Denn wenn zwischen [formula] eine Gleichung

[formula]

mit constanten Coëfficienten bestünde, so würde dieselbe die folgenden

Relationen begründen:

[formula]

aus denen vermöge der angegebenen Beziehungen das widersinnige Resultat

[formula]

folgen würde.

Es sei nun ferner [formula] von [formula] und [formula] linear unabhängig.

Dann nehmen wir das zugehörige [formula] und haben dann den allgemeineren

Satz:

_Die vier Functionen _[formula]_ sind ebenfalls linear unabhängig._

In der That könnte man aus jeder linearen Relation:

[formula]

durch Benutzung der zwischen den [formula] bestehenden Beziehungen die

folgenden Gleichungen ableiten:

[formula]

aus denen durch Integration eine lineare Abhängigkeit zwischen [formula]

folgen würde.--

So vorwärts schliessend bekommt man endlich [formula] linear unabhängige

Potentiale:

[formula]

wo jedes _v_ mit dem gleichbezeichneten _u_ zusammengehört. Wir setzen

[formula] und nennen nunmehr überall endliche Functionen [formula] linear

unabhängig, wenn zwischen ihnen keinerlei Relation:

[formula]

besteht, unter [formula] beliebige complexe Constanten verstanden. Dann

haben wir sofort:

_Die __p__ überall endlichen Functionen_

[formula]

_sind linear unabhängig._

Wenn nämlich eine lineare Abhängigkeit bestünde, so könnte man in ihr das

Reelle und Imaginäre sondern und erhielte dadurch lineare Beziehungen

zwischen den _u_ und _v_.

Des Weiteren aber folgt: _Jede beliebige überall endliche Function setzt

sich aus unseren _[formula]_ in der Form zusammen:_

[formula]

In der That können wir durch geeignete Wahl der complexen Constanten

[formula] bei der linearen Unabhängigkeit der [formula] erreichen, dass

eine durch vorstehende Formel definirte Function _w_ an den [formula]

Querschnitten beliebig vorgegebene Grössen als Periodicitätsmoduln des

reellen Theils aufweist.

Diess ist das Theorem, welches wir hinsichtlich der Darstellung überall

endlicher Functionen im gegenwärtigen Paragraphen aufzustellen hatten. Der

Uebergang zu _Functionen mit Unendlichkeitsstellen_ ist nun sehr leicht zu

bewerkstelligen.

Es seien [formula] die Punkte, in denen unsere Function in irgendwie

vorgeschriebener Weise unendlich werden soll. Wir wollen dann einen

Hülfspunct [formula] einführen und eine Reihe von einzelnen Functionen

[formula]

construiren, von denen jede einzelne nur in einem der Puncte [formula],

und zwar in der für diesen Punct vorgeschriebenen Weise, unendlich werden

soll und überdies in [formula] einen logarithmischen Unstetigkeitspunct

besitzen mag, dessen Residuum dem, zu dem betreffenden [formula]

gehörigen, logarithmischen Residuum entgegengesetzt gleich kommt. Die

Summe

[formula]

wird dann in [formula] stetig; denn die Summe aller zu den

Unstetigkeitspuncten [formula] gehörigen Residua ist, wie wir wissen,

gleich Null. Ueberdiess wird sie in den [formula] und nur in den

[formula], dabei in der vorgeschriebenen Weise unendlich. Sie

unterscheidet sich also von der gesuchten Function nur um eine überall

endliche Function. _Die gesuchte Function ist also in der Gestalt

darstellbar:_

[formula]

womit wir auch das allgemeine hier in Betracht kommende Theorem gefunden

haben.

Dasselbe entspricht offenbar der Zerlegung, welche wir in §. 4 für die auf

der Kugel existirenden complexen Functionen betrachteten, und die wir

damals, wie man es gewöhnlich thut, der Lehre von der

_Partialbruchzerlegung rationaler Functionen_ entnahmen.

§. 13. Ueber die Vieldeutigkeit unserer Functionen. Besondere Betrachtung

eindeutiger Functionen.

Die Functionen [formula], welche wir auf unseren Flächen studieren, sind

im Allgemeinen unendlich vieldeutig: denn einmal bringt jeder

logarithmische Unendlichkeitspunct einen Periodicitätsmodul mit sich,

andererseits haben wir die Periodicitätsmoduln an den [formula]

Querschnitten [formula], deren reelle Theile wir willkürlich annehmen

konnten. Ich sage nun, _dass mit diesen Angaben die Vieldeutigkeit von

_[formula]_ in der That erschöpft ist_. Zum Beweise müssen wir auf den

Begriff der Aequivalenz zweier Curven auf gegebener Fläche zurückgreifen,

den wir in §. 9 zunächst zu anderem Zwecke einführten. Da die

Differentialquotienten von _u_ und _v_ (oder, was dasselbe ist, die

Componenten der zugehörigen Strömung) auf unserer Fläche durchweg

eindeutig sind, so liefern zwei aequivalente geschlossene Curven, welche

durch keinen logarithmischen Unstetigkeitspunkt getrennt sind, bei

Durchlaufung denselben Zuwachs von _u_, wie von _v_. Nun fanden wir aber,

dass jede geschlossene Curve mit einer ganzzahligen Combination der

Querschnitte [formula] aequivalent ist. Wir bemerkten ferner (§. 10), dass

die Durchlaufung von [formula] denjenigen Periodicitätsmodul liefert,

welcher der Ueberschreitung von [formula] entspricht, und umgekehrt.

Hieraus aber folgt das ausgesprochene Theorem in bekannter Weise.

Es wird uns nun insbesondere interessiren, _eindeutige_ Functionen des

Ortes zu betrachten. Dem Gesagten zufolge werden wir alle solche

Functionen erhalten, wenn wir als Unstetigkeiten nur rein _algebraische_

Unendlichkeitspuncte zulassen und dann dafür sorgen, dass die [formula]

Periodicitätsmoduln an den Querschnitten [formula] sämmtlich verschwinden.

