Ecuaciones de Cauchy-Riemann

Las ecuaciones de Cauchy-Riemann son dos ecuaciones diferenciales parciales que son básicas en el análisis de funciones complejas de variable compleja, debido a que su verificación constituye una condición necesaria (aunque no suficiente) para la derivabilidad de este tipo de funciones.

Sea una función compleja ${\displaystyle f(z)}$, con ${\displaystyle z=x+iy}$. Se sabe que ${\displaystyle f(z)}$ se puede descomponer en suma de dos funciones reales de dos variables ${\displaystyle u}$ y ${\displaystyle v}$, de manera que ${\displaystyle f(z)=f(x,y)=f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y)}$. Si la función ${\displaystyle f(z)}$ es derivable en un punto ${\displaystyle z_{0}=x_{0}+iy_{0}}$ entonces deben verificarse las condiciones de Cauchy-Riemann:

${\displaystyle u_{x}(x_{0},y_{0})=v_{y}(x_{0},y_{0})}$

${\displaystyle u_{y}(x_{0},y_{0})=-v_{x}(x_{0},y_{0})}$

donde ${\displaystyle u_{x}}$ significa la derivada parcial de la función ${\displaystyle u}$ respecto a la variable ${\displaystyle x}$, usualmente simbolizado ${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial x}}}$ . Análogamente para ${\displaystyle u_{y}}$, ${\displaystyle v_{x}}$ y ${\displaystyle v_{y}}$.

Además se cumple que el valor de la derivada en el punto, de existir, debe ser:

${\displaystyle f'(z_{0})=u_{x}(x_{0},y_{0})+iv_{x}(x_{0},y_{0})=v_{y}(x_{0},y_{0})-iu_{y}(x_{0},y_{0})}$

Demostración

Sea f una función de variable compleja:

${\displaystyle f(z=(x,y))=u(x,y)+i\,v(x,y)}$ 

que es derivable en un punto ${\displaystyle z_{0}\in \mathbb {C} \,:\,z_{0}=(x_{0},y_{0})=x_{0}+i\,y_{0}}$ . Dado que es derivable, sabemos que:

${\displaystyle \exists \lim _{z\rightarrow z_{0}}{\frac {f(z)-f(z_{0})}{\Delta z}}=\lim _{(x,y)\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {u(x,y)+i\,v(x,y)-u(x_{0},y_{0})-iv(x_{0},y_{0})}{(x-x_{0})+i(y-y_{0})}}}$ 

donde este último es un límite doble en el plano ${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}$  debido a la equivalencia topológica existente entre ${\displaystyle \mathbb {C} }$  y ${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}$  con la distancia euclídea. En tal caso, si existe el límite doble, sabemos que existen los límites direccionales y que coinciden. En particular, existirán los límites direccionales a lo largo de ${\displaystyle x=x_{0}}$  y de ${\displaystyle y=y_{0}}$ . Por consiguiente:

1) ${\displaystyle f'(z_{0})=\lim _{(x,y_{0})\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {u(x,y_{0})+i\,v(x,y_{0})-u(x_{0},y_{0})-iv(x_{0},y_{0})}{(x-x_{0})+i(y_{0}-y_{0})}}=}$ 

${\displaystyle =\lim _{(x,y_{0})\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {u(x,y_{0})-u(x_{0},y_{0})}{\Delta x}}+i\,\lim _{(x,y_{0})\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {v(x,y_{0})-v(x_{0},y_{0})}{\Delta x}}=}$ 

${\displaystyle =\partial _{x}u((x_{0},y_{0}))+i\,\partial _{x}v((x_{0},y_{0}))\equiv u_{x}(x_{0},y_{0})+i\,v_{x}(x_{0},y_{0})}$ 

2) ${\displaystyle f'(z_{0})=\lim _{(x_{0},y)\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {u(x_{0},y)+i\,v(x_{0},y)-u(x_{0},y_{0})-iv(x_{0},y_{0})}{(x_{0}-x_{0})+i(y-y_{0})}}=}$ 

${\displaystyle =\lim _{(x_{0},y)\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {u(x_{0},y)-u(x_{0},y_{0})}{i\Delta y}}+i\,\lim _{(x_{0},y)\rightarrow (x_{0},y_{0})}{\frac {v(x_{0},y)-v(x_{0},y_{0})}{i\Delta y}}=}$ 

${\displaystyle ={\frac {1}{i}}\partial _{y}u((x_{0},y_{0}))+\partial _{y}v((x_{0},y_{0}))\equiv v_{y}(x_{0},y_{0})-i\,u_{y}(x_{0},y_{0})}$ 

Si ahora igualamos 1 y 2, se deduce de manera inmediata el enunciado anterior, que se denomina ecuaciones de Cauchy-Riemann

Ejemplo

Veamos un ejemplo derivable en todo número complejo y por lo tanto las ecuaciones de Cauchy-Riemann se verificarán en cualquier ${\displaystyle z=x+iy}$ . Consideramos la función ${\displaystyle f(z)=z^{2}}$ . Ahora veamos esta función en coordenadas cartesianas.

