A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
A RRIGO F INZI
Sulle trasformazioni conformi del piano e su due possibili estensioni del teorema di Cauchy
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 4, n
o3-4 (1950), p. 191-203
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SULLE TRASFORMAZIONI CONFORMI
E SU DUE POSSIBILI ESTENSIONI DEL
TEOREMA DI CAUCHY
di ARRIGO FINZI
(Roma)
1. -
Espone
inquesto
brevelavoro,
unsemplice
risultatoriguar-
dante i
fondamenti
della teoria delle trasformazioni conformi delpiano,
cheini si
è,
per cosdire,,, presentato da
sè nellostudio, più diflicile,
delle con-dizioni
per la validi tà del teorema di I..IOUVILLE.Consideriamo
una trasformazionepiana conforme,
diequazioni
supponiamo dapprima
che ey’ (x, y) ammettano
le derivateprime
,continne. Gli
angoli
fra i vettori infinitesimi uscenti da uno stessopunto
sono conservati dalla
trasformazione,
inoltre ilrapporto
fra lalunghezza
diun vettore illtiuitesiino uscente da ull
punto
e lalunghezza
del vettoreinfinitesimo trasformalo non
dipende
dalla direzicue delprimo
vettore. Per lusupposta continuità
dellederivate prime
le dueproprietà, indicate,
con-cettualmente distinte,
risultanoequivnlenti,
come si riconosce immediata-mente coi mezzi ordinari del calcolo
differenziale ;
ciascuna di essepuò
servire, a définire il gruppo
delle
trasformazioniconforma
..Si
può ora
notareche,
perpoter
enunciare l’ una e l’altra delle dueproprietà
inquestione,
non ènecessaria
la contiuuità.delle
derivateprime ;
basta la, loroesistenza,
inogni punto
e secondoogni direzione ;
ci .si
può
allorachiedere
se, inqueste
condizionipiù generali,
le dueproprietà
definiscano ancora uno stesso gruppo di trasformazioni
piane.
Allaquestione,
.coine mostrerò in
questo lavoro,.
sipuò rispondere afferrnativamente, quando
si
suppongano
limitate le derivateprime.
A si riconosce delresto
la
continuità
dellederivate.
Quando
siponga x + i y + z
e x’-~-, ~ y’ = z’
e siriguarda
la(1)
comeuna
corrispondenza
fra due variabilicomplesse si può dare,
delrisultato,
una diversa
interpretazione. È
classical’estensione che,
delteorema di
CAUOHY,
ha dato ilGouRsAT ;
se z’ con z in modo perogni
, valore di z
appartenente
a una certaregione del piano la
derivata.
’ dz
esista
e sia.allora z’
è funzione analitica di z . Ladimostrazione originaria
di CAUCHYpresupponeva,
inpiù,
la continuitàdella
derivata.Si riconosce
agevolmente
che ilrisultato
di cui soprapermette
disostituire, all’enunciato
di l’uno o 1’altro dei dueseguenti :
Se la variabile
compless z’
varia in modoche,
perogni
valore Z1appartenente
a una certaregione
delpian.o z
e perogni
direzionespic-
cata
da Z1’
y esista la derivata .e
questa "risulti limitata
e in modulo(oppnre
invece inargomento) indipen-
dente dalla
direziole, allora
è funzione _analitica di z.’
La dimostrazione del risultato sopra enunciato si fa mostrando che se
. 1’una delle due
proprietà
considerate è ovunque verificatain,
una certa re-gione,
l’altra è pureverincata, quando si
escludano eventualmente ipunti
di un insieme di misura nulla. Adattando
convenientemente
ilragionamento
dovuto a GOURSA1’ si
perviene
allora a provare clle z’ è funzione analitica di z ; si riconóscecos , a posteriori,
cheentrambe
leproprietà
debbono ’essere
ovunque
verificate nellaregione
stessi>. ’ ’2. - Sia 1’ u
pulto,,di
coordinate ,x, y,appartenente
16 un dominioD,
nelquale
sono dennite le funzionix’ (x, y)
e,y’ (x,y)
i sia P’ il lpunto
di coordinatex’, y’,
trasformato di ~’ per la(1). Riguardo
alla trasforma- zione(1) supponiamo soltanto,
inquesto paragrafo
e nelseguente,
che lefnnzioni x’ (x, y) e y’ (x , y),
che ladefiliiscono,
ammettano le derivateprime
111
ogni punto
e secondoogni
direzione.-
,
’
’
..
