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복소함수의 Wirtinger 도함수 📂복소해석

복소함수의 Wirtinger 도함수

빌드업

복소 함수 f:CCf : \mathbb{C} \to \mathbb{C}가 주어졌다고 하자. 복소수 z=x+iyz=x+iy는 두 실수 x,yRx,y \in \mathbb{R}의 선형결합이므로 함수 ff를 두 실수를 변수로 갖는 함수로 생각할 수 있다. 또한 두 실함수 u,v:R2Ru,v : \mathbb{R}^{2} \to \mathbb{R}를 사용하여 ff의 함숫값을 아래와 같이 실수부분, 허수부분으로 나누어 표현할 수 있다.

f(z)=f(x,y)=u(x,y)+iv(x,y) f(z) = f(x,y) = u(x,y) + i v(x,y)

그러면 ff전미분은 다음과 같다.

df=du+idv=(uxdx+uydy)+i(vxdx+vydy)=(ux+ivx)dx+(uy+ivy)dy \begin{equation} \begin{aligned} df &= du + i dv \\ &= \left( \dfrac{\partial u}{\partial x}dx + \dfrac{\partial u}{\partial y}dy \right) + i \left( \dfrac{\partial v}{\partial x}dx + \dfrac{\partial v}{\partial y}dy \right) \\ &= \left( \dfrac{\partial u}{\partial x} + i\dfrac{\partial v}{\partial x} \right)dx + \left( \dfrac{\partial u}{\partial y} + i\dfrac{\partial v}{\partial y} \right)dy \end{aligned} \end{equation}

dzdz, dzˉd\bar{z}로부터 dx,dydx, dy를 구하면 다음과 같다.

{dz=dx+idydzˉ=dxidy    {dx=dz+dzˉ2dy=dzdzˉ2i \begin{cases} dz = dx + idy \\ d\bar{z} = dx -idy \end{cases} \implies \begin{cases} dx = \dfrac{dz + d\bar{z}}{2} \\ dy = \dfrac{dz - d\bar{z}}{2i} \end{cases}

이를 (1)(1)에 대입하고 다음과 같이 정리할 수 있다.

df=(ux+ivx)dx+(uy+ivy)dy=(ux+ivx)(dz+dzˉ2)+(uy+ivy)(dzdzˉ2i)=12[(ux+ivx)i(uy+ivy)]dz+12[(ux+ivx)+i(uy+ivy)]dzˉ=12[(u+iv)xi(u+iv)y]dz+12[(u+iv)x+i(u+iv)y]dzˉ=12[fxify]dz+12[fx+ify]dzˉ=12[xiy]fdz+12[x+iy]fdzˉ \begin{align*} df &= \left( \dfrac{\partial u}{\partial x} + i\dfrac{\partial v}{\partial x} \right)dx + \left( \dfrac{\partial u}{\partial y} + i\dfrac{\partial v}{\partial y} \right)dy \\ &= \left( \dfrac{\partial u}{\partial x} + i\dfrac{\partial v}{\partial x} \right)\left( \dfrac{dz + d\bar{z}}{2} \right) + \left( \dfrac{\partial u}{\partial y} + i\dfrac{\partial v}{\partial y} \right)\left( \dfrac{dz - d\bar{z}}{2i} \right) \\ &= \dfrac{1}{2} \left[ \left( \dfrac{\partial u}{\partial x} + i \dfrac{\partial v}{\partial x} \right) -i \left( \dfrac{\partial u}{\partial y} + i\dfrac{\partial v}{\partial y} \right)\right]dz \\ &\quad+ \dfrac{1}{2} \left[ \left( \dfrac{\partial u}{\partial x} + i \dfrac{\partial v}{\partial x} \right) + i \left( \dfrac{\partial u}{\partial y} + i\dfrac{\partial v}{\partial y} \right)\right]d\bar{z} \\ &= \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\partial (u+iv)}{\partial x} - i \dfrac{\partial (u+iv)}{\partial y}\right]dz + \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\partial (u+iv)}{\partial x} + i \dfrac{\partial (u+iv)}{\partial y}\right]d\bar{z} \\ &= \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\partial f}{\partial x} - i \dfrac{\partial f}{\partial y}\right]dz + \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\partial f}{\partial x} + i \dfrac{\partial f}{\partial y}\right]d\bar{z} \\ &= \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\partial }{\partial x} - i \dfrac{\partial }{\partial y}\right]fdz + \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\partial }{\partial x} + i \dfrac{\partial }{\partial y}\right]fd\bar{z} \end{align*}

이때 첫번째 항의 상수와 괄호를 z\dfrac{\partial }{\partial z}라고 표기하고, 두번째 항의 괄호를 zˉ\dfrac{\partial }{\partial \bar{z}}라고 표기하면 다음과 같이 복소 함수 ff의 전미분을 자연스럽게 표현할수 있다.

