ABSCHNITT I. - EINLEITENDE BETRACHTUNGEN.

§. 1. Stationäre Strömungen in der Ebene als Deutung der Functionen von x

+ iy.

Die physikalische Deutung der Functionen von [formula], mit welcher wir im

Folgenden zu arbeiten haben, ist in ihren Grundlagen wohlbekannt(1), nur

der Vollständigkeit halber müssen letztere kurz zur Sprache gebracht

werden.

Sei [formula], [formula], [formula]. Dann hat man vor allen Dingen:

[formula]

und hieraus:

[formula]

sowie für _v_:

[formula]

Hier wird man nun _u_ als _Geschwindigkeitspotential_ deuten, so dass

[formula] [formula] die Componenten der Geschwindigkeit sind, mit der eine

Flüssigkeit parallel zur [formula]-Ebene strömt. Wir mögen uns diese

Flüssigkeit zwischen zwei Ebenen eingeschlossen denken, die parallel zur

[formula]-Ebene verlaufen, oder auch uns vorstellen, dass die Flüssigkeit

als unendlich dünne, übrigens gleichförmige Membran über der

[formula]-Ebene ausgebreitet sei. Dann sagt die Gleichung (2)--und dies

ist der Kern unserer physikalischen Deutung--, dass unsere Strömung eine

_stationäre_ ist. Die Curven [formula] Const. heissen die _Niveaucurven_,

während die Curven [formula] Const., die vermöge (1) den ersteren überall

rechtwinkelig begegnen, die _Strömungscurven_ abgeben.

Bei dieser Vorstellungsweise ist es zunächst natürlich völlig

gleichgültig, wie beschaffen wir uns die strömende Flüssigkeit denken

wollen. Inzwischen wird es in der Folge vielfach zweckmässig sein,

dieselbe mit dem _elektrischen Fluidum_ zu identificiren. Es wird dann

nämlich _u_ mit dem elektrostatischen Potential, welches die Strömung

hervorruft, proportional, und die experimentelle Physik gibt uns

mannigfache Mittel an die Hand, um zahlreiche Strömungszustände, die uns

interessiren, thatsächlich zu realisiren.

Die Strömung selbst wird übrigens ungeändert bleiben, wenn wir _u_

durchweg um eine Constante vermehren: es sind nur die

Differentialquotienten [formula], welche unmittelbar in Evidenz treten.

Das Analoge gilt von _v_; so dass die Function [formula], welche wir

physikalisch deuten, durch diese Deutung nur bis auf eine additive

Constante bestimmt ist, was im Folgenden wohl zu beachten ist.

Sodann bemerke man noch, dass die Gleichungen (1)-(3) ungeändert bestehen

bleiben, wenn man _u_ durch _v_, _v_ durch [formula] ersetzt.

Dementsprechend erhalten wir einen zweiten Strömungszustand, bei welchem

_v_ das Geschwindigkeitspotential abgibt und die Curven [formula] Const.

die Strömungscurven sind. Derselbe repräsentirt in dem oben erläuterten

Sinne die Function [formula]. Es ist häufig zweckmässig, diese neue

Strömung neben der ursprünglichen zu betrachten, bei welcher _u_ das

Geschwindigkeitspotential war; wir wollen dann der Kürze halber von

_conjugirten_ Strömungen sprechen. Die Benennung ist zwar etwas ungenau,

weil sich _u_ zu _v_ verhält, wie _v_ zu [formula]; sie wird aber für

später ausreichen.

Diese ganze Erläuterung bezieht sich, gleich den Differentialgleichungen

(1)-(3), zuvörderst nur auf einen solchen (übrigens beliebigen) _Theil_

der Ebene, in welchem [formula] eindeutig ist und weder [formula], noch

einer seiner Differentialquotienten unendlich wird. Um den entsprechenden

physikalischen Vorgang deutlich zu übersehen, hat man sich also vorab

einen solchen Bereich abzugränzen und durch geeignete Vorrichtungen an der

Gränze dafür zu sorgen, dass der im Inneren des Gebietes eingeleitete

stationäre Bewegungszustand ungehindert fortdauern kann.

In einem so umgränzten Gebiete werden diejenigen Puncte [formula] unsere

besondere Aufmerksamkeit auf sich ziehen, für welche der

Differentialquotient [formula] verschwindet. Ich will der Allgemeinheit

wegen gleich annehmen, dass auch [formula], [formula], [formula] bis hin

zu [formula] gleich Null sein mögen. Um über den Verlauf der Niveaucurven,

oder auch der Strömungscurven, in der Nähe eines solchen Punctes

Aufschluss zu erhalten, entwickele man _w_ in eine nach Potenzen von

[formula] fortschreitende Reihe. Dieselbe bringt hinter dem constanten

Gliede unmittelbar ein Glied mit [formula]. Durch Einführung von

Polarcoordinaten schliesst man hieraus: _dass sich im Puncte _[formula]_

_[formula]_ Curven _[formula]_ Const. unter resp. gleichen Winkeln

kreuzen, während ebensoviel Curven _[formula]_ Const. als Halbirungslinien

der genannten Winkel auftreten_. Ich werde einen solchen Punct

dementsprechend einen _Kreuzungspunct_ nennen, und zwar einen

_Kreuzungspunct von der Multiplicität _[formula].