(i) Veramente, nell’enunciato di GOURSAT, non si fornula quest/nltima
ipotesi ;
si fa invece,implicitamente,
l’altra, che, in ogni punto, la convergenza delrapporto
incre-iiieiitale verso il valore della derivata
nel
punto stesso abbia luogo in modo uniforme rispettoalle ooi.
direzioni. Dnl pnnto di vista della teoria delle funzioni li variabili complesse una tale ipotesi appare abbastanza accettabile; dal punto di vista reale (e delle trasformazioni conformi) essa appare invece più forte di quella formulata nel testo.Se poi sia possibile dimostrare renunciato di GOURSAT (e quello del presente
lavoro)
senza introdurre nessuna di queste ipotesi, è questione alla quale forse non sarebbe
facile rispondere, . ’ .
---+
Consideriamo un numero di
vettori infinitesimi
v,Bcenti da P e i loro
trasformati v’1
i scenti da1’’ ;
sianopoi ’
tlei
vettori di lunghezza finita, aventi
la direzione e ilawn ctn t1 i ~!
spettivamente, ai quali
fuccimnocorrispondere
i vet-definiti
da P’ edai trasformati Pi
iIndichiamo
con |
1-..
la
lunghezza
di v,ispettivamente. L’ipotesi
tor-. I -
mutata,
detPesisteuza dellederivate prime, portu che, assegnati
due numeripositivi
E e , sipotrà
trovare un terzonumero positivo r (funzione
anche--.
li P e di v1i ale che se
1allora
siabbia
e
l’angolo formato
dal vettoreinfinitesimo v’i
col vettore risulti sem.. pre
minore
di,
’ ’ .
. Fissiamo ora invece
l’attenzione
sulla totalità dei vettori infinitesimi...,...
.
,
,,
-+
uscenti dà P e indichiamo
con v
ilvettóre infinitesimo generico
é conPP1
un vettore
finito avente
ladirezione
di v ; ingenerale
nonpotremo più scegliere r
in funzione di ee di q
in modoche,
per . ..si abbia sempre chè
e che
l’angolo
formato dal vettore colvettore. v’ risulti
minoredi q .
Potremo
però
orascegliere
i = r(P I
, li ,03B4)
inmodo che,
peri p Pt I
r, le duecondizioni assegnate risultino soddisfatte quando si supponga che
v nou
appartenga
a un certo insienleI
vettoriinfinitesilni, che, proiettato
da P sul cerchio unitario di centroP,
dà un insiemedi
/·
misura lineare non
superiore
a ò .’
3. - Da
ogui punto
1> deldominio D spicchiamo
un vettore infinite-simo ul avente la direzione dell’asse x e orientato nel senso delle x cre
scenti,
e un vettoreinfinitesimo v1 (scelto indipendentemente
daP),
che-+
partenga
alprimo quadrante del piano x, y
e formi con ul unangolo
minoredi 03C0/8 . Spicchianio poi
da P il vettore avente la direzione e il senso8 ’
,
di U1 e
lunghezza
.e la
famiglia
dei vettori aventi la direzione e il di li, e lun-ghezza
.1
’
dove ri
è un numerol)ositivo, che
ci riserbiamo ora di determinare.,
Indichiamo con 8i
due successioni di numeripositivi
teiiellti azero e con íui una successione di numeri
positiva
tali che converga la serie°
Per
ogni i potremo scegliere ri
iii modoche quando
si escludano i~
punti
1’ di un certoinsieme Ui,
di misura nonsuperiore
a /~y i vettoriPP;
egiacciano completamente
in1> ,
e siverificllino
inoltre le duecondizioni
che .e che
gli angoli
formati daul
1 conP’P;
e risultino minori.
