Stelling van Liouville

Volgens de stelling van Liouville is elke begrensde complexe analytische functie constant. Dit betekent: Als voor een holomorfe functie ${\displaystyle f}$ een reëel getal ${\displaystyle M}$ bestaat zo dat ${\displaystyle |f(z)|\leq M}$ voor elke ${\displaystyle z\in \mathbb {C} }$, dan is ${\displaystyle f}$ een constante functie.

De stelling van Liouville laat zien wat een sterke eigenschap holomorfe differentieerbaarheid voor een complexe functie is. De stelling kan onder andere in het bewijs van de hoofdstelling van de algebra worden gebruikt. De stelling is naar de Franse wiskundige Joseph Liouville (1809-1882) genoemd.

Bewijs 

De functie ${\displaystyle f}$ kan worden ontwikkeld in een taylorreeks:

${\displaystyle f(z)=\sum _{k=0}^{\infty }a_{k}z^{k}}$

De coëfficiënten ${\displaystyle a_{k}}$ zijn te vinden met een kringintegraal:

${\displaystyle {1 \over k!}f^{(k)}(0)=a_{k}={1 \over 2\pi }\oint _{C_{r}}{f(z) \over z^{k+1}}\ \mathrm {d} z}$

Hier is ${\displaystyle C_{r}}$ de cirkel rond 0 met straal ${\displaystyle r}$. De absolute waarde van de coëfficiënten kunnen worden afgeschat door:

${\displaystyle |a_{k}|\leq {1 \over 2\pi }\oint _{C_{r}}{|f(z)| \over |z|^{k+1}}\ \mathrm {d} z}$

Omdat ${\displaystyle f}$ is begrensd: ${\displaystyle |f(z)|\leq M}$ voor elke ${\displaystyle z}$, en ${\displaystyle |z|=r}$ op ${\displaystyle C_{r}}$, volgt:

${\displaystyle |a_{k}|\leq {1 \over 2\pi }{M \over r^{k+1}}2\pi r={M \over r^{k}}}$

Aangezien dit voor elke cirkel ${\displaystyle C_{r}}$ geldt, ongeacht de straal, volgt automatisch dat ${\displaystyle a_{k}}$ gelijk aan 0 moet zijn. De enige uitzondering is ${\displaystyle k=0}$, ${\displaystyle r^{0}=1}$, zodat ${\displaystyle a_{0}}$ de enige term uit de taylorreeks is die overblijft.

Uitbreiding

Zij ${\displaystyle f(z)}$ een gehele functie waarvoor geldt dat er een ${\displaystyle C>0}$ en ${\displaystyle R>0}$ bestaan waarvoor geldt dat ${\displaystyle |f(z)|<C|z|^{p}}$ als ${\displaystyle |z|>R}$, dan volgt daaruit op dezelfde manier als voorgaande stelling dat:

${\displaystyle f^{(n)}(0)\leq C{n! \over R^{n}}R^{p}}$

Zij nu ${\displaystyle n>p}$ en laat men ${\displaystyle R\to \infty }$ dan is ${\displaystyle f^{(n)}(0)=0}$. Waaruit volgt dat de taylorexpansie van ${\displaystyle f(z)}$ gelijk is aan:

${\displaystyle f(z)=\sum _{k=0}^{p}a_{k}z^{k}}$

Met andere woorden de functie ${\displaystyle f(z)}$ is een polynoom van de graad ${\displaystyle p}$.