Die folgende (selbstverständlich nur schematische) Figur mag dieses

Vorkommniss für [formula] erläutern und namentlich verständlich machen,

wie sich ein Kreuzungspunct in das Orthogonalsystem einfügt, welches

übrigens von den Curven [formula] Const., [formula] Const. gebildet wird:

[Illustration: Figur 1.]

Figur 1.

Die Strömungscurven [formula] Const. erscheinen in der Figur ausgezogen

und die Strömungsrichtungen auf ihnen durch beigesetzte Pfeilspitzen

angegeben; die Niveaucurven sind durch Punctirung angedeutet. Man sieht,

wie die Flüssigkeit von drei Seiten auf den Kreuzungspunct zuströmt, um

ebenfalls nach drei Seiten von demselben abzuströmen. Diess wird nur

dadurch möglich, dass die Geschwindigkeit der Strömung im Kreuzungspunkte

gleich Null wird (dass sich die Flüssigkeit in demselben staut, wie man

nach Analogie bekannter Vorkommnisse sagen könnte). In der That ist ja die

Geschwindigkeit durch [formula] gegeben.

Es ist weiterhin vortheilhaft, den Kreuzungspunkt von der Multiplicität

[formula] _als Gränzfall von _[formula]_ einfachen Kreuzungspuncten_

aufzufassen. Dass diess zulässig ist, zeigt die analytische Behandlung.

Denn im [formula]-fachen Kreuzungspunkte hat die Gleichung [formula] eine

[formula]-fache Wurzel, und eine solche entsteht, wie man weiss, durch

Zusammenrücken von [formula] einfachen Wurzeln. Im Uebrigen mögen folgende

Figuren diese Auffassung erläutern:

[Illustration: Figur 2.]

Figur 2.

[Illustration: Figur 3.]

Figur 3.

Ich habe in denselben der Einfachheit halber nur die Strömungscurven

angegeben. Linker Hand erblickt man denselben Kreuzungspunct von der

Multiplicität Zwei, auf den sich Figur 1 bezieht. Rechter Hand liegt eine

Strömung vor, welche dicht bei einander zwei einfache Kreuzungspuncte

aufweist. Man erkennt, wie der eine Strömungszustand aus dem anderen durch

continuirliche Aenderung hervorgeht.

Bei dieser Erläuterung wurde stillschweigend vorausgesetzt, dass das

Gebiet, in welchem wir den Strömungszustand betrachten, sich nicht in’s

Unendliche erstrecke. Es hat allerdings keinerlei principielle

Schwierigkeit, den Punct [formula] ebenso in Betracht zu ziehen, wie

irgend einen anderen Punct [formula]. An Stelle der Reihenentwickelung

nach Potenzen von [formula] hat dann in bekannter Weise eine solche nach

Potenzen von [formula] zu treten. Man wird von einem [formula]-fachen

Kreuzungspuncte bei [formula] sprechen, wenn diese Entwickelung hinter dem

constanten Gliede sofort einen Term mit [formula] bringt. Aber es scheint

überflüssig, die geometrischen Verhältnisse, welche diesen Vorkommnissen

bei unserer Strömung entsprechen, ausführlicher zu schildern. Denn wir

werden später Mittel und Wege kennen lernen, um die Sonderstellung des

Werthes [formula], wie sie uns hier entgegentritt, ein für allemal zu

beseitigen. Ebendesshalb wird der Punct [formula] in den nächstfolgenden

Paragraphen (§. 2-4) bei Seite gelassen, trotzdem er auch dort, wenn man

vollständig sein wollte, besonders in Betracht gezogen werden müsste.

§. 2. Berücksichtigung der Unendlichkeitspuncte von w = f(z).

Wir wollen nunmehr auch solche Puncte [formula] in unser Gebiet

hereinnehmen, in denen [formula] unendlich gross wird. Dabei schränken wir

indess die unbegränzte Reihe der Möglichkeiten, welche in dieser Richtung

vorliegt, mit Rücksicht auf die specielle von uns allein zu studierende

Functionsclasse bedeutend ein. Wir wollen verlangen, _dass der

Differentialquotient _[formula]_ keine wesentlich singuläre Stelle

besitzen soll_, oder, was dasselbe ist, wir wollen festsetzen, _dass __w__

nur so unendlich werden darf, wie ein Ausdruck der folgenden Form_:

[formula]

_unter _[formula]_ eine bestimmte endliche Zahl verstanden_.

