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ML 보조정리 증명 📂복소해석

ML 보조정리 증명

정리 1

함수 ff적분경로 C:z=z(t),t[a,b]\mathscr{C}: z = z(t), t \in [a,b] 에서 조각마다 연속라고 하자. 양수 L=abz(t)dt\displaystyle L = \int_{a}^{b} |z’(t)| dtC\mathscr{C} 의 길이고, C\mathscr{C} 상의 모든 점에 대해 f(z)M|f(z)| \le M 을 만족하는 양수 MM 이 존재한다면 Cf(z)dzML \left| \int_{\mathscr{C}} f(z) dz \right| \le ML

증명

함수 z:[a,b]Cz’: [a,b] \to \mathbb{C} 에 대해 abz(t)dt=r\displaystyle \left| \int_{a}^{b} z’(t) dt \right| = r 이라 하자.

r0r \ne 0 이면 abz(t)dt=reiθ\displaystyle \int_{a}^{b} z’(t) dt = r e^{i \theta} 로 나타낼 수 있다. 그러면 θ\theta 는 상수이므로 r=abeiθz(t)dtabeiθz(t)dt=abeiθz(t)dt r = \int_{a}^{b} e^{- i \theta} z’(t) dt \le \int_{a}^{b} \left| e^{- i \theta} z’(t) \right| dt = \int_{a}^{b} \left| e^{- i \theta} \right| \left| z’(t) \right| dt 여기서 실수의 허수승은 항상 크기가 1이므로, eiθ=1\left| e^{ - i \theta} \right| = 1 이다. 즉, abz(t)dt=rabz(t)dt \left| \int_{a}^{b} z’(t) dt \right| = r \le \int_{a}^{b} \left| z’(t) \right| dt 이로써 실함수에서 성립하던 정적분의 성질이 복소함수에서도 성립함을 알 수 있다. 위에서 유도한 부등식을 쓰면 Cf(z)dz=abf(z(t))z(t)dtabf(z(t))z(t)dt=abMz(t)dt=ML \begin{align*} \left| \int_{\mathscr{C}} f(z) dz \right| =& \left| \int_{a}^{b} f(z(t)) z’(t) dt \right| \\ \le & \int_{a}^{b} \left| f(z(t)) \right| \left| z’(t) \right| dt \\ =& \int_{a}^{b} M \left| z’(t) \right| dt \\ =& ML \end{align*}

설명

ML 보조정리에서 M은 Maximum, L은 Length를 뜻한다.

ML 보조정리를 사용할 때 헷갈리기 쉬운 것이 바로 LL 을 잡는 방법이다. 원래의 적분에서 C\mathscr{C} 이 반지름이 rr 인 원으로 주어지고, 치환할 때 적분구간이 [0,2π][0,2\pi] 가 되는 경우가 잦다. 치환하고 나서 ML 보조정리를 쓰면 LL 은 원래 원의 둘레인 2πr2\pi r 이 아니라 치환 후 적분구간의 길이인 2π2 \pi 를 사용해야한다. 다시 말해, 치환함으로써 새롭게 생겨나는 곡선(선분)인 C\mathscr{C} ' 에 대해 ML 보조정리를 적용해야한다는 사실을 잊기 쉽다는 것에 주의해야한다.


  1. Osborne (1999). Complex variables and their applications: p76. ↩︎