Dabei wird es der leichteren Ausdrucksweise wegen gestattet sein, nur

_einfache_ algebraische Unstetigkeitspuncte in Betracht zu ziehen. Denn

wir wissen ja aus §. 3, dass der [formula]-fache algebraische

Unstetigkeitspunct durch Zusammenrücken von [formula] einfachen entstehen

kann, wobei übrigens, wie man nicht vergessen darf, Kreuzungspuncte in der

Gesammtmultiplicität [formula] absorbirt werden. Seien also _m_ Puncte als

einfache algebraische Unendlichkeitspuncte der gesuchten Function gegeben.

So wollen wir zuerst irgend _m_ Functionen des Ortes bilden: [formula] von

denen jede nur an einer der gegebenen Stellen einfach algebraisch

unendlich werden soll aber übrigens beliebig vieldeutig sein mag. Aus

diesen _Z_ setzt sich die allgemeinste complexe Function des Ortes, welche

an den gegebenen Stellen einfache algebraische Unstetigkeiten besitzt, dem

vorigen Paragraphen zufolge in der Gestalt zusammen:

[formula]

unter [formula] beliebige constante Coëfficienten verstanden. Um eine

eindeutige Function zu haben, setzen wir die Periodicitätsmoduln, welche

dieser Ausdruck an den [formula] Querschnitten besitzt, gleich Null. Aber

diese Periodicitätsmoduln setzen sich vermöge der [formula] aus den

Periodicitätsmoduln der [formula] linear zusammen. _Wir finden also

_[formula]_ lineare homogene Gleichungen für die _[formula]_ Constanten

__a__ und __c__._ Wir wollen annehmen, dass diese Gleichungen linear

unabhängig sind(21). Dann kommt der wichtige Satz:

_Unter der genannten Voraussetzung giebt es bei __m__ beliebig

vorgeschriebenen einfachen algebraischen Unstetigkeitspuncten nur dann

eindeutige Functionen des Ortes, wenn _[formula]_ ist, und zwar enthalten

diese Functionen _[formula]_ linear vorkommende willkürliche Constante._

Man denke sich jetzt die _m_ Unendlichkeitspuncte als beweglich. So treten

_m_ neue Willkürlichkeiten in die Betrachtung ein. Ueberdies ist klar,

dass man beliebige _m_ Puncte auf der Fläche durch continuirliche

Verschiebung in beliebige m andere verwandeln kann. Wir können also sagen,

indem wir uns übrigens immer der Voraussetzung erinnern, die wir gemacht

haben:

_Die Gesammtheit der eindeutigen Functionen mit __m__ einfachen

algebraischen Unstetigkeitspuncten, die auf gegebener Fläche existiren,

bildet ein Continuum von _[formula]_ Abmessungen._

Nun wir die Existenz und die Mannigfaltigkeit der eindeutigen Functionen

haben kennen lernen, wollen wir auf möglichst anschauungsmässigem Wege

noch eine andere wichtige Eigenschaft derselben entwickeln. Die Zahl _m_

der Unendlichkeitspuncte unserer Function hat nämlich für letztere eine

noch viel weiter gehende Bedeutung. Ich sage, _dass unsere Function

_[formula]_ jeden beliebig vorgegebenen Werth _[formula]_ genau an __m__

Stellen annimmt._

Zum Beweise betrachte man den Verlauf der Curven [formula] auf unserer

Fläche. Nach §. 2 ist klar, dass jede dieser Curven einen Ast durch jeden

der _m_ Unendlichkeitspuncte hindurchschickt. Andererseits folgt aus

Betrachtungen, wie wir sie in §. 10 entwickelten, dass jeder Curvenast

mindestens einen Unendlichkeitspunct enthalten muss. Hiernach ist für sehr

grosse [formula] die Richtigkeit unserer Behauptung unmittelbar klar. Denn

die betreffenden Curven [formula] gehen dann in der Nähe des einzelnen

Unendlichkeitspunctes nach §. 2 in kleine durch den Unendlichkeitspunct

hindurchlaufende Kreise über, welche nothwendig neben dem (hier nicht

weiter in Betracht kommenden) Unstetigkeitspuncte noch je _einen_

Schnittpunct gemein haben:

[Illustration: Fig. 33.]

Fig. 33.

Hieraus aber folgt die Sache allgemein. _Denn die Curven _[formula]_,

_[formula]_ können bei continuirlicher Aenderung von _[formula]_,

_[formula]_ niemals einen Schnittpunct verlieren._ Es könnte diess nämlich

nach dem Gesagten nur so geschehen, dass mehrere Schnittpuncte

zusammenrückten, um dann in geringerer Zahl wieder aus einander zu treten.

Nun bilden die Curven [formula] ein Orthogonalsystem. Ein Zusammenrücken

reeller Schnittpuncte ist also nur in den Kreuzungspuncten möglich (in

denen es auch wirklich geschieht). Die Kreuzungspuncte aber sind nur in

endlicher Zahl vorhanden, und also nicht im Stande, die Fläche in

verschiedene Gebiete zu zerlegen. Die Eventualität des Zusammenrückens ist

also überhaupt nicht in Betracht zu ziehen, und somit unsere Behauptung

bewiesen.

Es ist übrigens für das Folgende nützlich, sich die Vertheilung der Werthe

von [formula] in der Nähe eines Kreuzungspunctes deutlich zu machen.