Entsprechend den verschiedenen Formen, die dieser Ausdruck darbietet,

sagen wir, dass sich bei [formula] verschiedene Unstetigkeiten überlagern:

ein _logarithmischer_ Unendlichkeitspunct, ein _algebraischer_

Unendlichkeitspunct von der Multiplicität Eins, u. s. f. Wir werden der

Einfachheit halber hier jedes dieser Vorkommnisse für sich betrachten,

worauf es eine nützliche Uebung sein wird, sich in einzelnen Fällen das

Resultat der Ueberlagerung deutlich zu machen.

Sei [formula] zuvörderst ein _logarithmischer_ Unendlichkeitspunct. Wir

haben dann:

[formula]

Hier ist _A_ diejenige Grösse, welche man, mit [formula] multiplicirt,

nach _Cauchy_ als _Residuum_ des logarithmischen Unendlichkeitspunctes

bezeichnet, eine Benennung, die im Folgenden gelegentlich angewandt werden

soll. Für die Strömung in der Nähe des Unstetigkeitspunctes ist es von

primärer Wichtigkeit, ob _A_ reell ist oder rein imaginär, oder endlich

complex. Offenbar kann man den dritten Fall als eine Ueberlagerung der

beiden ersten auffassen. Wir wollen daher auch ihn bei Seite lassen und

haben uns somit nur mit zwei getrennten Möglichkeiten zu beschäftigen.

1) Wenn _A_ reell ist, so werde [formula] gesetzt. Man hat dann in erster

Annäherung für [formula], [formula]:

[formula]

Die Curven [formula] Const. umgeben also den Unendlichkeitspunct in

Gestalt kleiner Kreise; die Curven [formula] Const. laufen, den

wechselnden Werthen von [formula] entsprechend, in allen Richtungen auf

den Unendlichkeitspunct zu. Wir haben eine Bewegung, bei welcher

[formula]_ eine Quelle von einer gewissen positiven oder negativen

Ergiebigkeit vorstellt_. Um diese Ergiebigkeit zu berechnen, multipliciren

wir das Bogenelement eines kleinen mit dem Radius _r_ um den

Unstetigkeitspunct beschriebenen Kreises mit der zugehörigen

Geschwindigkeit und integriren den so gewonnenen Ausdruck längs der

Kreisperipherie. Da [formula] in erster Annäherung mit [formula] und

dieses mit [formula] zusammenfällt, so kommt:

[formula]

als Werth der Ergiebigkeit. _Die Ergiebigkeit ist also gleich dem

Residuum, getheilt durch __i__; sie ist positiv oder negativ je nach dem

Werthe von __A_.

2) Sei zweitens _A_ rein imaginär, gleich [formula]. Dann kommt unter

Beibehaltung der übrigen Bezeichnungen in erster Annäherung:

[formula]

Die Rollen der Curven [formula] Const., [formula] Const. sind also

geradezu vertauscht. Die Niveaucurven verlaufen jetzt nach allen

Richtungen von [formula] aus, während die Strömungscurven den

Unendlichkeitspunct in kleinen Kreisen umgeben. Die Flüssigkeit _wirbelt_

auf letzteren Curven um den Punct [formula] herum. Ich will den Punct

dementsprechend als einen _Wirbelpunct_ bezeichnen. Sinn und Intensität

des Wirbels werden durch [formula] gemessen. Da die Geschwindigkeit

[formula]

in erster Annäherung gleich [formula] wird, _so findet die Wirbelbewegung

bei positivem_ [formula] _im Sinne des Uhrzeigers, bei negativem

_[formula]_ in entgegengesetztem Sinne statt_. Wir mögen die Intensität

des Wirbels gleich [formula] setzen, sie ist dann dem Residuum des

betreffenden Unendlichkeitspunctes negativ gleich.

Uebrigens können wir sagen, indem wir uns der Definition conjugirter

Strömungen, wie sie im vorigen Paragraphen gegeben wurde, mit der ihr

anhaftenden Unbestimmtheit erinnern: _Hat eine von zwei conjugirten

Strömungen bei _[formula]_ eine Quelle von einer gewissen Ergiebigkeit, so

hat die andere dort einen Wirbelpunct von gleicher oder entgegengesetzt

gleicher Intensität_.

