가 아닌 복소 평면 위 정칙 함수의 상은 조밀편집

정칙 함수    은 하나의 점만을 포함하거나, 아니면  조밀 집합이다. 이 역시 리우빌 정리로부터 쉽게 증명할 수 있다. 만약 정칙 함수  에 대하여, 모든  에 대하여 항상  라고 하자. 그렇다면

 

는 복소 평면 위의 유계 정칙 함수이므로,  는 상수 함수이다.

일반화편집

피카르의 소정리는 서로 다른 둘 이상의 복소수를 함숫값으로 갖지 않는 모든 전해석 함수는 상수라는 내용이다. 즉 모든 복소수  에 대해  ,  인 서로 다른 두 복소수  가 존재하면  는 반드시 상수이어야 한다. 이 정리는 리우빌 정리를 함의한다.

역사편집

리우빌 정리는 1844년에 오귀스탱 루이 코시가 최초로 증명하였다.[1][2]

1847년에 조제프 리우빌이 극점이 없는 타원 함수상수 함수임을 증명하였다.[3] 이는 오늘날 "리우빌 정리"라고 일컬어지는 결과의 따름정리다.

참고 문헌편집

  1. Cauchy, Augustin-Louis (1844). 〈Mémoires sur les fonctions complémentaires〉. 《Œuvres complètes d’Augustin Cauchy, sér. 1, vol. 8》 (프랑스어). Paris: Gauthiers-Villars (1882에 출판됨). doi:10.1017/CBO9780511702365.055. 
  2. Lützen, Jesper (1990). 《Joseph Liouville 1809–1882: master of pure and applied mathematics》. Studies in the History of Mathematics and Physical Sciences (영어) 15. Springer. ISBN 3-540-97180-7. 
  3. Liouville, Joseph (1879). “Leçons sur les fonctions doublement périodiques faites en 1847 par M. J. Liouville”. 《Journal für die Reine und Angewandte Mathematik》 (프랑스어) 88: 277–310. doi:10.1515/crll.1880.88.277. ISSN 0075-4102. 2012년 7월 11일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 11월 5일에 확인함. 

외부 링크편집