2 votos

Demostración del teorema de Taylor con derivadas de Wirtinger (coordenadas complejas)

Supongamos que $f$ definido en $D_1(0)$ es infinitamente diferenciable. Demuestre que para cada $n \in \mathbb{N}$ tenemos \begin {equation*} f(z, \bar {z}) = \sum\limits_ {0 \leq j + k \leq n} \frac { \partial_z ^j \partial_ { \bar {z}}^kf(0,0) }{j!k!}z^j \bar {z}^k + \mathcal {O}(|z|^{n+1}). \end {equation*}

He intentado expandir el teorema de Taylor para los reales para obtener este resultado, pero todo lo que he intentado me ha salido mal. Estoy seguro de que hay una manera elegante de hacer esto que no estoy viendo. Este es un problema de tarea, así que siéntanse libres de dar soluciones parciales/consejos si lo prefieren.

Edición: Mi punto de partida era que lo sabemos: \begin {equation*} f(x,y) = \sum\limits_ {0 \leq j + k \leq n} \frac { \partial_x ^j \partial_ {y}^kf(0,0) }{j!k!}x^jy^k + \mathcal {O}( \sqrt {x^2 + y^2}^{n+1}). \end {equation*} del teorema de Taylor para dos variables. Es probable que se pueda obtener una a partir de la otra por el método extremadamente feo y de fuerza bruta de sustituir en $z = x + iy,~\bar{z} = x - iy$ y $\partial_z = \frac{1}{2}(\partial_x - i\partial_y),~\partial_{\bar{z}} = \frac{1}{2}(\partial_x + i\partial_y)$ . Mi instinto me dice que debe haber una forma mejor de resolver este problema que esa. Pero no puedo entenderlo. Cualquier ayuda sería muy apreciada.

2voto

MrTuttle Puntos 1116

Partiendo de la fórmula de Taylor para funciones de una variable real,

$$g(x) = \sum_{k=0}^n \frac{g^{(k)}(0)}{k!}x^k + \frac{1}{n!}\int_0^x (x-t)^n \cdot g^{(n+1)}(t)\,dt,$$

podemos obtener el resultado considerando $g_\varphi(r) = f(re^{i\varphi},re^{-i\varphi})$ y expresando las derivadas de $g_\varphi$ en términos de las derivadas de Wirtinger de $f$ .

Inductivamente, tenemos

$$\begin{align} g_\varphi^{(k+1)}(t) &= \frac{\partial}{\partial t} g_\varphi^{(k)}(t)\\ &= \frac{\partial}{\partial t} \sum_{m=0}^k \binom{k}{m} \partial_z^m\partial_{\overline{z}}^{k-m}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})e^{im\varphi}e^{-i(k-m)\varphi}\\ &= \sum_{m=0}^k \binom{k}{m} \partial_z^{m+1}\partial_{\overline{z}}^{k-m}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})e^{i(m+1)\varphi}e^{-i(k-m)\varphi}\\ &\quad + \sum_{m=0}^k \binom{k}{m} \partial_z^m \partial_{\overline{z}}^{k+1-m}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})e^{im\varphi}e^{-i(k+1-m)\varphi}\\ &= \sum_{m=0}^{k+1} \binom{k}{m-1} \partial_z^m\partial_{\overline{z}}^{k+1-m}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})e^{im\varphi}e^{-i(k+1-m)\varphi}\\ &\quad + \sum_{m=0}^{k+1} \binom{k}{m} \partial_z^m\partial_{\overline{z}}^{k+1-m}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})e^{im\varphi}e^{-i(k+1-m)\varphi}\\ &= \sum_{m=0}^{k+1}\binom{k+1}{m} \partial_z^m\partial_{\overline{z}}^{k+1-m}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})e^{im\varphi}e^{-i(k+1-m)\varphi}\\ \end{align}$$

por la regla de la cadena al igual que para las derivadas parciales reales $\partial_x,\,\partial_y$ y así para $z = \lvert z\rvert e^{i\varphi}$ obtenemos

$$\begin{align} f(z,\overline{z}) &= g_\varphi(\lvert z\rvert)\\ &= \sum_{k=0}^n \frac{g_\varphi^{(k)}(0)}{k!}\lvert z\rvert^k + \underbrace{\frac{1}{n!}\int_0^{\lvert z\rvert} (\lvert z\rvert-t)^n g_\varphi^{(n+1)}(t)\,dt}_{R_n(z,\overline{z})}\\ &= \sum_{j+m\leqslant n} \frac{\partial_z^j\partial_{\overline{z}}^m f(0,0)}{j!m!} e^{ij\varphi}e^{-im\varphi}\lvert z\rvert^{j+m} + R_n(z,\overline{z})\\ &= \sum_{j+m\leqslant n} \frac{\partial_z^j\partial_{\overline{z}}^m f(0,0)}{j!m!}z^j\overline{z}^m + R_n(z,\overline{z}), \end{align}$$