Wir betrachten ferner die _algebraischen_ Unstetigkeitspuncte. Bei ihnen

ist der Verlauf der Strömung seinem allgemeinen Charakter nach davon

unabhängig, ob das erste Glied der Reihenentwickelung einen reellen,

imaginären oder complexen Coefficienten hat. Sei zuvörderst:

[formula]

so wird in erster Annäherung für [formula], [formula]:

[formula]

Betrachten wir zuvörderst den reellen Theil rechter Hand. Wenn _r_ sehr

klein ist, so kann [formula] durch geschickte Wahl von [formula] doch noch

jeden beliebigen vorgegebenen Werth vorstellen. _Die Function __u__ nimmt

also in unmittelbarer Nähe der Unstetigkeitsstelle noch jeden Werth an_.

Zur näheren Orientirung denken wir uns einen Augenblick _r_ und [formula]

als unbegränzte Veränderliche, setzen also

[formula]

Wir erhalten dann ein Büschel von Kreisen, welche alle die feste Richtung

[formula] berühren. Die Kreise sind um so kleiner, je grösser der absolute

Betrag von Const. genommen wird. _In ähnlicher Weise verlaufen daher die

Curven _[formula]_ Const. in der Nähe der Unstetigkeitsstelle.

Insbesondere haben sie für sehr grosse positive oder negative Werthe von

Const. die Gestalt kleiner, geschlossener, kreisähnlicher Ovale_.--Für den

imaginären Theil des Ausdrucks rechter Hand und also die Curven [formula]

Const. gilt eine ähnliche Discussion. Der Unterschied ist nur der, dass

jetzt die Richtung [formula] von allen Curven berührt wird. Hiernach wird

die folgende Figur, in welcher die Niveaucurven wieder punctirt, die

Strömungscurven ausgezogen sind, verständlich sein:

[Illustration: Figur 4.]

Figur 4.

Die analoge Discussion liefert vom [formula]-fachen algebraischen

Unstetigkeitspuncte die erforderliche Anschauung. Ich will hier nur das

Resultat anführen: _Jede Curve _[formula]_ Const. läuft _[formula]_-mal

durch den Unstetigkeitspunct hindurch, indem sie der Reihe nach

_[formula]_ feste, gleich stark gegen einander geneigte Tangenten berührt.

Analog die Curven _[formula]_ Const. Für sehr grosse (positive oder

negative) Werthe der Constante sind beiderlei Curven in__ unmittelbarer

Nähre der Unstetigkeitsstelle geschlossen_. Ich gebe zur Veranschaulichung

eine Figur für [formula]:

[Illustration: Figur 5.]

Figur 5.

Man wird vermuthen, dass diese höheren Vorkommnisse aus den niederen durch

Gränzübergang entstehen mögen. Ich verschiebe die betreffende Erläuterung

bis zum folgenden Paragraphen, wo uns eine bestimmte Functionsclasse die

erforderlichen Anschauungen mit Leichtigkeit vermitteln wird.

§. 3. Rationale Functionen und ihre Integrale. Entstehung höherer

Unendlichkeitspuncte aus niederen.

Die entwickelten Sätze genügen, um den Gesammtverlauf solcher Functionen

zu veranschaulichen, die, übrigens in der ganzen Ebene eindeutig, keine

anderen Unendlichkeitspuncte aufweisen, als die eben betrachteten. Es sind

diess, wie man weiss, _die rationalen Functionen und ihre Integrale_. Ohne

ausgeführte Zeichnungen zu geben, stelle ich hier die Sätze, welche man

bei ihnen betreffs der Kreuzungspuncte und Unendlichkeitspuncte findet, in

knapper Form zusammen. Ich beschränke mich dabei, aus dem oben angegebenen

Grunde, auf solche Fälle, in denen [formula] keinerlei ausgezeichnete

Rolle spielt. Die hierin liegende Beschränkung wird hinterher, wie bereits

angedeutet, von selbst in Wegfall kommen.

1) Die rationale Function, welche wir zu betrachten haben, stellt sich in

der Form dar:

[formula]

wo [formula] und [formula] ganze Functionen desselben Grades sind, die

ohne gemeinsamen Theiler angenommen werden können. Ist dieser Grad der

[formula] und zählt man jeden algebraischen Unendlichkeitspunct so oft,

als seine Multiplicität anzeigt, so erhält man, den Wurzeln von [formula]

entsprechend, _n_ algebraische Unstetigkeitspuncte. Die Kreuzungspuncte

sind durch [formula], eine Gleichung [formula] Grades, gegeben. _Die

Gesammtmultiplicität der Kreuzungspuncte ist also_ [formula], wobei man

aber beachten muss, dass jede [formula]-fache Wurzel von [formula] eine

[formula]-fache Wurzel von [formula] ist und also jeder [formula]-fache

Unendlichkeitspunct der Function für [formula] Kreuzungspuncte mitzählt.

Ueber Riemann's Theorie der Algebraischen Functionen · 第 4 / 11 题