在複分析 中,輻角原理 (Argument principle )或稱柯西輻角原理 (Cauchy's argument principle )說如果
f
(
z
)
{\displaystyle f(z)}
是在某個圍道
C
{\displaystyle C}
上以及內部一個亞純函數 ,且
f
{\displaystyle f}
在
C
{\displaystyle C}
上沒有零點 或極點 ,則下列公式成立
圍道
C
{\displaystyle C}
(黑色),
f
{\displaystyle f}
的零點(藍色)以及
f
{\displaystyle f}
的極點(紅色)。
∮
C
f
′
(
z
)
f
(
z
)
d
z
=
2
π
i
(
N
−
P
)
{\displaystyle \oint _{C}{f'(z) \over f(z)}\,dz=2\pi \mathrm {i} (N-P)}
這裡
N
{\displaystyle N}
與
P
{\displaystyle P}
分別表示
f
(
z
)
{\displaystyle f(z)}
在圍道
C
{\displaystyle C}
內部的零點與極點個數,每個零點計重數 ,極點計階數 。定理的陳述假設圍道
C
{\displaystyle C}
是簡單的,即沒有自交,以及它是逆時針方向定向的。
更一般地,假設
C
{\displaystyle C}
是一條曲線,逆時針方向定向,在複平面 中一個開集
Ω
{\displaystyle \Omega }
中可縮 為一點。對每個
z
∈
Ω
{\displaystyle z\in \Omega }
,令
n
(
C
,
z
)
{\displaystyle n(C,z)}
是
C
{\displaystyle C}
繞點
z
{\displaystyle z}
的卷繞數 。則
∮
C
f
′
(
z
)
f
(
z
)
d
z
=
2
π
i
(
∑
a
n
(
C
,
a
)
−
∑
b
n
(
C
,
b
)
)
,
{\displaystyle \oint _{C}{\frac {f'(z)}{f(z)}}\,dz=2\pi \mathrm {i} \left(\sum _{a}n(C,a)-\sum _{b}n(C,b)\right),}
這裡第一個求和對
f
{\displaystyle f}
所有零點
a
{\displaystyle a}
進行並計重數,第二個求和在
f
{\displaystyle f}
的所有極點
b
{\displaystyle b}
上進行並計重數。
證明
推論
假設
C
{\displaystyle C}
是一個以原點為中心的閉圍道,通過考慮
f
(
z
)
{\displaystyle f(z)}
關於
0
{\displaystyle 0}
的卷繞數 可得出一些推論。我們看到
f
′
(
z
)
f
(
z
)
{\displaystyle {\frac {f'(z)}{f(z)}}}
在
C
{\displaystyle C}
上的積分是
log
f
(
z
)
{\displaystyle \log f(z)}
值的變化。因為
C
{\displaystyle C}
是閉的我們只需考慮
arg
f
(
z
)
⋅
i
{\displaystyle {\arg f(z)}\cdot \mathrm {i} }
在
C
{\displaystyle C}
上的變化,它將是
2
π
i
{\displaystyle 2\pi \mathrm {i} }
的某個整數倍(但可能繞原點卷多圈)。但從輻角原理
∮
C
f
′
(
z
)
f
(
z
)
d
z
=
2
π
i
(
N
−
P
)
{\displaystyle \oint _{C}{f'(z) \over f(z)}\,dz=2\pi \mathrm {i} (N-P)}
約去因子
2
π
i
{\displaystyle 2\pi \mathrm {i} }
,我們得到
N
−
P
=
I
(
C
,
0
)
{\displaystyle N-P=I(C,0)}
這裡
I
(
C
,
0
)
{\displaystyle I(C,0)}
表示
f
{\displaystyle f}
在
C
{\displaystyle C}
上關於
0
{\displaystyle 0}
的卷繞數 ,且有
I
(
C
,
0
)
=
∑
a
n
(
C
,
a
)
{\displaystyle I(C,0)=\sum _{a}n(C,a)}
,(這裡的求和對
f
{\displaystyle f}
所有零點
a
{\displaystyle a}
進行並計重數)。
一個推論是更廣泛的定理,在同樣的假設下,如果
g
{\displaystyle g}
是
Ω
{\displaystyle \Omega }
中一個解析函數,則
1
2
π
i
∮
C
g
(
z
)
f
′
(
z
)
f
(
z
)
d
z
=
∑
a
n
(
C
,
a
)
g
(
a
)
−
∑
b
n
(
C
,
b
)
g
(
b
)
.