Hierzu genügt eine aufmerksame Beobachtung der oben gegebenen Figur 1. Man

erkennt zumal, dass von den _m_ beweglichen Schnittpuncten der Curven

[formula], [formula] bei Annäherung an den [formula]-fachen Kreuzungspunct

[formula] zusammenrücken.--

Analoge Betrachtungen, wie wir sie hiermit für eindeutige Functionen

erledigt haben, finden natürlich auch bei vieldeutigen Functionen ihre

Stelle. Ich gehe auf sie nur desshalb nicht ein, weil es die im Folgenden

festgehaltene Umgränzung des Stoffes nicht nöthig macht. Auch kommt nur in

den allereinfachsten Fällen ein übersichtliches Resultat. Sei in dieser

Beziehung daran flüchtig erinnert, dass eine complexe Function mit mehr

als zwei incommensurabeln Periodicitätsmoduln an jeder Stelle jedem

beliebigen Werthe unendlich nahe gebracht werden kann.

§. 14. Die gewöhnlichen Riemann’schen Flächen über der x + iy-Ebene.

Statt die Vertheilung der Functionswerthe [formula] auf der ursprünglichen

Fläche zu betrachten, kann man ein sozusagen umgekehrtes Verfahren

einschlagen. Man deute nämlich die Functionswerthe--welche dementsprechend

jetzt [formula] genannt werden sollen--in gewöhnlicher Weise in der Ebene

(oder auch auf der Kugel(22) und studiere die _conforme Abbildung_, welche

demzufolge (nach §. 5) von unserer ursprünglichen Fläche entworfen wird.

Wir beschränken uns dabei wieder, der Einfachheit halber, auf den Fall der

eindeutigen Functionen, trotzdem es besonderes Interesse hat, gerade auch

die Abbildung durch mehrdeutige Fuuctionen in Betracht zu ziehen(23).

Eine kurze Ueberlegung zeigt, _dass wir so gerade zu der mehrblättrigen,

mit Verzweigungsverzweigungspuncten versehenen, über der _[formula]_-Ebene

ausgebreiteten Fläche geführt werden, welche man gewöhnlich als

Riemann’sche Fläche schlechthin bezeichnet._

In der That, sei _m_ die Zahl der (einfachen) Unendlichkeitspuncte, welche

[formula] auf der ursprünglichen Fläche besitzt. Es nimmt dann [formula],

wie wir sahen, _jeden_ Werth auf der gegebenen Fläche _m_-mal an. _Daher

überdeckt die conforme Abbildung unserer Fläche auf die _[formula]_-Ebene

die letztere im Allgemeinen mit __m__ Blättern._ Eine Ausnahmestellung

nehmen nur diejenigen Werthe von [formula] ein, für welche einige der _m_

auf der ursprünglichen Fläche zugehörigen Stellen zusammenfallen, denen

also _Kreuzungspuncte_ entsprechen. Man ziehe zum Verständnisse noch

einmal die Figur (1) heran. Es folgt aus derselben, dass man die Umgebung

eines [formula]-fachen Krenzungspunctes derart in [formula] Sectoren

zerlegen kann, dass [formula] innerhalb jedes Sectors denselben

Werthvorrath durchläuft. _Daher werden oberhalb der betreffenden Stelle

der _[formula]_ Ebene _[formula]_ Blätter der conformen Abbildung derart

zusammenhängen, dass eine Umlaufung der Stelle von einem Blatte in ein

zweites, von diesem in ein drittes führt etc., und dass eine

_[formula]_-malige Umlaufung derselben nöthig wird, um zum Anfangspuncte

zurückzugelangen._ Diess ist aber genau, was man gewöhnlich als einen

[formula]-fachen _Verzweigungspunct_ bezeichnet(24). Dabei ist die

Abbildung in diesem Puncte selbst natürlich keine conforme mehr; man

beweist leicht, dass der Winkel, den irgend zwei auf der ursprünglichen

Fläche verlaufende sich im Kreuzungspuncte schneidende Curven mit einander

bilden, auf der über der [formula]-Ebene ausgebreiteten Riemann’schen

Fläche genau mit [formula] multiplicirt erscheint.--

_Aber zugleich erkennen wir die Bedeutung, welche diese mehrblättrige

Fläche für unsere Zwecke beanspruchen kann._ Alle Flächen, welche durch

conforme Abbildung eindeutig aus einander hervorgehen, sind für uns

gleichbedeutend (§. 8). Wir können also die _m_-blättrige Fläche über der

Ebene ebensogut zu Grunde legen, wie die bisher benutzte Fläche, die wir

uns ohne jedes singuläre Vorkommniss frei im Raume gelegen vorstellten.

Dabei kommt die Schwierigkeit, die man in dem Auftreten der

Verzweigungspuncte erblicken könnte, von vorneherein in Wegfall: denn wir

werden nur solche Strömungen auf der mehrblättrigen Fläche in Betracht

ziehen, welche sich in der Umgebung der Verzweigungspuncte derart

verhalten, dass sie rückwärts auf die im Raume gelegene ursprüngliche

Fläche übertragen dort keine anderen singulären Vorkommnisse darbieten,

als die ohnehin gestatteten. Hierzu ist nicht einmal nöthig, dass man eine

entsprechende im Raume gelegene Fläche kennt; handelt es sich doch nur um

Verhältnisse in der nächsten Umgebung der Verzweigungspuncte, d. h. um

differentielle Relationen, denen unsere Strömungen genügen müssen(25). Es

hat hiernach auch keinen Zweck mehr, wenn wir von beliebig gekrümmten

Flächen sprechen, uns diese ohne singuläre Puncte zu denken: _sie mögen

selbst mit mehreren Blättern überdeckt sein, die unter sich durch

Verzweigungspuncte, beziehungsweise Verzweigungsschnitte zusammenhängen._

Aber welche unter den unbegränzt vielen, sonach gleichberechtigten Flächen

wir auch der Betrachtung zu Grunde legen wollen: wir müssen zwischen

wesentlichen Eigenschaften unterscheiden, welche allen gleichberechtigten

Flächen gemeinsam sind, und _unwesentlichen_ Eigenschaften, die der

particulären Fläche anhaften. Zu ersteren gehört die Zahl _p_, es gehören

dahin die "Moduln", von denen in §. 18 ausführlicher die Rede sein soll;

zu letzteren bei mehrblättrigen Flächen die Art und Lage der

Verzweigungspuncte. Wenn wir uns eine _ideale_ Fläche denken, die nur jene

wesentlichen Eigenschaften besitzen soll, so entsprechen auf ihr den

Verzweigungspuncten der mehrblättrigen Fläche gewöhnliche Puncte, die,

allgemein zu reden, vor den übrigen Puncten Nichts voraus haben, und die

erst dadurch beachtenswerth werden, dass bei der conformen Abbildung, die

von der idealen Fläche zur particulären hinüberführt, in ihnen

Kreuzungspuncte entstehen.