${\displaystyle f(x+yi)=(x+yi)^{2}=(x^{2}-y^{2})+i2xy}$ 

por lo tanto las parte real e imaginaria de la función son ${\displaystyle u(x,y)=x^{2}-y^{2}}$  y ${\displaystyle v(x,y)=2xy}$  respectivamente. Derivado con respecto a ${\displaystyle x}$  e ${\displaystyle y}$  es inmediato que

${\displaystyle u_{x}=2x=v_{y}}$ 

y que

${\displaystyle u_{y}=-2y=-v_{x}}$ .

Por último verifiquemos la condición sobre las derivadas. La derivada (ver Complex analysis) de ${\displaystyle f}$  es claramente ${\displaystyle f'(z)=2z}$  (las reglas para derivar funciones complejas es similar a las funciones reales) por lo tanto

${\displaystyle f'(x+iy)=2(x+iy)=2x+i2y=u_{x}+iv_{x}=v_{y}-iu_{y}}$ 

Otras formas de expresar las ecuaciones

Algunas formas equivalentes de expresar las condiciones de Cauchy-Riemann son las siguientes:

${\displaystyle f_{x}+if_{y}=0}$ 

${\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial {\hat {z}}}}=0}$ 

También puede resultar útil expresar las ecuaciones en forma polar:^[1]​

${\displaystyle u_{r}={\frac {\partial u}{\partial x}}{\frac {\partial x}{\partial r}}+{\frac {\partial u}{\partial y}}{\frac {\partial y}{\partial r}}}$  ; ${\displaystyle u_{\theta }={\frac {\partial u}{\partial x}}{\frac {\partial x}{\partial {\theta }}}+{\frac {\partial u}{\partial y}}{\frac {\partial y}{\partial {\theta }}}}$  ; ${\displaystyle v_{r}={\frac {\partial v}{\partial x}}{\frac {\partial x}{\partial r}}+{\frac {\partial v}{\partial y}}{\frac {\partial y}{\partial r}}}$  ; ${\displaystyle v_{\theta }={\frac {\partial v}{\partial x}}{\frac {\partial x}{\partial {\theta }}}+{\frac {\partial v}{\partial y}}{\frac {\partial y}{\partial {\theta }}}}$ 

${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial r}}={\frac {1}{r}}{\frac {\partial v}{\partial {\theta }}}}$ 

${\displaystyle {\frac {\partial v}{\partial r}}=-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial u}{\partial {\theta }}}}$ 

Observación

Hay que hacer notar que las ecuaciones de Cauchy-Riemann no constituyen una condición suficiente, por lo que no valen por sí solas para demostrar la derivabilidad (respecto al parámetro complejo) de una función en un punto. El ejemplo clásico es

${\displaystyle f(z)={\begin{cases}\exp(-z^{-4})&{\text{si }}z\not =0\\0&{\text{si }}z=0.\end{cases}}}$ 

Esta función satisface las ecuaciones de Cauchy-Riemann pero no es continua en cero.

Sin embargo, sí tenemos condiciones suficientes de derivabilidad si la función, además de cumplir las ecuaciones de Cauchy-Riemann, se puede descomponer en dos funciones u y v derivables en el sentido real en un entorno de ${\displaystyle z_{0}=(x_{0},y_{0})}$ . El lema de Weyl nos dice que es suficiente que las ecuaciones de Cauchy Riemann se satisfagan débilmente en un entorno del punto y sean integrables en ese entorno.

Aplicación

Se dice que una función de clase ${\displaystyle C^{2}}$  de dos variables ${\displaystyle h(x,y)}$  con imagen en los reales es armónica cuando verifica la ecuación de Laplace:

${\displaystyle h_{xx}+h_{yy}=0}$ .

No es difícil verificar que dos funciones de clase ${\displaystyle C^{2}}$  que verifiquen las condiciones de Cauchy-Riemann son ambas armónicas. En tal caso se dice que ellas son armónicas conjugadas.

Referencias

1. James, Glyn; Burley, David (2002). Matemáticas avanzadas para ingeniería. Pearson Educación. ISBN 9789702602095. Consultado el 17 de noviembre de 2017. 

•   Datos: Q622741