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Rouché's Theorem을 이용한 근의 개수 찾기

2021-10-10 05:13:19 | English, Korean

어제 유튜브를 보다가 아래와 같은 아주 재미있는 영상을 발견했습니다. 바로 Rouché's Theorem을 사용하여 복소함수의 어떤 영역 내에서의 근의 개수를 찾는 방법을 설명한 영상이었습니다.

Definition

Rouche-thm

이 영상에서 설명하는 Rouché's Theorem을 간단히 풀어보자면 다음과 같습니다.

"어떤 영역 DD의 경계 ∂D\partial D 위에서 ∣f(z)∣>∣g(z)∣|f(z)|>|g(z)|가 항상 성립한다면 D 내부에서 f(z)f(z) 와 f(z)+g(z)f(z)+g(z) 의 근의 개수가 같다."

그리고 ∣f∣>∣g∣|f|>|g| 가 항상 성립할 때 ff가 gg에 대해 dominant하다고 표현합니다.

이를 이용하면 어떤 복잡한 다항함수 h(z)h(z)의 어떤 영역 DD 내에서의 근의 개수를 구하고자 할 때, h(z)h(z) 를 dominant하고 간단한 항 ff와 그렇지 않은 항 gg로 나누어 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다.

Example

위 영상에서 나온 예시를 그대로 따라해보겠습니다. 함수 h(z)=z5+3z2+1h(z)=z^5+3z^2+1 의 D={ z∣1<∣z∣<2 }D = \set{z|1<|z|<2} 위에서의 근의 개수를 구하고자 합니다.

그러기 위해 영역을 D1={z∣∣z∣<1},D2={z∣∣z∣<2}D_1 = \{z | |z| <1\}, D_2 = \{z ||z|<2\} 로 나눈 후, D2D_2 에서의 근의 개수에 D1D_1 및 ∂D1\partial D_1 에서의 근의 개수를 빼도록 하겠습니다.

먼저 각 영역 내부의 근의 개수에 대하여, ∂D1\partial D_1 에서는 ∣z∣=1|z|=1 이므로 ∣z5∣=1,∣3z2∣=3|z^5|=1, |3z^2|=3 이므로 ∣z5+1∣≤∣z5∣+1=2<∣3z2∣|z^5+1|\leq|z^5|+1=2<|3z^2| 가 성립합니다.

그러므로 f(z)=3z2,g(z)=z5+1f(z)=3z^2, g(z)=z^5+1 로 hh 를 나눌 수 있습니다.

따라서 D1D_1 내부의 h(z)h(z) 의 근의 개수는 f(z)f(z) 의 근의 개수와 같은 2개입니다. (z=0z=0 에서 중근)

이때 근의 개수만 같지, 근의 값까지 똑같지는 않다는 점에 주의해야 합니다. 그러므로 (일반적으로) hh 는 z=0z=0 에서 근을 가지지 않습니다.

비슷하게 ∂D2={z∣∣z∣=2}\partial D_2 = \{ z| |z|=2\} 위에서는 ∣z5∣=32>∣3z2∣+1=4>∣3z2+1∣|z^5|=32>|3z^2|+1=4>|3z^2+1| 이므로 f(z)=z5,g(z)=3z2+1f(z)=z^5, g(z)=3z^2+1 로 hh 를 나눌 수 있습니다.

따라서 D2D_2 내부의 h(z)h(z) 의 근의 개수는 f(z)f(z)의 근의 개수와 같은 5개입니다.

마지막으로 ∂D1={z∣∣z∣=1}\partial D_1 = \{z||z|=1\} 위에서 hh가 근을 가지지 않음을 보이면 됩니다.

이것 역시 위 영상에서는 매우 간단한 방식으로 보였는데, 아래와 같습니다.

만약 ∣z∣=1|z|=1 인 근이 존재한다면

z5+3z2+1=0∴3z2=−z5−1∴∣3z2∣=∣z5+1∣∴3=∣z5+1∣<∣z5∣+1=2∴3<2z^5+3z^2+1=0\\ \therefore 3z^2=-z^5-1\\ \therefore |3z^2| = |z^5+1|\\ \therefore 3 = |z^5+1| < |z^5| + 1 = 2\\ \therefore 3<2

가 성립해야합니다. 자명히 이는 거짓이므로 z5+3z2+1=0z^5+3z^2+1=0 를 만족하는 ∣z∣=1|z|=1은 존재하지 않습니다.

이는 사실 ∂D1\partial D_1 위에서 f(z)f(z) 가 g(z)g(z) 에 대해 dominant 하므로 자명히 성립할 수밖에 없습니다. 만약 경계 위에 근이 존재한다면 h=f+g=0h=f+g = 0 이므로 f=−gf=-g 가 성립할 것이며 따라서 ∣f∣=∣g∣|f|=|g| 이므로 ff 가 dominant하지 않다는 의미이기 때문입니다.

그러므로 D2D_2 내부의 근의 개수 - ∂D1\partial D_1 위의 근의 개수 - D1D_1 내부의 근의 개수 = 5−0−2=35-0-2= 3 을 얻습니다.


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