Das Resultat ist also dieses, _dass wir betreffs der Flächen, auf denen

wir operiren dürfen, eine grössere Beweglichkeit gewonnen haben, und dass

wir zugleich die Zufälligkeiten erkennen, welche die Betrachtung jeder

einzelnen besonderen Fläche mit sich bringt._ Insbesondere werden wir im

Folgenden, so oft es nützlich scheint, mehrblättrige Flächen über der

[formula]-Ebene in Betracht ziehen; ihre Verwendung soll aber in keiner

Weise die Allgemeinheit der Auffassung beeinträchtigen(26).

§. 15. Der Ring p = 1 und die zweiblättrige Fläche mit vier

Verzweigungspuncten über der Ebene. (27)

Ich habe mich im vorigen Paragraphen ziemlich kurz fassen können, da ich

die gewöhnliche Riemann’sche Fläche über der Ebene mit ihren

Verzweigungspuncten als bekannt ansah. Immerhin wird es nützlich sein,

wenn ich das Gesagte an einem Beispiele erläutere. Wir wollen einen Ring

[formula] betrachten. Auf ihm existiren nach §. 13 [formula] eindeutige

Functionen mit nur zwei Unendlichkeitspuncten. Eine jede derselben besitzt

nach der allgemeinen Formel des §. 11 vier Kreuzungspuncte. Der Ring ist

also auf mannigfache Weise auf eine zweiblättrige ebene Fläche mit vier

Verzweigungspuncten abzubilden. Ich will den besonderen Fall, in welchem

ich diese Abbildung nunmehr betrachten werde, auf explicite Formeln

stützen, damit auch denjenigen Lesern, die in rein anschauungsmässigen

Operationen minder geübt sind, die Sache zugänglich sei. Allerdings greife

ich damit in etwas den Entwickelungen vor, welche erst der folgende

Paragraph zu bringen bestimmt ist.

[Illustration: Fig. 34.]

Fig. 34.

Wir wollen die Ringfläche als gewöhnlichen Torus voraussetzen, der durch

Rotation eines Kreises um eine denselben nicht schneidende Axe seiner

Ebene entsteht. Sei [formula] der Radius dieses Kreises, _R_ der Abstand

seines Mittelpunctes von der Axe, [formula] ein Polarwinkel.

Wir führen die Rotationsaxe als _Z_-Axe, den Punct _O_ der Figur als

Anfangspunct eines rechtwinkligen Coordinatensystems ein und unterscheiden

die durch [formula] hindurchlaufenden Ebenen nach dem Winkel [formula],

den sie mit der positiven _X_-Axe bilden. Dann hat man für einen

beliebigen Punct der Ringfläche:

[formula]

Daher wird das Bogenelement:

[formula]

oder:

[formula]

wo

[formula]

gesetzt sein soll.

Nach Formel (3) haben wir eine conforme Abbildung der Ringfläche auf die

[formula]-Ebene. Die ganze Ringfläche wird offenbar einmal überstrichen,

wenn [formula] und [formula] (in den Formeln (1)) jedes von [formula] bis

[formula] läuft. _Die conforme Abbildung der Ringfläche überdeckt daher

ein Rechteck der Ebene, wie es durch folgende Figur vorgestellt wird:_

[Illustration: Fig. 35.]

Fig. 35.

Ich habe dabei in der Figur der Kürze halber statt [formula] einfach _p_

geschrieben.--Wollen wir uns die Beziehung zwischen Rechteck und

Ringfläche recht anschaulich vorstellen, so denke man sich ersteres aus

dehnsamem Materiale verfertigt und nun die gegenüberstehenden Kanten des

Rechtecks ohne Torsion zusammengebogen. Oder auch, man denke sich den Ring

von analoger Beschaffenheit, zerschneide ihn längs einer Breitencurve und

einer Meridiancurve und breite ihn dann in die [formula]-Ebene aus. Ich

setze statt weiterer Erläuterung eine Figur her, welche die

Verticalprojection der Ringfläche von der positiven _Z_-Axe aus auf die

[formula]-Ebene vorstellt und bei der die Beziehung zur [formula]-Ebene

markirt ist:

[Illustration: Fig. 36.]

Fig. 36.

Natürlich erblickt man nur die Oberseite der Ringfläche, die auf der

Rückseite abgebildeten Quadranten 3 und 4 werden beziehungsweise von 2 und

1 verdeckt.

Sei nun andererseits bei reellem [formula] [formula] über der Ebene eine

zweiblättrige Fläche mit vier Verzweigungspuncten [formula], [formula]

gegeben:

[Illustration: Fig. 37.]

Fig. 37.

wobei ich mir (wie es in der Figur angedeutet ist) die beiden Halbblätter,

welche die positive Halbebene überlagern, schraffirt denken will. Dabei

sollen die Verzweigungsschnitte mit den geradlinigen Strecken zwischen

[formula] und [formula] einerseits, und [formula] und [formula]

andererseits zusammenfallen.

