Lecture Notes
Semester 2
Complex Variable Analysis
Continuity and Differentiability

Continuity and Derivative

NamaHarun
NIM23/514148/TK/56466
KelasB

Continuity

Sebuah fungsi ff dikatakan kontinu pada suatu titik z0z_0 jika:

lim⁡z→z0f(z)=f(z0)\lim_{z \to z_0} f(z) = f(z_0)

yang memiliki kesamaan dengan definisi:

∣f(z)−f(z0)∣<εuntuk ∣z−z0∣<∂|f(z) - f(z_0)| < \varepsilon \quad \text{untuk } |z - z_0| < \partial

maka ff kontinu pada z0z_0.

Contoh:

f(z)=z/(z2+1)f(z) = z/(z^2 + 1)

  • ff tidak kontinu pada ±j\pm j karena f(±j\pm j) tidak terdefinisi
  • ff kontinu pada 11 karena:
    • f(1)=1/2f(1) = 1/2
    • lim⁡z→1f(z)=1/2\displaystyle\lim_{z \to 1} f(z) = 1/2

Contoh:

f(z)={z2+3zi−2z+i,z≠−i2i,z=−if(z) = \begin{cases} \displaystyle\frac{z^2 + 3zi - 2}{z+i}, & z \neq -i \\ 2i, & z = -i \end{cases}

ff tidak kontinu pada −i-i karena

  • lim⁡z→−if(z)=lim⁡z→−iz2+3zi−2z+i=lim⁡z→−i(z+i)(z+2i)z+i=lim⁡z→−iz+2i=−i+2i=i \begin{align*} \lim_{z \to -i} f(z) &= \lim_{z \to -i} \frac{z^2 + 3zi - 2}{z+i} \\ &= \lim_{z \to -i} \frac{(z+i)(z+2i)}{z+i} \\ &= \lim_{z \to -i} z+2i \\ &= -i+2i = i \end{align*}
  • f(−i)=2if(-i) = 2i

Sehingga, karena lim⁡z→−if(z)≠f(−i)\lim_{z \to -i} f(z) \neq f(-i), maka ff tidak kontinu pada z=−iz=-i.

Remarks\text{Remarks}

  • ff dikatakan kontinu dalam region RR jika ff kontinu pada setiap titik dalam RR.
  • Jika ff dan gg kontinu dalam suatu titik, maka f+gf+g, f−gf-g, fgfg, f/g, g≠0f/g, \ g \neq 0, dan f∘gf \circ g juga kontinu dalam titik tersebut.
  • f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z) = u(x,y) + iv(x,y) kontinu pada z0=x0+iy0z_0 = x_0 + iy_0 jika dan hanya jika uu dan vv kontinu pada (x0,y0)(x_0, y_0).

Derivative

Derivatif dari fungsi ff pada titik zz didefinisikan oleh limit sebagai:

f′(z)=dfdz=lim⁡∂z→0f(z+∂z)−f(z)∂zf'(z) = \frac{df}{dz} = \lim_{\partial z \to 0} \frac{f(z + \partial z) - f(z)}{\partial z}

Jika limit tersebut ada, maka ff dikatakan memiliki turunan pada titik zz.

⚠️

∂z\partial z adalah suatu bilangan kompleks, sehingga limitnya akan selalu sama jika didekati dari arah manapun untuk ∂z→0\partial z \to 0. ff dikatakan differentiable pada zz jika limit tersebut ada.

Contoh:

Carilah turunan dari f(z)=z3f(z) = z^3.

f′(z)=lim⁡∂z→0(z+∂z)3−z3∂z=lim⁡∂z→0z3+3z2∂z+3z(∂z)2+(∂z)3−z3∂z=lim⁡∂z→03z2+3z∂z+(∂z)2=3z2\begin{align*} f'(z) &= \lim_{\partial z \to 0} \frac{(z + \partial z)^3 - z^3}{\partial z} \\ &= \lim_{\partial z \to 0} \frac{z^3 + 3z^2\partial z + 3z(\partial z)^2 + (\partial z)^3 - z^3}{\partial z} \\ &= \lim_{\partial z \to 0} 3z^2 + 3z\partial z + (\partial z)^2 \\ &= 3z^2 \end{align*}

Sehingga, ff differentiable pada setiap titik dan turunannya adalah f′(z)=3z2f'(z) = 3z^2.

