Teorema: f es desarrollable entonces holomorfa

Teorema: f es desarrollable entonces holomorfa

de Alejandro Gustavo Bellati Barthes -
Número de respuestas: 2

Anduve buscando usar los resultados de convergencia uniforme para que la prueba de este teorema sea más natural y me gustaría saber si la prueba es correcta. 

Teorema: f analítica en \Omega entonces f es holomorfa en \Omega y su derivada es desarrollable.

Dem:

Dado a \in \Omega y sea D_r(a) tal que f(z) = \sum\limits_{n=0}^{\infty} a_n(z-a)^n. Claramente el radio de convergencia de la serie es mayor a r.

Consideramos ahora la expresión \sum\limits_{n=1}^{\infty} na_n(z-a)^{n-1}, con el limite superior de la raíz enésima se ve que tiene el mismo radio que la primera serie y por lo tanto tiene sentido definir g(z) = \sum\limits_{n=1}^{\infty} na_n(z-a)^{n-1} con  z \in D_r(a) . Probaré que f es holomorfa y g es su derivada. Para eso observo que g converge uniformemente en cualquier compacto dentro de su radio de convergencia y por lo tanto lo hace para toda curva en el disco. Entonces dado z \in D_r(a) y \gamma \subset D_r(a) cualquiera que una a con z. Entonces se cumple que

\int_{\gamma} g(z)dz = \int_{\gamma} \sum\limits_{n=1}^{\infty} na_n(z-a)^{n-1} = \sum\limits_{n=1}^{\infty} \int_{\gamma}na_n(z-a)^{n-1} = \sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n (z-a)^n = f(z) - a_0 

Donde la segunda igualdad vale por convergencia uniforme. La integral de cada termino de la serie en \gamma se calcula fácil por conocer las primitivas. Entonces, recordando que a_0 = f(a) hasta ahora tenemos que 

\int_{\gamma} g(z)dz = f(z) - f(a)  \forall \gamma \subset D_r(a) que una a con z. Probaré ahora que f es holomorfa en el disco y su derivada es g para eso tomo z_0 fijo y z_1 para el primer punto sea una curva cualquiera \gamma que lo una con a luego para z_1 tomo la curva \gamma + S donde S es el segmento de recta que va desde z_0 y z_1. Entonces

f(z_1) - f(z_0) = \int_{\gamma + S} g(z)dz - \int_{\gamma} g(z)dz = \int_{S} g(z)dz

 \left| \frac{f(z_1) - f(z_0)}{z_1 - z_0} - g(z_0) \right| =  \int_{S} g(z) dz - g(a)(z_1 - z_0)

Para continuar, si tomo z_1 lo suficientemente cerca de z_0 garantizo que \abs{g(z) - g(a)} y por lo tanto de la anterior desiguladad \abs{\fracc{f(z_1) - f(z_0)}{z_1 - z_0} - g(z_0)} \leq \int_{S} \épsilon \abs{dz}\abs{\fracc{1}{z_1 - z_0}} \leq \epsilon. Por lo tanto f es derivable en el disco, en particular en a, y como a es arbitrario f es derivable en \Omega además su derivada es igual a g por lo tanto la derivada de f es analítca en a


En respuesta a Alejandro Gustavo Bellati Barthes

Re: Teorema: f es desarrollable entonces holomorfa

de Alejandro Gustavo Bellati Barthes -

Disculpen que quedo mal arriba me quedo mal el final, reenvío el final.

...Entonces

f(z_1) - f(z_0) = \int_{\gamma + S} g(z)dz - \int_{\gamma} g(z)dz = \int_{S} g(z)dz

 \left| \frac{f(z_1) - f(z_0)}{z_1 - z_0} - g(z_0) \right| = \left | \int_S g(z)dz - g(z_0)(z_1 - z_0)\right | \left | \frac{1}{z_1-z_0} \right | \leq \int_S |g(z) - g(a)|dz \left | \frac{1}{z_1-z_0} \right |

Para continuar, si tomo z_1 lo suficientemente cerca de z_0 garantizo que |g(z) - g(a)| y por lo tanto de la anterior desiguladad

\left | \frac{f(z_1) - f(z_0)}{z_1 - z_0} - g(z_0) \right | \leq \int_{S} \epsilon |dz|\left | \frac{1}{z_1 - z_0} \right | \leq \epsilon

Entonces tenemos que f es derivable en el disco, en particular en a, y como a es arbitrario f es derivable en \Omega además su derivada es igual a g por lo tanto la derivada de f es analítca en a

NOTA: Cuando arranque el razonamiento usando z perteneciente al disco use z también para la variable de integración, no confundirse.
En respuesta a Alejandro Gustavo Bellati Barthes

Re: Teorema: f es desarrollable entonces holomorfa

de Alejandro Gustavo Bellati Barthes -

Parece ser que en la segunda ecuación del mensaje anterior me apuré y me equivoque, re corrigo y agrego paso intermedio para que se vea bien:

 \left| \frac{f(z_1) - f(z_0)}{z_1 - z_0} - g(z_0) \right| = \left | \int_S g(z)dz - g(z_0)(z_1 - z_0)\right | \left | \frac{1}{z_1-z_0} \right | = \left | \int_S g(z)dz - \int_S g(z_0)dz \right | \left | \frac{1}{z_1 - z_0} \right | \leq \int_S |g(z) - g(z_0)|dz \left | \frac{1}{z_1-z_0} \right |

Y luego sería... si tomo z_1 lo suficientemente cerca de z_0 la continuidad en z_0 me asegura |g(z)-g(z_0)| \leq \epsilon