{\displaystyle {\frac {1}{2\pi i}}\oint _{C}g(z){\frac {f'(z)}{f(z)}}\,dz=\sum _{a}n(C,a)g(a)-\sum _{b}n(C,b)g(b).}
例如,如果
f
{\displaystyle f}
是以一個簡單圍道
C
{\displaystyle C}
內部
z
1
,
…
,
z
p
{\displaystyle z_{1},\dots ,z_{p}}
為零點的多項式 ,以及
g
)
z
)
=
z
k
{\displaystyle g)z)=z^{k}}
,則
1
2
π
i
∮
C
z
k
f
′
(
z
)
f
(
z
)
d
z
=
z
1
k
+
z
2
k
+
⋯
+
z
p
k
,
{\displaystyle {\frac {1}{2\pi i}}\oint _{C}z^{k}{\frac {f'(z)}{f(z)}}\,dz=z_{1}^{k}+z_{2}^{k}+\dots +z_{p}^{k},}
是
f
{\displaystyle f}
的根的次方和對稱多項式 。
另一個推論是如果我們計算復積分:
∮
C
f
(
z
)
g
′
(
z
)
g
(
z
)
d
z
,
{\displaystyle \oint _{C}f(z){g'(z) \over g(z)}\,dz,}
對一個合適的
f
{\displaystyle f}
,我們有阿貝爾-普蘭納公式 :
∑
n
=
0
∞
f
(
n
)
−
∫
0
∞
f
(
x
)
d
x
=
f
(
0
)
/
2
+
i
∫
0
∞
f
(
i
t
)
−
f
(
−
i
t
)
e
2
π
t
−
1
d
t
,
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }f(n)-\int _{0}^{\infty }f(x)\,dx=f(0)/2+i\int _{0}^{\infty }{\frac {f(it)-f(-it)}{e^{2\pi t}-1}}\,dt,}
這給出了一個離散和式與它的積分之間的關係。
歷史
按照弗蘭克·史密西斯 一書(Cauchy and the Creation of Complex Function Theory , Cambridge University Press, 1997)的說法,在奧古斯丁·路易·柯西 從法國到都靈 (當時皮德蒙特-薩丁尼亞王國 的首都)的自我放逐途中,柯西於1831年11月2日提出了和上面類似的一個定理(見177頁)。但是根據此書,只提到了零點,沒有極點。柯西的這個定理在許多年後的1974年才以手寫本發表,故很難閱讀。柯西逝世兩年前的1855年發表的一篇論文中,零點與極點都討論了。定理 1 只涉及了零點。柯西1855年論文中的定理 2 說「一個單復變量函數 Z 的對數計量(compteurs logarithmiques ,相當於現代教材中的對數留數)等於 Z 與 1/Z 根的個數之差(相當於現代教材中的函數 Z 的零點與極點)。從而現代「輻角原理」可在1855年柯西論文中作為一個定理發現。
應用
反饋控制理論的現代書籍中頻繁用到輻角原理,將其作為奈奎斯特穩定性判據 的理論基礎。哈里·奈奎斯特 1932年原理的論文(H. Nyquist, "Regeneration theory", Bell System Technical Journal, vol. 11, pp. 126-147, 1932)用一種相當笨拙與原始的方法得出奈奎斯特穩定性判據。在這篇論文中,奈奎斯特完全沒有提到柯西的名字。後來,Leroy MacColl (Fundamental theory of servomechanisms, 1945) 與 Hendrik Bode (Network analysis and feedback amplifier design, 1945) 都從輻角原理得到了奈奎斯特穩定性判據。MacColl (Bell Laboratories) 將輻角原理稱為柯西定理。這樣輻角原理在純粹數學與控制工程學中都有重大影響。現在,輻角原理可在複分析 或控制工程學 的現代教材中都可以找到。
參考文獻
外部連結
相關條目