(2) Contrariamente a quei che potrebbe sembrare a prima vista non si f’a uso qni del postulato di perché la scelta del numero rj e
dell’insieme Uj
si può effettuarecon
procedimento ben definito.
, .i
.
Fissiamo ora l’atteuzione sul
punto Pi,
estremo del vettorePPi;
quando
1’-descrive
l’insieme D -Ui l>i
descri ve un insieme diuguale
misura. un cambiamento d,i indichiamo ora il
punto
Pi con Pe
indichiamo
invece conPi
ilpunto
finoraindicato,
con P : .- Potremoallora
asserire
che, quando
si escludano ipunti
P di un insieme di misura nonsuperiore
a adogni punto
Psi può
farcorrispondere
unpunto pi ,
un .vettore P; P eùna famiglia
di vettori,PiMi, che godono delle proprietà e-
nunciate, Di qua, e dalla
convergenza della
serie(3),
si traeche, quaiido
siescludono
eventualmente
i P d’i un, tii misura nulla, si potra .assegnare, per
ogni l>u i’o P,
Una, successione di Pi(dove
i assume’
tutti i valori interi
positivi
salvo alpiù
un numero finiti diessi)
e, con in ciascuno deipunti
Pi P e unafamiglia
diche
godono
delleproprietà
enunciafe:Assumiamo
similmente unvettore infinitesimo
aventela
direzione dell’assey
eorientato
nel sensodelle
ycrescenti,
e un vettore infinitesimo25
cheappartenga
al secondoquadrante
eforiiii,
con U2 unangolo minore.
di
8 poi
tin vettoreinfinitesimo u3,
avente la direzione dell’asse x e orien-8
l ’’
,
tato nel senso delle x decrescenti e un
vettore
infinitesimo V3, cheappartenga
a 1 terzo
quadrante
e formi Con U3 unangolo
minore infine un vet-tore
infinitesimo u4, avente
la direzione dell’asse y eorientato
nel senso delle y decrescenti e un vettoreinfinitesimo
v4 , clreappartenga
alquarto
.
.quadrante
e formi con u4 nnangolo
minore di03C0/8.
8 Apartire
dau2
e v2,da u e
da u4
e V4rispettivamente, possiamo procedere
in modoanalogo
- -
.
a
quello seguito a partire
da u, e Vi.Arriviamo a concludere
che, quando
siescludano
eventualmentei punti
di wn ingieme N di si , possano
trovare,
perogni punto P,
successioni di
infiniti punti Pi (dove
i assumetutti
i valori iiiteri salvo alpiù
unnumero
finito di’essi)
e con in ciascunpunto
Piun
vettore e una
famiglia
divettori PiMi,
aV6nt’irispettcvamente la
’one e il senso di ul e di vl
(l =1, 2 , 3 , 4)
allecondizioni
a.
quelle
sopra enunciaíe, .4. -
Consideriamo
ancora latrasformazione definita
dalleequazioni
(1) ; in questo paragrafo supponiamo
di lagli angoli
i vettoriinfinitesimi
etsceuti da unpunto.
..
punto non
N ; dico che il
.. l(t,
lunghezza di un
uscente da p e lalunghezza del vettore
.
infinitesimo
direzione del
’
dunque indichiamo
cou Wte 1°2
due vettoriinfinitesimi
uscenti da P e con.
w’1 e w’2 i due vettori infinitesimi trasformati avremno
.Nella dimostrazione potremo evidentemente limitarci
asupporre che
. ;1 e W2
formino
fra loro unangolo minore
di4
supporremoinoltre,
per.
