8 Komplexe Zahlen

8.3 Funktionen einer komplexen Variablen

8.3.5 Exponentialfunktion

Die bei weitem wichtigste komplexe Funktion ist die natürliche Exponentialfunktion. Wir wurden bereits im Abschnitt 8.1.5 durch die Euler-Formel auf ihre Definition für rein imaginäre Variable geführt und können diese natürlich leicht für allgemeine komplexe Variablen ergänzen:

Exponentialfunktion:       math formula


d.h. für den Betrag: math formula
und für das Argument: math formula.

Während sie als Funktion des Realteils nach wie vor so rasant ansteigt, wie wir früher gesehen hatten, ist sie in Abhängigkeit vom Imaginärteil ihrer Variablen math formula-periodisch.

math formula-periodisch:       math formula mit math formula


Der Konvergenzradius der Taylor-Entwicklung ist, wie wir früher gesehen haben, unendlich.

Die Funktionalgleichung: math formula für math formula gilt nach wie vor.


Um uns ein Bild der Funktion machen zu können, berechnen wir zunächst wieder einige Bildpunkte:

math formula


Dann sehen wir, dass die senkrechten Geraden math formula in Kreise math formula übergehen: die Gerade math formula in den mit math formula, die mit math formula in den math formula und die Gerade math formula in den Kreis mit math formula.
Die waagrechten Geraden math formula werden in Speichen math formula abgebildet, und zwar die Gerade math formula in die Speiche math formula, die Gerade math formula in math formula, usw..

Aus diesen Ergebnissen erkennen wir, dass die Exponentialfunktion einen waagrechten Streifen der z-Ebene mit der Höhe math formula, z.B. den sogenannten Fundamentalbereich mit math formula auf die zwischen den Verzweigungspunkten math formula und math formula (z.B. entlang der negativen reellen Achse) aufgeschnittene w-Ebene abbildet. Die ganze z-Ebene geht also in eine Riemann-Fläche mit unendlich vielen Blättern über. Bei jedem Blatt ist dabei das obere Ufer entlang dem Schnitt mit dem unteren Ufer des darunterliegenden Blattes stetig verbunden und das obere Ufer des letzten "durch alle anderen Verbindungen hindurch" mit dem unteren Ufer des ersten Blattes. Die folgende Darstellung kann helfen, sich ein Bild von dem Wirken der Funktion zu machen.

math formula
Bild 8.12: Bild vom waagrechten Fundamentalstreifen in der z-Ebene und der aufgeschnittenen w-Ebene für die Exponentialfunktion