df=fzdz+fzˉdzˉ df = \dfrac{\partial f}{\partial z}dz + \dfrac{\partial f}{\partial \bar{z}}d\bar{z}

정의

x,yRx,y \in \mathbb{R}, z=x+iyz=x+iy라고 하자. 복소함수 f:CCf :\mathbb{C} \to \mathbb{C}가 실함수 u,y:R2Ru,y : \mathbb{R}^{2} \to \mathbb{R}에 대해서 f(z)=f(x,y)=u(x,y)+iv(x,y)f(z)=f(x,y)=u(x,y)+iv(x,y)와 같이 표현된다고 하자. 미분 연산자 z\dfrac{\partial }{\partial z}, zˉ\dfrac{\partial }{\partial \bar{z}}를 다음과 같이 정의한다.

z:=12(xiy)zˉ:=12(x+iy) \begin{align*} \dfrac{\partial }{\partial z} & := \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} - i \dfrac{\partial }{\partial y}\right) \\ \dfrac{\partial }{\partial \bar{z}} & := \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} + i \dfrac{\partial }{\partial y}\right) \end{align*}

이를 (켤레) Wirtinger 미분 연산자(conjugate) Wirtinger differential operator라고 하고, fz,fzˉ\dfrac{\partial f}{\partial z}, \dfrac{\partial f}{\partial \bar{z}}(켤레) Wirtinger 도함수(conjugate) Wirtinger derivative라고 한다.

설명

Wirtinger 미분 연산자를 zz, zˉ\bar{z}에 대입해보면 다음과 같다.

zz=12(xiy)(x+iy)=12(xx+yy)=1 \dfrac{\partial z}{\partial z} = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} - i \dfrac{\partial }{\partial y}\right)(x+iy) = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial x}{\partial x} + \dfrac{\partial y}{\partial y}\right) = 1

zˉzˉ=12(x+iy)(xiy)=12(xx+yy)=1 \dfrac{\partial \bar{z}}{\partial \bar{z}} = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} + i \dfrac{\partial }{\partial y}\right)(x-iy) = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial x}{\partial x} + \dfrac{\partial y}{\partial y}\right) = 1

zzˉ=12(x+iy)(x+iy)=12(xxyy)=0 \dfrac{\partial z}{\partial \bar{z}} = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} + i \dfrac{\partial }{\partial y}\right)(x+iy) = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial x}{\partial x} - \dfrac{\partial y}{\partial y}\right) = 0

zˉz=12(xiy)(xiy)=12(xxyy)=0 \dfrac{\partial \bar{z}}{\partial z} = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} - i \dfrac{\partial }{\partial y}\right)(x-iy) = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial x}{\partial x} - \dfrac{\partial y}{\partial y}\right) = 0

위의 결과로부터 Wirtinger 미분 연산자는 마치 zzzˉ\bar{z}가 서로 독립인 변수처럼 다루는 것이라고 해석할 수 있다. 실제로 f(z)=zˉf(z)=\bar{z}라고 하면 ff는 모든 zz에 대해서 미분 불가능이기 때문에 dfdz\dfrac{df}{dz}는 존재하지 않는다. 하지만 Wirtinger 연산자는 정의에 의해 zˉ\bar{z}가 포함된 함수도 미분할 수 있으며 그 결과도 미분이라 부르기에 자연스럽다는 것을 알 수 있다. 정칙함수에 대해서 살펴보면 그 의미가 기존의 미분의 의미와 완전히 같기 때문에 복소기하에서는 Wirtinger 미분을 기본으로 다룬다고 한다.

정칙함수에 대해서

f:CCf : \mathbb{C} \to \mathbb{C}정칙 함수라고 하자. 그러면 Wirtinger 도함수는 다음과 같다.

fz=12(xiy)(u+iv)=12(ux+vy+i(uy+vx)) \begin{align*} \dfrac{\partial f}{\partial z} &= \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} -i \dfrac{\partial }{\partial y}\right) (u + iv) \\ &= \dfrac{1}{2} \left( u_{x} + v_{y} + i(-u_{y} + v_{x}) \right) \end{align*}

미분가능한 복소함수는 코시-리만 방정식을 만족하므로 위 식은 다음과 같다.

fz=12(ux+ux+i(vx+vx))=ux+ivx \dfrac{\partial f}{\partial z} = \dfrac{1}{2} \left( u_{x} + u_{x} + i(v_{x} + v_{x}) \right) = u_{x} + i v_{x}

그런데 복소함수의 도함수는 f=dfdz=ux+ivxf^{\prime} = \dfrac{df}{dz} = u_{x} + iv_{x}이므로 다음의 식이 성립한다.