Diese zweiblättrige Fläche repräsentirt, wie man weiss, die Verzweigung

von [formula], und zwar können wir, in Anbetracht der Wahl der

Verzweigungsschnitte, die Zuordnung so treffen, dass auf dem oberen Blatte

_w_ durchweg einen positiven reellen Theil besitzt. Wir betrachten nun das

Integral

[formula]

Dasselbe liefert uns in bekannter Weise die Abbildung unserer

zweiblättrigen Fläche ebenfalls auf ein Rechteck, dessen nähere Beziehung

zur zweiblättrigen Fläche durch folgende Figur gegeben ist, auf welcher

man die Schraffirungen und sonstigen Unterscheidungen der Figur (37)

wiederfindet:

[Illustration: Fig. 38.]

Fig. 38.

Dem oberen Blatte von Figur (37) entspricht die linke Seite dieser Figur.

Man beachte vor Allem, wie sich die Abbildung für die Umgebung der

Verzweigungspuncte der zweiblättrigen Fläche gestaltet. Vielleicht ist es

am einfachsten, die Sache sich so vorzustellen, dass man von (37) zunächst

durch stereographische Projection zu einer zweimal überdeckten Kugelfläche

übergeht, welche auf einem Meridian vier Verzweigungspuncte trägt,--dass

man die so erhaltene Fläche durch einen längs des Meridians verlaufenden

Schnitt in vier Halbkugeln zerlegt, deren einzelne man durch geeignete

Dehnung und Deformirung in der Nähe der vier Verzweigungspuncte in ein

ebenes Rechteck verwandelt,--dass man endlich die so entstehenden vier

Rechtecke entsprechend den Beziehungen zwischen den vier Halbkugeln nach

Art von Figur (38) neben einander legt. Man sieht auf diese Art auch

deutlich, dass in Figur (38) immer _zwei_ (zusammengehörige) Randpuncte

denselben Punct der ursprünglichen Fläche bezeichnen.

Um nun zwischen dem Ringe und der zweiblättrigen Fläche die gewünschte

Beziehung zu erzielen, haben wir nur dafür zu sorgen, dass das Rechteck

der Figur (38) durch passende Wahl des Moduls [formula] mit dem Rechtecke

der Figur (35) _ähnlich_ wird. Eine proportionale Vergrösserung des einen

Rechtecks (welches auch eine conforme Umgestaltung ist) bringt dasselbe

sodann mit dem anderen Rechteck zur Deckung und vermittelt so eine

eindeutig-conforme Abbildung der zweiblättrigen Fläche auf die Ringfläche

(oder der letzteren auf die erstere). Es wird wiederum genügen, das

Sachverhältniss durch eine Figur zu kennzeichnen, dieselbe entspricht

genau der eben gegebenen Figur (36):

[Illustration: Fig. 39.]

Fig. 39.

Die Schraffirung soll sich dabei nur auf die Vorderseite der Ringfläche

beziehen; auf der Rückseite ist die untere Hälfte der Figur schraffirt zu

denken, die obere frei zu lassen.--

Die conforme Abbildung, welche wir wünschten, ist hiermit thatsächlich

geleistet. Wir wollen jetzt rückwärts die Strömung auf der Ringfläche

bestimmen, durch deren Vermittelung im Sinne des §. 14 die Abbildung zu

Stande kommt. Dieselbe wird an den mit [formula], [formula] bezeichneten

Stellen Kreuzungspuncte besitzen müssen, an den beiden Stellen [formula]

algebraische Unendlichkeitspuncte von einfacher Multiplicität. Man findet

die betreffenden Curven, die Niveaucurven sowohl wie die Strömungscurven,

am besten, wenn man sich des Rechtecks als Zwischenfigur bedient. Offenbar

übertragen sich die Curven [formula] Const., [formula] Const. der

_z_-Ebene (Figur 37) auf das Rechteck der Figur (38), wie die Figuren

(40), (41) angeben. Ich habe dabei allein den Curven [formula] Const.

Pfeilspitzen zugesetzt, um sie im Gegensatze zu den anderen als

Strömungscurven zu charakterisiren.

[Illustration: Fig. 40.]

Fig. 40.

[Illustration: Fig. 41.]

Fig. 41.

Man hat nun einfach diese Zeichnungen in derselben Weise zusammenzubiegen,

wie es bei Figur (35) geschildert wurde, um die Ringfläche und auf ihr die

gewünschten Curvensysteme zu erhalten. Das Resultat ist das folgende:

[Illustration: Fig. 42.]

Fig. 42.

[Illustration: Fig. 43.]

Fig. 43.

Dabei erscheinen in Figur (42) die vier Kreuzungspuncte der Strömung

vermöge der gewählten Projectionsart als Berührungspuncte der Niveaucurven

mit der scheinbaren Contour der Ringfläche.

§. 16. Functionen von [formula], welche den untersuchten Strömungen

entsprechen.

Sei [formula], wie in §. 14, eine eindeutige complexe Function des Ortes

auf unserer Fläche mit _m_ algebraischen, einfachen Unendlichkeitspuncten.

Wir verwandeln unsere Fläche nach Anleitung jenes Paragraphen in eine

_m_-blättrige Fläche über der [formula]-Ebene(28) und legen uns nun die

Frage vor, _in welche Functionen des Argumentes _[formula]_ die bisher

untersuchten complexen Functionen des Ortes übergehen mögen._ Man erinnere

sich dabei der Entwickelungen des §. 6.