’
4 i . ’
.
fissare le
1idee,
che le 3
lorodirezioni orientate
siano entrambe interne:
golo
diampiezza 4 ir,
4definito
dal semiassenegativo
delie ... e dalla biset- trice delprimo quadrante
delpiano
x, y..
,
Indichiamo
con eBt
leintersezioni
della semiretta uscente dap.
eavente
ladirezione
e il senso div~
conle-due
semirette uscenti da P eaventi la
direzione
e il sensow2 rispettivamente.
Si avrà -’
Consideritvmo
i. Jpp,,. ,
~triangolo
lavente
i vedicinei
punti trasformati. 9
_
1.. i ,
1veirtieí.nei ,
i infinitamente
grande
il vettorePIP" forma
unangolo infinitesimo,
minore di qj con il vettore , trasformato del vettore infinitesimo u uscente da
Pi;
i1vettore
forma unangolo infinitesimo,
minore diuscente
daP
il vettorepi ,
M fortn
-,i unangolo infinite
i ’ ’ ,di
iicol vettore
v’1,
9 trasformato del vettoreinfinitesimo v1
uscente daP,.
Diqui,
e dal fatto chegli angoli
fra i vettorimnnitesimi
uscenti .da U~lpunto
sono
conservati
per la(1), segue che,
per t infinitamentegl’n,nde,l’angol0
è
uguale’ all’angolo Ai Pi P. Analogamente si
riconosceche, per i infinitamente grande, l’angolo A’i P’ P’i
èuguale alpangolo
Maallora,
sempre
per i
iinfinitamente grande,
iltriangolo
risulti simile altriangolo Ai P Pi;
si hadunque
°
’
.
’
.
In modo analogo
strova che, per i infinitamente grande,
iltriangolo
simile al
triangolo Bi Pi P e
che si-ha dunque
_’
,
Dalle due relazioni
ottenute
si ricavadalla quale segue immediatamente
_
,
5.
- Inquesto paragrafo supporremo invece di sapér’e
che ilrapporto
.
fra
l alunghezza
di un vettoreinfinitesimo
uscente da unpunto D
e lalunghezza
delvettore infinitesimo trasformato
nondipende dalla direzione
del.
primo
vettore. Al lemma delparagrafo precedente fa
ora riscontro ilseguente :
v, 1) un
unto ad N.; l’angolo fra
duevettori infinitesimi w
e w 2 uscenti da P , éconservato
perla (1).
-.
.
Nella
Nella dimostrazione
diquesto lemma
noi ’supporremo,
, come inquella.,
del .u
.lemma del
paragrafo precedente, che w1
eW2
forminofra , loro
unangolo minore
’
di -- c e. appartengano entrambi all’angolo
di dal se- ..4:, .
miasse
ne g ativo
delle xe dalla
bisettricedel . primo
delpiano
’
faremo- inoltre riferimento alla figura utilizzuta nel paragrafo. precedente.
,,
Si
ha5
i u baseall’ipotesi formulata,
,D’altra
parte
siha,
in baseiputesi
e in base aquanto
asserito 1con le
disuguagliatize (4),
.dalle
quali
si deduceprime
relazioni e dall,ultimadeduciamo
queste ci mostrano chopper
tinfinitamente grande,
iltriungolo
ri- Sulta simile altriango o
,na alloral’angolo
fornito’
uguale all’angolo
formato da W, e da .._
’
6. -
Poniamo
x+ iy = z e x’ + i y’ == z,;
le(1) determinano
la varia- bilecomplessa z’
in funzione della variabilecomplessa z ; indichiamo questa dipendenza
conl’equazione
della variabile complessa
z;indichiamo questa
Quando
ilpunto
«
P di ascissa z
tende verso
uupunto 1>1
di ascissa z~secondo la
direzione
di un vettoreinfinitesimo w spiccato
daP
il limitedel
rapporto incrementale,
’ ’ .ha modulo
uguale
alrapporto
fra lalunghezza
del vettoreintinitesimo
trasformato w" e la.lunghezza
del vettoreinfinitesimo
w, eargomento
u.guale
alladifferenza
fral’angolo
dite’
con l’asse x’e l’angolo
diw
conl’asse
x. Questo limite avrà dunque
moduloindipendente da w
se ilrap-
porto
fra lalunghezza
di unvettore infinitesimo uscente
daI’1,
elaluh- ghezza del
vettore infinitesimotrasformato
uscente daP’ non,dipende dalla
direzione del
primo vettore; argomento indipendente
da wse l’angolo
di due vettori
infinitesimi uscenti da P1 è sempre uguale all’angolo
dei duevettori infinitesimi
trasformatiuscenti dn Se entrambe queste propriét,à
hanno luogo
inl’p la possiederà in’questo punto
laderivata /"(%), eguale al limite, indipendeute’ direzione,
delrapporto
increment-tale
(5) ; tutte queste
sono coseben note (3).
