Satz von Weierstraß-Casorati

Der Satz von Weierstraß-Casorati (nach Karl Weierstraß und Felice Casorati) ist ein Satz aus der Funktionentheorie und beschäftigt sich mit dem Verhalten holomorpher Funktionen in Umgebungen wesentlicher Singularitäten. Er hat aber eine schwächere Aussage als die Sätze von Picard.

Der Satz

Sei z_{0} ein Punkt eines Gebietes G. z_{0} ist eine wesentliche Singularität der auf {\displaystyle G\setminus \{z_{0}\}} holomorphen Funktion f genau dann, wenn für jede in G liegende Umgebung U von z_{0} das Bild {\displaystyle f(U\setminus \{z_{0}\})} dicht in \mathbb {C} liegt.

Anders formuliert: Eine holomorphe Funktion hat genau dann in z_{0} eine wesentliche Singularität, wenn in jeder (noch so kleinen) Umgebung von z_{0} jede komplexe Zahl beliebig genau als ein Bild von f approximiert werden kann.

Beweis

Wir zeigen die Kontraposition der Aussage: z_{0} ist genau dann keine wesentliche Singularität, wenn es eine Umgebung U\subseteq G von z_{0} gibt und eine nichtleere offene Menge {\displaystyle V\subset \mathbb {C} }, so dass {\displaystyle f(U\setminus \{z_{0}\})} disjunkt zu V ist.

Sei zunächst z_{0} keine wesentliche Singularität, also entweder eine hebbare Singularität oder eine Polstelle. Im hebbaren Fall ist (die stetige Fortsetzung von) f in einer Umgebung U von z_{0} beschränkt, etwa {\displaystyle |f(z)|<r} für alle {\displaystyle z\in U\setminus \{z_{0}\}}. Dann ist {\displaystyle V:=\{z\in \mathbb {C} \colon |z|>r\}} disjunkt zu {\displaystyle f(U\setminus \{z_{0}\})}. Hat f dagegen in z_{0} eine Polstelle, so ist {\displaystyle f(z)={\tfrac {g(z)}{(z-z_{0})^{m}}}} für eine natürliche Zahl m und ein holomorphes g mit {\displaystyle g(z_{0})\neq 0}. In einer hinreichend kleinen \varepsilon -Umgebung U von z_{0} gilt {\displaystyle |g(z)|>{\tfrac {1}{2}}|g(z_{0})|} und folglich {\displaystyle |f(z)|>{\tfrac {1}{2\varepsilon ^{m}}}|g(z_{0})|}, d.h. {\displaystyle f(U\setminus \{z_{0}\})} ist disjunkt zu {\displaystyle V:=\{z\in \mathbb {C} \colon |z|<{\tfrac {1}{2\varepsilon ^{m}}}|g(z_{0})|\}}.

Sei jetzt umgekehrt U\subseteq G eine Umgebung von z_{0} und {\displaystyle V\subset \mathbb {C} } offen, nicht leer und disjunkt zu {\displaystyle f(U\setminus \{z_{0}\})}. Dann enthält V eine offene Kreisscheibe, es gibt also eine Zahl {\displaystyle w\in \mathbb {C} } und ein r>0 mit {\displaystyle |f(z)-w|>r} für alle {\displaystyle z\in U\setminus \{z_{0}\}}. Es folgt, dass {\displaystyle {\tfrac {1}{f(z)-w}}} auf {\displaystyle U\setminus \{z_{0}\}} durch \tfrac 1r beschränkt ist. Nach dem riemannschen Hebbarkeitssatz ist {\displaystyle {\tfrac {1}{f(z)-w}}} zu einer auf ganz U holomorphen Funktion g fortsetzbar. Da g nicht die Nullfunktion sein kann, gibt es ein m\in\N_0 und holomorphes h mit {\displaystyle g(z)=(z-z_{0})^{m}\cdot h(z)} und {\displaystyle h(z_{0})\neq 0}. In einer möglicherweise kleineren Umgebung {\displaystyle U'\subseteq U} von z_{0} ist auch {\displaystyle {\tfrac {1}{h(z)}}} holomorph. Dies bedeutet

{\displaystyle (z-z_{0})^{m}f(z)={\frac {1}{h(z)}}+(z-z_{0})^{m}w} für alle {\displaystyle z\in U'\setminus \{z_{0}\}}.

Die rechte Seite ist holomorph, also hat f in z_{0} allenfalls eine Polstelle vom Grad m.

Literatur

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 08.04. 2021