Seizunächst _w_ eine complexe Function des Ortes, welche auf unserer

Fläche, ebenso wie [formula], _eindeutig_ ist. Vermöge der Festsetzungen,

die hinsichtlich der Unendlichkeitspuncte unserer Functionen und

insbesondere der eindeutigen Functionen getroffen worden sind, ergibt sich

sofort, dass _w_ als Function von [formula] nirgendwo einen _wesentlich_

singulären Punct hat. Ueberdiess ist _w_ auf der _m_-blättrigen über der

_z_-Ebene ausgebreiteten Fläche, so gut wie auf der ursprünglichen Fläche,

eindeutig. Daher folgt auf Grund bekannter Sätze: _dass __w__ eine

algebraische Function von __z__ ist_.

Dabei ist die Möglichkeit an sich nicht auszuschliessen, dass die _m_

Werthe von _w_, welche demselben _z_ entsprechen, zu je [formula]

übereinstimmen mögen (wobei [formula] natürlich ein Theiler von _m_ sein

muss). Aber jedenfalls können wir solche eindeutige Functionen _w_

auswählen, bei denen dieses nicht der Fall ist. Wir bestimmten oben (§.

13) die eindeutigen Functionen, indem wir ihre Unendlichkeitspuncte

willkürlich annahmen. Wir haben es daher in der Hand, das erwähnte

Vorkommniss jedenfalls zu vermeiden: wir brauchen nur die

Unendlichkeitspuncte von _w_ so anzunehmen, dass nicht jedesmal [formula]

von ihnen dasselbe _z_ aufweisen. Dann kommt:

_Die irreducibele Gleichung, welche zwischen __w__ und __z__ besteht:_

[formula]

_hat in __w__ die _[formula]_ Ordnung._

Ebensogut wird sie in _z_ natürlich die [formula] Ordnung besitzen, wenn

_n_ die Gesammtmultiplicität der Unendlichkeitspuncte ist, die _w_

aufweist.

Aber die Beziehung dieser Gleichung [formula] zu unserer Fläche ist noch

eine innigere, als die blosse Uebereinstimmung der Ordnung mit der

Blätterzahl aussagt. Zu jedem Puncte der Fläche gehört nur _ein_

Werthepaar _w_, _z_, das der Gleichung genügt, und umgekehrt gehört zu

jedem solchen Werthepaare im Allgemeinen(29) nur ein Punct der Fläche.

_Gleichung und Fläche sind sozusagen eindeutig auf einander bezogen._

Es sei jetzt [formula] eine neue eindeutige Function auf unserer Fläche,

also jedenfalls eine algebraische Function von _z_. Dann kann man die Art

dieser algebraischen Function, nachdem einmal die Gleichung [formula]

unter der angegebenen Voraussetzung gebildet ist, mit zwei Worten

kennzeichnen. Man zeigt nämlich, _dass _[formula]_ eine rationale Function

von __w__ und __z__ ist, und dass auch umgekehrt jede rationale Function

von __w__ und __z__ eine Function vom Charakter des _[formula]_ abgibt_.

Das Letztere ist selbstverständlich. Denn eine rationale Function von _w_

und _z_ ist in unserer Fläche eindeutig; überdiess als analytische

Function von _z_ eine complexe Function des Ortes in der Fläche. Aber auch

das Erstere ist leicht zu beweisen(30). Man bezeichne die _m_ Werthe von

_w_, die zu einem beliebigen Werthe von _z_ gehören, mit [formula],

[formula], [formula] (allgemein [formula]), die entsprechenden Werthe von

[formula] (die nicht nothwendig alle verschieden zu sein brauchen) mit

[formula], [formula], [formula]. Dann ist die Summe:

[formula]

(wo [formula] eine beliebige, positive oder negative ganze Zahl bedeuten

soll) als symmetrische Function der verschiedenen Werthe [formula] eine

eindeutige Function von _z_, und also, als algebraische Function, eine

_rationale_ Function von _z_. Aus _m_ beliebigen der so entstehenden

Gleichungen kann man [formula], [formula], [formula] als linear

vorkommende Unbekannte berechnen, und es zeigt dann eine leichte

Discussion, dass in der That das einzelne [formula] eine rationale

Function des zugehörigen [formula] und des _z_ geworden ist.--

Von diesem Satze ausgehend bestimmt man nun auch sofort den Charakter

derjenigen Functionen von _z_, welche durch die von uns in Betracht

gezogenen _mehrdeutigen_ Functionen des Ortes geliefert werden. Sei _W_

eine solche Function. Dann ist _W_ jedenfalls eine analytische Function

von _z_; man kann also von einem _Differentialquotienten_ [formula]

sprechen und diesen selbst wieder als complexe Function des Ortes auf

unserer Fläche deuten. Derselbe ist nothwendig als Function des Ortes

eindeutig. Denn die Vieldeutigkeit von _W_ bezieht sich ja nur auf

constante Periodicitätsmoduln, welche, in beliebiger Vielfachheit

genommen, dem Anfangswerthe additiv hinzutreten können. Daher ist

[formula] nach dem eben Bewiesenen eine rationale Function von _w_ und

_z_, _und es stellt sich also __W__ als Integral einer solchen Function

dar:_

[formula]

Der umgekehrte Satz, dass jedes solche Integral eine complexe Function des

Ortes in unserer Fläche abgibt, welche zu der von uns betrachteten

Functionsclasse gehört, ist auf Grund bekannter Entwickelungen

selbstverständlich. Diese Entwickelungen beziehen sich einmal auf das

Unendlichwerden der Integrale, andererseits auf die Werthänderungen,

welche die Integrale durch Wechsel des Integrationsweges erleiden. Ein

näheres Eingehen hierauf scheint an dieser Stelle unnöthig.--

Wir sind, wie wir sehen, zu einem wohlumgränzten Resultate geführt worden.