con

$$\begin{align} \lvert R_n(z,\overline{z})\rvert &= \frac{1}{n!} \left\lvert \int_0^{\lvert z\rvert} (\lvert z\rvert-t)^n g_\varphi^{(n+1)}(t)\,dt\right\rvert\\ &\leqslant \frac{1}{n!}\sum_{j=0}^{n+1}\binom{n+1}{j}\int_0^{\lvert z\rvert} (\lvert z\rvert-t)^n \left\lvert \partial_z^j\partial_{\overline{z}}^{n+1-j}f(te^{i\varphi},te^{-i\varphi})\right\rvert\,dt\\ &\leqslant \left(\sum_{j=0}^{n+1} \frac{\lVert \partial_z^j\partial_{\overline{z}}^{n+1-j} f\rVert_{R}}{j!(n+1-j)!}\right)\lvert z\rvert^{n+1} \end{align}$$

donde $R$ es arbitraria entre $\lvert z\rvert$ y $1$ y $\lVert h\rVert_R = \sup \{ \lvert h(z,\overline{z})\rvert : \lvert z\rvert \leqslant R\}$ .

Nota: no podemos tener un límite $C\cdot \lvert z\rvert^{n+1}$ para el término restante de manera uniforme en todos los $D_1(0)$ ya que $f$ podría no estar acotado en el disco, pero un polinomio siempre está acotado en subconjuntos acotados de $\mathbb{C}$ . Sólo podemos esperar tener para cada compacto $K\subset D_1(0)$ una constante $C_K$ tal que $\lvert R_n(z,\overline{z})\rvert \leqslant C_K\cdot \lvert z\rvert^{n+1}$ es válida para todos los $z\in K$ . La expresión con el $\lVert\cdot\rVert_R$ da exactamente eso.

Te habrás dado cuenta de que la demostración es exactamente igual que la demostración estándar de la fórmula de Taylor para una función de varias (en este caso dos) variables reales. La cuestión es la fórmula para las derivadas superiores de $g_\varphi$ que coincide exactamente con la fórmula de las derivadas expresadas en términos de las derivadas parciales reales. Que se comporten igual que las derivadas parciales reales en muchos aspectos (regla de la cadena, regla del producto, ...) hace que las derivadas de Wirtinger sean útiles.

1voto

Normal Human Puntos 45168

Entonces, sabes que hay un polinomio $P$ de grado $\le n$ tal que $$ f(x,y) = P(x,y) + \mathcal{O}((x^2 + y^2)^{(n+1)/2}) \tag{1}$$ Nótese que el término de error tiene todas las derivadas de órdenes $\le n$ desapareciendo en el origen.

Enchufe $x=(z+\bar z)/2$ y $y=(z-\bar z)/(2i)$ en (1). Tratamiento de $z$ y $\bar z$ como variables abstractas por el momento, observe que se trata de un cambio de variables lineal invertible: un polinomio se convierte en otro polinomio $Q$ del mismo grado. Así que, $$ f(z) = Q(z,\bar z) + \mathcal{O}(|z|^{n+1}) \tag{2}$$ Como antes, el término de error tiene todas las derivadas de órdenes $\le n$ desapareciendo en el origen. Suponiendo como se sabe que $$ \frac{\partial }{\partial z}(z^m \bar z^n)=mz^{m-1} \bar z^n,\qquad \frac{\partial }{\partial \bar z}(z^m \bar z^n)=nz^{m} \bar z^{n-1} \tag{3}$$ encontramos que los coeficientes de $Q$ son lo que se reclama tomando las derivadas de ambos lados y evaluándolas en $0$ .

Una forma de demostrar (3) es

  • comprobar que las derivadas de Wirtinger satisfacen la regla del producto (fácil, ya que sólo son la suma de dos cosas que la satisfacen)
  • comprobar que $\frac{\partial }{\partial z} z =1$ , $\frac{\partial }{\partial z} \bar z =0$ , $\frac{\partial }{\partial \bar z} z =0$ , $\frac{\partial }{\partial \bar z} \bar z =1$ . (Algo que debería hacerse para motivar a dichos derivados, en todo caso).

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X