Supponiamo
orache
una delle dueproprietà indicate
abbialuogo
ovuu-c ue in
allora,
come si è visto neiparagran precedenti,
entrambe leproprietà
hannoluogo
intutti
ipunti
di1), quando
siescluda eventual- Inente
un insieme 1’V dimisura nplla.
’
7. - Facciamo l’u1 teriore
ipotesi
che lederivate
delle funzionix’(x,y)
e’
limitate
in 1) : Ilrapporto (5) sarà allora,
in valoreassoluto, sempre
minoredi
uncerto numero .L; in particolare, nei punti in cui f’ (z)
ammette
laderivata,
si avrà ,.
’ ’
.
Si avrà
inoltre, indicando con z e z1
duepunti
tali che ilsegmento
che’
li
congiunge appartenga
aD .;
’’
..
Indichiamo
ora con I’ nna cnrva di JORDANsemplice, chiusa, rettificabile,
che sia il contorno
completo
di nnaregione R, tutta interna a
-D.Yogtiarno
-
,
esteso
necessariamente eguale
a zero.Designaino
con ccdi R e
con Z lalunghezza di
F.(3)
Peraltro
la definizione abituale di derivataiu
un puntó èalquanto più
restrittiva,implicando
laconvergenza
uniforme del rapporto incremeutale alla derivata stessa,;:
Scegliamo
tre numeripositivi
*. piacere
e unnumero positivo
r,
piccolo
inmodo
chel’insieme
deipunti P
diD-N,
neiquali.non
risulticostituisca un insieme di
misura pia piccola
di unaquantità u prefissata.
. sarà
Dividiamo mediante
un reticolato ilpiano z
inquadrati
di latoi-; R
a sua volta diviso iti
quadrati
e(lungo
ilcontorno)
inpoligoni qisti- linei; l’integrale (6)
esteso aF, percorsa,
per es., in sensoorario,
sarà’
eguale
alta sommadegli integrali estesi
alcontorno,
pure percorso in sensoorario,
diciascuno
deiquadrati
e deipoligoni mistilinei,
che coprono R.All’interno
di ognuno deiquadrati prendiamo
uu nuovoquadrato
di lato3
avente lo stesso centro e latiparalleli ;
cominciamo col valutare.
gli integrali
estesi al contorno diquei quadrati
delreticolato,
tali che iquadrati corrispondenti
di lato3 contengano allliuterno
almeno unpunto,
per il
quale
risultisoddisfatta
la(7).