_Ist erst einmal die algebraische Gleichung bestimmt, welche die

Abhängigkeit zwischen __z__ und dem in hohem Maasse willkürlichen w

definirt, so sind die übrigen Functionen des Ortes der Art nach

wohlbekannt; sie decken sich in ihrer Gesammtheit mit den rationalen

Functionen von __w__ und __z__, und mit den Integralen solcher

Functionen._

Es wird gut sein, dieses Resultat am Falle der wiederholt betrachteten

Ringfläche [formula] zu erläutern. Als Functionen _z_ und _w_ werden wir

dieselben zu Grunde legen, die im vorigen Paragraphen besprochen wurden,

und von denen die erstere durch die Figuren (42), (43) erläutert wird. Die

zwischen ihnen bestehende Gleichung lautet einfach, wie wir wissen:

[formula]

und es verwandeln sich also die Integrale [formula] in diejenigen, die man

als _elliptische Integrale_ zu bezeichnen pflegt. Unter ihnen gibt es,

nach §. 12, ein einziges "überall endliches" Integral. Aus der in Figur

(38) gegebenen Abbildung folgt, dass dieses kein anderes ist, als das dort

betrachtete [formula], das gewöhnlich sogenannte _Integral erster

Gattung_. Die zugehörigen Niveaucurven und Strömungscurven sind dieselben,

welche in Figur (21) und (22) dargestellt sind. Aber auch diejenigen

Functionen, denen die Figuren (29) und (30), bez. (31) und (32)

entsprechen, sind in der gewöhnlichen Analysis wohlbekannt. Wir haben das

einemal eine Function mit zwei logarithmischen Unstetigkeitspuncten, das

andere Mal eine solche mit nur einem algebraischen Unstetigkeitspuncte.

Als Functionen von _z_ betrachtet geben dieselben solche elliptische

Integrale ab, welche man als _Integrale dritter Gattung_ bez. _zweiter

Gattung_ zu bezeichnen pflegt.

§. 17. Tragweite und Bedeutung unserer Betrachtungen.

Mit den Entwickelungen des vorigen Paragraphen ist der Zielpunct, den wir

uns mit der allgemeinen Fragestellung des §. 7 gesteckt haben,

thatsächlich erreicht. Wir haben auf beliebiger Fläche die allgemeinsten

für uns in Betracht kommenden complexen Functionen des Ortes bestimmt und

nun die analytischen Abhängigkeiten derselben von einander definirt, indem

wir zusahen, wie alle von einer, übrigens beliebig gewählten, eindeutigen

Function des Ortes im Sinne der gewöhnlichen Analysis abhängig sind. Es

bleibt uns also, um unseren Gedankengang abzuschliessen, nur noch ein

Umblick zu halten, was Alles durch unsere Betrachtungen gewonnen sein mag.

Wir haben dann allerdings keineswegs den vollen Inhalt aber doch die

Grundlage der Riemann’schen Theorie gewonnen, und es kann wegen weiterer

Ausführungen auf Riemann’s Originalarbeit sowie die sonstigen

Darstellungen der Theorie verwiesen werden.

Constatiren wir zunächst, _dass es in der That die Gesammtheit der

algebraischen Functionen und ihrer Integrale ist, welche durch unsere

Untersuchung umspannt wird_. Denn wenn eine beliebige algebraische

Gleichung [formula] gegeben ist, so können wir in der gewöhnlichen Weise

über der _z_-Ebene eine zugehörige mehrblättrige Riemann’sche Fläche

construiren und nun auf dieser einförmige Strömungen und complexe

Functionen des Ortes studieren (vergl. §. 15).

Wir fragen, ob das Studium dieser Functionen durch unsere Betrachtungen in

der That gefördert sei. Erinnern wir uns zu dem Zwecke, dass es vor allen

Dingen die _Vieldeutigkeit_ der Integrale war, welche so lange einen

Fortschritt in ihrer Theorie verhindert hat. Dass Integrale durch das

Auftreten logarithmischer Unstetigkeitspuncte vieldeutig werden, hatte

schon _Cauchy_ erkannt. Aber erst durch die Riemann’sche Fläche ist die

andere Art von Periodicität, welche in dem _Zusammenhange_ der Fläche

ihren Grund hat und an den Querschnitten der Fläche gemessen wird, uns

völlig deutlich geworden.--Ein anderer Punct ist dieser. Man hat sich von

je bei der Untersuchung der Integrale der Umformung durch Substitution

bedient, ohne sich indess über eine bloss empirische Verwerthung derselben

beträchtlich zu erheben. Bei Riemann’s Theorie ist eine umfangreiche

Classe von Substitutionen von selbst gegeben und in ihrer Wirkung zu

beurtheilen. Die Variabelen _w_ und _z_ sind für uns nur irgend zwei, von

einander unabhängige, eindeutige Functionen des Ortes; wir können statt

ihrer ebensogut zwei andere, [formula] und [formula], zu Grunde legen,

wobei sich [formula] und [formula] als übrigens beliebige rationale

Functionen von _w_ und _z_ und ebensowohl letztere als rationale

Functionen von [formula] und [formula] erweisen. Die Riemann’sche Fläche,

auf der wir operiren, wird von dieser Umänderung durchaus nicht nothwendig

betroffen. Unter der Menge der _zufälligen_ Eigenschaften unserer

Functionen erkennen wir also _wesentliche_, welche bei eindeutiger

Umformung ungeändert bleiben. Und vor Allem tritt uns in der Zahl _p_ von

vorneherein ein solches invariantes Element entgegen.--Indem die

Riemann’sche Theorie die beiden hiermit bezeichneten Schwierigkeiten,

welche frühere Bearbeiter gehemmt hatten, bei Seite räumt, gelangt sie

unmittelbar zu dem Satze, den wir in §. 10 aufstellten, und der die

Willkürlichkeit der in Betracht zu ziehenden Functionen bestimmt. Ich

meine den Satz, _dass man (unter den wiederholt angegebenen

Beschränkungen) die Unendlichkeitspuncte der Function und die

Periodicitätsmoduln ihres reellen Theiles an den Querschnitten als

willkürliche und hinreichende Bestimmungsstücke derselben erachten

darf._--

So etwa stellt sich die Bilanz, wenn man die functionentheoretischen

Interessen, wie es unter Mathematikern zu geschehen pflegt, voranstellt.