Contoh:

Carilah turunan dari f(z)=z‾f(z) = \overline{z}.

f′(z)=lim⁡∂z→0z‾+∂z‾−z‾∂z=lim⁡∂z→0∂z‾∂z\begin{align*} f'(z) &= \lim_{\partial z \to 0} \frac{\overline{z} + \overline{\partial z} - \overline{z}}{\partial z} \\ &= \lim_{\partial z \to 0} \frac{\overline{\partial z}}{\partial z} \end{align*}

tetapi lim⁡∂z→0∂z‾/∂z\lim_{\partial z \to 0} \overline{\partial z}/\partial z tidak ada, sehingga ff tidak differentiable pada setiap titik.

Contoh:

f(z)=∣z∣2f(z) = |z|^2

f′(z)=lim⁡∂z→0∣z+∂z∣2−∣z∣2∂z=lim⁡∂z→0(z+∂z)(z‾+∂z‾)−∣z∣2∂z=z‾+∂z‾+z∂z‾∂z={z‾+∂z+z,∂z=∂x+0iz‾−∂z−z,∂z=0+∂yi\begin{align*} f'(z) &= \lim_{\partial z \to 0} \frac{|z + \partial z|^2 - |z|^2}{\partial z} \\ &= \lim_{\partial z \to 0} \frac{(z + \partial z)(\overline{z} + \overline{\partial z}) - |z|^2}{\partial z} \\ &= \overline{z} + \overline{\partial z} + z\frac{\overline{\partial z}}{\partial z}\\ &= \begin{cases} \overline{z} + \partial z + z, \quad \partial z = \partial x + 0i\\ \overline{z} - \partial z - z, \quad \partial z = 0 + \partial y i \end{cases} \end{align*}

maka, jika lim⁡\lim dari f(z)f(z) ada, maka:

z‾+0+z=z‾−0−z,  ⟹  z=0\overline{z} + 0 + z = \overline{z} - 0 - z, \quad \implies \quad z = 0

∴f\therefore f differentiable pada z=0z = 0 dan f′(z)=0f'(z) = 0.

catatan: f(z)=∣z∣2=u(x,y)+iv(x,y)f(z) = |z|^2 = u(x, y) + iv(x, y) dimana

u(x,y)=x2+y2,v(x,y)=0u(x, y) = x^2 + y^2, \quad v(x, y) = 0
  • ff kontinu dimanapun karena u(x,y)u(x, y) dan v(x,y)v(x, y) kontinu dimanapun.
  • tetapi ff tidak differentiable dimanapun karena f′(z)=0f'(z) = 0 hanya pada z=0z = 0.

sehingga, untuk setiap ff kita dapat menyimpulkan:

Kontinuitas TIDAK menjamin differentiability. Akan tetapi adanya derivatif berimplikasi akan adanya kontinuitas:

lim⁡z→z0[f(z)−f(z0)]=lim⁡z→z0[f′(z)(z−z0)]=0\lim_{z\to z_0} \left[f(z) - f(z_0)\right] = \lim_{z\to z_0} \left[f'(z)(z - z_0)\right] = 0

sehingga, jika ff differentiable pada z0z_0, maka ff kontinu pada z0z_0.