,Consideriamo
unodeterminato
diquesti quadrati
di lato rèindichiamo con Zi l’ascissa di
unpunto P,,
interno alquadrato corrispondente
di lato3
r e per ilquale
risultisoddisfatta
la(7) ; designamo poi
con zl’ascissa
di unpunto P,
che percorra il contorno delquadrato
di , lato r .Siccome I>,
nonappartiene
adN,
inquesto punto
la deri-vata
f’(z);
avremopoi
’ . ’ ’avendo
posto
L’integrale (6) esteso
al contorno delquadrato
sipuò spezzare nella
somma di tre
integrali,
.1 1di
questi
iprimi
due sonoevidentemente uguali
a zero,e
noi ’ avremoperciò soltanto
da valutare il terzo.~
(4) La funzione r
(P ~
~, ~ ,a)
è stata introdotta alparagrafo
2.Consideriamo dapprima l’insieme
deipunti
.Pdel perinnetroy
taliche
.,
P P
nonappart.edga,
come direzione esenso,
all’insiemeE
E , n , de.,
finito al
paragrafo 2. °In corrispondenza
a talipunti,
ypoichè
.° . si
trae, in
base aquanto
asserito con la(2), _
mentre
si had’altra parte
,’
sideduee che
si h~ L’integrale (5)
estesoàll’in-
sieme considerato non supera
dunque
491) r2
2~. ·Cousideriamo
successivamente l’integrale esteso all’insieme comp emen-
.tare costituito
dai punti
Pdel perimetro, tali che P1P appartenga
comedireziona
eseuso, a I’1
· Si haintanto
’
. ,
d’altra
parte, ricordando
chequesti punti
sono visti daR
t sotto unangolo
,complessivo
.inferiore a’ò ,
sitrova,
conun’analisi elementare, che la mi-
.
’
sura
dell’insieme
diquesti punti
èinferiore - i- sen L’integrale esteso
.’
. 3
all’insieme in questione è quindi
,inferiore, in
valoreassoluto, a - 10 r 2
L sen 03B4 .3 .
Concludiamo che che
l’integr-ale esteso
alperimetro
delquadrato
inquestione
èinferiore,
ihvalore assoluto,
a -i
.
’
Il numero
complessivo ’dei quadrati considerati,
di area r2 ecompresi
nellaregione R
di area a, nonpuò
superarea/r2 ;
a ; il contributodell’integrale
e-steso al
perimetro
di tuttiquesti quadrati
èdunque inferiore,
in va.loreassoluto,
al ’ ’Vallitiamo
ora il contributodell’integrale (6)
esteso alperiinetro
dei rima- nent. terno adquadrati
del reticolato edei poligoni mistilinei.
SiaP,
nupunto
in-uno determinato dei
quadrati
edei poloni in questione ;
siha
per
l’integrale
esteso alcontorno,
’Il
primo integrale
al secondomembro
ènullo
, · si hapoi
l’integrale
da calcolare nonpuò dunque
superare, i ii valoreassoluto
-2 i* L moltiplicato
per ilperimetro.
’Notiamo
ora che l’areacomplessiva
deiquadrati
di iato---
che non, 3
contengono
nessunpunto P1
per ilquale
sia soddisfatta la(7), non può
evidentemente superare li;dunque
l’area, deiquadrati corrispondenti
del reticolato nonpuò
superare9-,u.
Ilperimetro
totale deiquadrati
in qiie- stione . nonpuò
allora superare36 -u.
...r
’ .
Il
perimetro
totale deipoligoni
mistilinei è d-a traparte inferiore
a 6
1 (5).
>Si
conclude che. l’integrale (6)
esteso alperimetro
deiquadrati
e dei’.poligoni
considerati èinferiore,
in valoreassoluto,
a. (5) Tracio per hrevi tà la facile dimostrazione di qnesta
affermazione
vl’esse íziale,
del resto, per la
dednzione,
è ohe il perimetro (lei poligoni mistilinei non superinna certa fnnzione lineare di l , ’
Si trova in definitiva che
rinterrate (6)
esteso al contorno T di R è infe-riore,
9 invalore assoluto, a
disponeudo
diE , ~ , ~ , r
sipuò rendere questa quantità
arbitrariamente .piccola. Si couclude,
comenell’enunciato,
chel’integrale (6) esteso a
r ènecessarianente eguale
a zero.Applicando
allora il teoremadi
si deduceinfine che
z’f (z)
- è funzione analitica di z :
’
i .