fz=ux+ivx=dfdz \dfrac{\partial f}{\partial z} = u_{x} + i v_{x} = \dfrac{df}{dz}

따라서 미분가능한 함수 ff에 대해서는 z\dfrac{\partial }{\partial z}ddz\dfrac{d}{dz}와 완벽하게 같은 의미를 가지게 된다. 이제 방정식 fzˉ=0\dfrac{\partial f}{\partial \bar{z}}=0를 풀어보자.

fzˉ=12(x+iy)(u+iv)=12(uxvy+i(uy+vx))=0 \begin{align*} \dfrac{\partial f}{\partial \bar{z}} &= \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\partial }{\partial x} +i \dfrac{\partial }{\partial y}\right) (u + iv) \\ &= \dfrac{1}{2} \left( u_{x} - v_{y} + i(u_{y} + v_{x}) \right) \\ &= 0 \end{align*}

실수부와 허수부가 모두 00이어야 하므로 다음의 식을 얻는다.

    {ux=vyuy=vx \implies \begin{cases} u_{x} = v_{y} \\ u_{y} = - v_{x} \end{cases}

이는 코시-리만 방정식과 같다. 따라서 fzˉ=0\dfrac{\partial f}{\partial \bar{z}}=0라는 식 자체가 ff가 코시-리만 방정식을 만족한다는 말과 같다. 다시말해 다음의 명제는 모두 동치이다.

  • ff가 정칙(해석적)이다.
  • fz=0\dfrac{\partial f}{\partial \overline{z}} = 0
  • ffz\overline{z}에 의존하지 않는다.

비정칙함수에 대해서

z\overline{z}가 포함된 함수, 예를들어 절댓값 f(z)=zf(z) = \left| z \right|을 생각해보자. 이러한 함수들을 최적화하기위해 변화율을 알고싶다고 하자. 하지만 ff는 미분 불능이므로 dfdz\dfrac{df}{dz}를 계산할 수 없고, ff를 어떻게 최적화해야하는지 알 수 없다. 이 때 Wirtinger 미분을 사용하면 기울기라고 부를만한 것을 계산할 수 있다.

fz=zzz=z \dfrac{\partial f}{\partial z} = \dfrac{\partial z\overline{z}}{\partial z} = \overline{z}

실제로 통신 등의 공학에서 이러한 테크닉을 사용한다.

성질

미분이라고 불리기 위해서 응당히 가져야할 성질들도 잘 갖고 있음을 확인할 수 있다.

  • 선형성:

    (af+g)z=afz+gz \dfrac{\partial (af + g)}{\partial z} = a\dfrac{\partial f}{\partial z} + \dfrac{\partial g}{\partial z}

    (af+g)z=afz+gz \dfrac{\partial (af + g)}{\partial \overline{z}} = a\dfrac{\partial f}{\partial \overline{z}} + \dfrac{\partial g}{\partial \overline{z}}

  • 곱의 미분:

    (fg)z=fzg+fgz \dfrac{\partial (fg)}{\partial z} = \dfrac{\partial f}{\partial z}g + f\dfrac{\partial g}{\partial z}

    (fg)z=fzg+fgz \dfrac{\partial (fg)}{\partial \overline{z}} = \dfrac{\partial f}{\partial \overline{z}}g + f\dfrac{\partial g}{\partial \overline{z}}

  • 연쇄 법칙

    (fg)z=fwgz+fwgz \dfrac{\partial (f \circ g)}{\partial z} = \dfrac{\partial f}{\partial w} \dfrac{\partial g}{\partial z} + \dfrac{\partial f}{\partial \overline{w}} \dfrac{\partial \overline{g}}{\partial z}

    (fg)z=fwgz+fwgz \dfrac{\partial (f \circ g)}{\partial \overline{z}} = \dfrac{\partial f}{\partial w} \dfrac{\partial g}{\partial \overline{z}} + \dfrac{\partial f}{\partial \overline{w}} \dfrac{\partial \overline{g}}{\partial \overline{z}}

이것 외에도,

2fzz=14(2fx2+2fy2)=14Δf \dfrac{\partial ^{2} f}{\partial z \partial \overline{z}} = \dfrac{1}{4} \left( \dfrac{\partial ^{2} f}{\partial x^{2}} + \dfrac{\partial ^{2} f}{\partial y^{2}}\right) = \dfrac{1}{4}\Delta f

d(fϕ)dt=fzϕt+fzϕt \dfrac{d (f \circ \phi)}{d t} = \dfrac{\partial f}{\partial z} \dfrac{\partial \phi}{\partial t} + \dfrac{\partial f}{\partial \overline{z}} \dfrac{\partial \overline{\phi}}{\partial t}

이때 ϕ:RC\phi : \mathbb{R} \to \mathbb{C}이다.