Differentiation Formulas

  • dcdz=0\displaystyle\frac{dc}{dz} = 0 dan ddz[cf(z)]=cf′(z)\displaystyle\frac{d}{dz}[cf(z)] = cf'(z) dimana cc adalah konstanta.
  • ddz[zn]=nzn−1\displaystyle\frac{d}{dz}[z^n] = nz^{n-1} dimana nn adalah bilangan bulat positif.
  • ddz[f(z)+g(z)]=f′(z)+g′(z)\displaystyle\frac{d}{dz}[f(z) + g(z)] = f'(z) + g'(z)
  • ddz[f(z)g(z)]=f′(z)g(z)+f(z)g′(z)\displaystyle\frac{d}{dz}[f(z)g(z)] = f'(z)g(z) + f(z)g'(z)
  • jika h(z)=g(f(z))h(z) = g(f(z)), maka dhdz=g′(f(z))f′(z)\displaystyle\frac{dh}{dz} = g'(f(z))f'(z)

Cauchy-Riemann Equations

Andaikan

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

dan f′(z)f'(z) ada ketika $z_0 = (x_0, y_0), maka

  • turunan pertama dari uu dan vv harus ada di (x_0, y_0)
  • turunan tersebut harus memenuhi Cauchy-Riemann equations: ∂u∂x=∂v∂y,∂u∂y=−∂v∂zdi(x0,y0)\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, \quad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial z} \quad \text{di} (x_0, y_0)

dan f′(z0)f'(z_0) dapat dituliskan sebagai:

f′(z0)=∂u∂x+i∂v∂x=∂v∂y−i∂u∂yf'(z_0) = \frac{\partial u}{\partial x} + i\frac{\partial v}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} - i\frac{\partial u}{\partial y}

Contoh: f(z)=∣z∣2f(z) = |z|^2

u(x,y)=x2+y2,v(x,y)=0u(x, y) = x^2 + y^2, \quad v(x, y) = 0

jika Cauchy-Riemann equations terpenuhi, maka:

∂u∂x=2x,∂v∂y=0∂u∂y=2y,−∂v∂x=0\begin{align*} \frac{\partial u}{\partial x} &= 2x, \quad \frac{\partial v}{\partial y} = 0 \\ \frac{\partial u}{\partial y} &= 2y, \quad -\frac{\partial v}{\partial x} = 0 \end{align*}

maka, f′(z)=2x+2yif'(z) = 2x + 2yi dan f′(z)=0f'(z) = 0 hanya pada z=0z = 0.

misalkan z=x+iy=reiθ≠0z = x + iy = re^{i\theta} \neq 0 dengan x=rcos⁡θx = r \cos \theta dan y=sin⁡θy = \sin \theta

aplikasikan chain rule:

∂u∂r=∂u∂xcos⁡θ+∂u∂ysin⁡θdan∂u∂θ∂u∂θ=−r∂u∂xsin⁡θ+r∂u∂ycos⁡θ∂v∂r=∂v∂xcos⁡θ+∂v∂ysin⁡θdan∂v∂θ=−r∂v∂xsin⁡θ+r∂v∂ycos⁡θ\begin{align*} \frac{\partial u}{\partial r} = \frac{\partial u}{\partial x}\cos\theta + \frac{\partial u}{\partial y}\sin\theta \quad &\text{dan} \frac{\partial u}{\partial \theta} \quad \frac{\partial u}{\partial \theta} = -r\frac{\partial u}{\partial x}\sin\theta + r\frac{\partial u}{\partial y}\cos\theta\\ \frac{\partial v}{\partial r} = \frac{\partial v}{\partial x}\cos\theta + \frac{\partial v}{\partial y}\sin\theta \quad &\text{dan} \quad \frac{\partial v}{\partial \theta} = -r\frac{\partial v}{\partial x}\sin\theta + r\frac{\partial v}{\partial y}\cos\theta \end{align*}

substitusikan ∂u∂x=∂v∂y\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} dan ∂u∂y=−∂v∂x\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}. Sehingga Cauchy-Riemann dalam bentuk polar adalah:

r∂u∂r=∂v∂θdan∂u∂θ=−r∂v∂r\begin{align*} r\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{\partial v}{\partial \theta} \quad \text{dan} \quad \frac{\partial u}{\partial \theta} = -r\frac{\partial v}{\partial r} \end{align*}