background image

Chapter Eleven

Argument Principle

11.1. Argument principle. Let be a simple closed curve, and suppose is analytic on C.
Suppose moreover that the only singularities of inside are poles. If f

z  0 for all zC,

then

  fC is a closed curve which does not pass through the origin. If

t,    

is a complex description of C, then

t  ft,    

is a complex description of

. Now, let’s compute

C

f

z

f

z

dz

f

t

f

t

tdt.

But notice that

t  f

t

t. Hence,

C

f

z

f

z

dz

f

t

f

t

tdt 

t

t

dt

1

z dz  n2i,

where |n| is the number of times

 ”winds around” the origin. The integer is positive in

case

 is traversed in the positive direction, and negative in case the traversal is in the

negative direction.

Next, we shall use the Residue Theorem to evaluate the integral

C

f

z

f

z

dz. The singularities

of the integrand

f

z

f

z

are the poles of together with the zeros of f. Let’s find the residues at

these points. First, let Z

 z

1

z

2

,

 , z

K

 be set of all zeros of f. Suppose the order of the

zero z

j

is n

j

. Then f

z   z

j

n

j

h

z and hz

j

  0. Thus,

11.1

background image

f

z

f

z

 z

j

n

j

h

z  n

j

 z

j

n

j

1

h

z

 z

j

n

j

h

z

 h

z

h

z

n

j

 z

j

.

Then

z   z

j

 f

z

f

z

  z

j

 h

z

h

z

 n

j,

and

z

z

j

Res f

n

j

.

The sum of all these residues is thus

N

 n

1

 n

2

 n

K

.

Next, we go after the residues at the poles of f. Let the set of poles of be
P

 p

1

p

2

,

 , p

J

. Suppose p

j

is a pole of order m

j

. Then

h

z   p

j

m

j

f

z

is analytic at p

j

. In other words,

f

z 

h

z

 p

j

m

j

.

Hence,

f

z

f

z

 p

j

m

j

h

z  m

j

 p

j

m

j

1

h

z

 p

j

2m

j

 p

j

m

j

h

z

 h

z

h

z

m

j

 p

j

m

j

.

Now then,

11.2

background image

z   p

j

m

j

f

z

f

z

  p

j

m

j

h

z

h

z

 m

j

,

and so

z

p

j

Res f

 

p

j

  m

j

.

The sum of all these residues is

  m

1

 m

2

 m

J

Then,

C

f

z

f

z

dz

 2i P;

and we already found that

C

f

z

f

z

dz

 n2i,

where is the ”winding number”, or the number of times

 winds around the

origin—n

 0 means  winds in the positive sense, and negative means it winds in the

negative sense. Finally, we have

n

  P,

where N

 n

1

 n

2

 n

K

is the number of zeros inside C, counting multiplicity, or the

order of the zeros, and P

 m

1

 m

2

 m

J

is the number of poles, counting the order.

This result is the celebrated argument principle.

Exercises

1. Let be the unit circle |z|

 1 positively oriented, and let be given by

11.3

background image

f

z  z

3

.

How many times does the curve f

C wind around the origin? Explain.

2. Let be the unit circle |z|

 1 positively oriented, and let be given by

f

z  z

2

 2

z

3

.

How many times does the curve f

C wind around the origin? Explain.

3. Let p

z  a

n

z

n

 a

n

1

z

n

1

 a

1

z

 a

0

, with a

n

 0. Prove there is an  0 so that if

is the circle |z|

 positively oriented, then

C

p

z

p

z

dz

 2ni.

4. How many solutions of 3e

z

  0 are in the disk |z|  1? Explain.

5. Suppose is entire and f

z is real if and only if is real. Explain how you know that f

has at most one zero.

11.2 Rouche’s Theorem. Suppose and are analytic on and inside a simple closed
contour C. Suppose moreover that |f

z|  |gz| for all zC. Then we shall see that and

f

 have the same number of zeros inside C. This result is Rouche’s Theorem. To see

why it is so, start by defining the function

t on the interval 0   1 :

t  1

2

i

C

f

z  tg

t

f

z  tgz

dz.

Observe that this is okay—that is, the denominator of the integrand is never zero:

|f

z  tgz|  ||ft|  t|gt||  ||ft|  |gt||  0.

Observe that

 is continuous on the interval 0, 1 and is integer-valued—t is the

11.4

background image

number of zeros of f

 tg inside C. Being continuous and integer-valued on the connected

set

0, 1, it must be constant. In particular, 0  1. This does the job!

0  1

2

i

C

f

z

f

z

dz

is the number of zeros of inside C, and

1  1

2

i

C

f

z  g

z

f

z  gz

dz

is the number of zeros of f

 inside C.

Example

How many solutions of the equation z

6

 5z

5

 z

3

 2  0 are inside the circle |z|  1?

Rouche’s Theorem makes it quite easy to answer this. Simply let f

z  5z

5

and let

g

z  z

6

 z

3

 2. Then |fz|  5 and |gz|  |z|

6

 |z|

3

 2  4 for all |z|  1. Hence

|f

z|  |gz| on the unit circle. From Rouche’s Theorem we know then that and  g

have the same number of zeros inside |z|

 1. Thus, there are 5 such solutions.

The following nice result follows easily from Rouche’s Theorem. Suppose is an open set
(i.e., every point of is an interior point) and suppose that a sequence

f

n

 of functions

analytic on converges uniformly to the function f. Suppose further that is not zero on
the circle C

 : | z

0

|

 R  U. Then there is an integer so that for all  N, the

functions f

n

and have the same number of zeros inside C.

This result, called Hurwitz’s Theorem, is an easy consequence of Rouche’s Theorem.
Simply observe that for z

C, we have |fz|    0 for some . Now let be large enough

to insure that |f

n

z  fz|   on C. It follows from Rouche’s Theorem that and

f

 f

n

 f  f

n

have the same number of zeros inside C.

Example

On any bounded set, the sequence

f

n

, where f

n

z  1  

z

2

2

 

z

n

n!

, converges

uniformly to f

z  e

z

, and f

z  0 for all z. Thus for any R, there is an so that for

n

 N, every zero of 1  

z

2

2

 

z

n

n!

has modulus

 R. Or to put it another way, given

an there is an so that for n

 no polynomial 1  

z

2

2

 

z

n

n!

has a zero inside the

11.5

background image

circle of radius R.

Exercises

6. Show that the polynomial z

6

 4z

2

 1 has exactly two zeros inside the circle |z|  1.

7. How many solutions of 2z

4

 2z

3

 2z

2

 2 9  0 lie inside the circle |z|  1?

8. Use Rouche’s Theorem to prove that every polynomial of degree has exactly zeros
(counting multiplicity, of course).

9. Let be the closed unit disk |z|

 1. Suppose the function analytic on maps into

the open unit disk |z|

 1—that is, |fz|  1 for all zC. Prove there is exactly one wC

such that f

w  w. (The point is called a fixed point of .)

11.6