Aber vergessen wir nicht, dass die umgekehrte Auffassung im Grunde ebenso

berechtigt ist. Das Studium einförmiger Strömungen auf gegebenen Flächen

kann umsomehr als Selbstzweck betrachtet werden, als es bei zahlreichen

_physikalischen_ Problemen unmittelbar zu Verwerthung gelangt. In der

unendlichen Mannigfaltigkeit dieser Strömungen orientirt uns die

Riemann’sche Theorie, indem sie auf den Zusammenhang hinweist, der

zwischen diesen Strömungen und den algebraischen Functionen der Analysis

statt hat.

Wir können endlich den _geometrischen_ Gesichtspunct hervorkehren, und die

Riemann’sche Theorie als ein Mittel betrachten, um die Lehre von der

conformen Abbildung geschlossener Flächen auf einander der analytischen

Behandlung zugänglich zu machen. Eben diese Auffassung ist es, der ich im

folgenden, dritten Abschnitte meiner Darstellung Ausdruck zu geben bemüht

bin. Es wird nicht nöthig sein, schon an dieser Stelle ausführlicher

hierauf einzugehen.

§. 18. Weiterbildung der Theorie.

In Riemann’s eigenem Gedankengange, wie ich ihn vorstehend zu schildern

versuchte, veranschaulicht die Riemann’sche Fläche nicht nur die in

Betracht kommenden Functionen, sondern sie _definirt_ dieselben. Es

scheint möglich, diese beiden Dinge zu trennen: die Definition der

Functionen von anderer Seite zu nehmen und die Fläche nur als Mittel der

Veranschaulichung beizubehalten. Das ist es in der That, was von der

Mehrzahl der Mathematiker um so lieber geschehen ist, als Riemann’s

Definition der Function bei genauerer Untersuchung beträchtliche

Schwierigkeiten mit sich bringt(31). Man beginnt also etwa mit der

algebraischen Gleichung und der Begriffsbestimmung des Integrals, und

construirt erst hinterher eine zugehörige Riemann’sche Fläche.

Dann aber ist von selbst eine grosse Verallgemeinerung der ursprünglichen

Auffassung gegeben. Bislang galten uns zwei Flächen nur dann als

gleichwerthig, wenn die eine aus der anderen durch eindeutige conforme

Abbildung entstand. Jetzt ist kein Grund mehr, an der Conformität der

Abbildung festzuhalten. _Jede Fläche, welche durch stetige Abbildung

eindeutig__ in die gegebene verwandelt werden kann, überhaupt jedes

geometrische Gebilde, dessen Elemente sich stetig eindeutig auf die

ursprüngliche Fläche beziehen lassen, kann ebensowohl zur Versinnlichung

der in Betracht zu ziehenden Functionen gebraucht werden._ Ich habe diesem

Gedanken, wie ich bei gegenwärtiger Gelegenheit ausführen möchte, in

früheren Arbeiten nach zwei Richtungen hin Ausdruck gegeben.

Einmal operirte ich mit dem Begriffe einer möglichst übersichtlichen,

übrigens verschiedentlich modificirbaren _Normalfläche_ (vergl. §. 8), auf

welcher ich den Verlauf der in Betracht kommenden Functionen durch

verschiedene graphische Hülfsmittel zu illustriren bemüht war(32). Hierher

gehören auch die _Polygonnetze_, deren ich mich wiederholt bediente(33),

indem ich mir die Riemann’sche Fläche in geeigneter Weise zerschnitten und

dann in die Ebene ausgebreitet dachte. Es bleibe dabei an dieser Stelle

unerörtert, ob nicht den so entstehenden Figuren, die zunächst beliebig

stetig verändert werden dürfen, im Interesse weitergehender

functionentheoretischer Untersuchungen hinterher doch eine gesetzmässige

Gestalt ertheilt werden soll, vermöge deren sich eine _Definition_ der

durch die Figur zu veranschaulichenden Functionen ermöglicht.

Das andere Mal(34) stellte ich mir die Aufgabe, in möglichst anschaulicher

Weise den Zusammenhang darzulegen zwischen der Auffassungsweise der

Functionentheorie und derjenigen der gewöhnlichen analytischen Geometrie,

welch’ letztere eine Gleichung zwischen zwei Variabelen als _Curve_

deutet. Indem ich von dem Satze ausging, dass jede imaginäre Gerade der

Ebene und also auch jede imaginäre Tangente einer Curve einen und nur

einen reellen Punct besitzt, erhielt ich eine Riemann’sche Fläche, die

sich an den Verlauf der gegebenen Curve auf das Innigste anschmiegt. Ich

habe diese Fläche, wie es mein ursprünglicher Zweck war, bisher nur zur

Veranschaulichung gewisser einfacher Integrale gebraucht(35). Aber es

findet eine ähnliche Bemerkung ihre Stelle, wie oben bei den

Polygonnetzen. Insofern die Fläche gesetzmässig ist, muss auch sie zur

_Definition_ der auf ihr existirenden Functionen dienen können. In der

That kann man für diese Functionen eine partielle Differentialgleichung

bilden, welche den Differentialgleichungen zweiter Ordnung, die wir in §§.

1 und 5 betrachten, in etwa analog ist: nur dass der Differentialausdruck,

an den diese Gleichung anknüpft, nicht unmittelbar als _Bogenelement_

einer Fläche zu deuten ist.--

Diese wenigen Bemerkungen müssen genügen, um auf Betrachtungen

hinzuweisen, deren Verfolg mir interessant scheint.

Ueber Riemann's Theorie der Algebraischen Functionen · 第 7 / 11 题