辐角

时间:2023-06-07 10:07:11编辑:奇事君
概述

围道 C(黑色),f 的零点(蓝色)以及 f 的极点(红色)。

在复分析中,辐角原理(Argument?principle)或称柯西辐角原理(Cauchy's?argument?principle)说如果?f(z)?是在某个围道?C?上以及内部一个全纯函数,且?f?在?C?上没有零点或极点,则下列公式成立:这里?N?与?P?分别表示?f(z)?在围道 C?内部的零点与极点个数,每个零点计重数极点计阶数。定理的陈述假设围道?C?是简单的,即没有自交,以及它是逆时针方向定向的。

更一般地,假设?C?是一条曲线,逆时针方向定向,在复平面中一个开集?Ω?中可缩为一点。对每个?,令??是?C?绕点?z?的卷绕数。则这里第一个求和对?f?所有零点?a?进行并计重数,第二个求和在?f?的所有极点?b?上进行。证明

设?zN?是?f?的一个零点。我们可将?f?写成??这里?k?是零点的重数,从而?。我们有以及因,故?在?zN?没有奇点,从而在?zN?解析,这意味着?在?zN?的留数是?k。

设?zP?是?f?的一个极点。我们可写成?这里?m?是极点的阶数,从而?。则以及如上。故??在?zP?没有奇点,因为??从而在?zP?解析。我们发现?在?zP?的留数是m。

将它们放在一起,f?的每个?k?重零点?zN?产生?的一个留数为?k?的单极点,而?f?的每个?m?阶极点?zP?产生??的一个留数为m?的单极点(这里一个单极点指一阶极点)。另外,可以证明?没有其它极点,从而没有其它留数。

由留数定理我们有关于?C?的积分是?2πi?与这些留数之和的乘积。总之,每个零点?zN?的?k?之和是计重数的零点个数,对极点类似,故我们得到了欲证之结论。

推论

假设?C?是一个以原点为中心的闭围道,通过考虑?f(z)?关于原点的卷绕数可得出一些推论。我们看到?在?C?上的积分是?值的变化。因为?C?是闭的我们只需考虑?在?C?上的变化,它将是?2πi?的某个整数倍因为?C?是闭的(但可能绕原点卷多圈)。但从辐角原理约去因子 2πi,我们得到这里?表示?f?在?C?上关于?0?点卷绕数。

一个推论是更广泛的定理,在同样的假设下,如果?g?是?Ω?中一个解析函数,则

例如,如果?f?是以一个简单围道?C?内部??为零点的多项式,以及[上标],则是?f?的根的幂和对称函数。

另一个推论是如果我们计算复积分:

对一个合适的?g?与?f,我们有阿贝尔-普兰纳(Plana)公式:这给出了一个离散和式与它的积分之间的关系。历史

按照弗兰克·史密西斯一书《Cauchy?and?the?Creation?of?Complex?Function?Theory》的说法,在奥古斯丁·路易·柯西从法国到都灵(当时皮德蒙特-萨丁尼亚王国的首都)的自我放逐途中,柯西于1831年11月2日提出了和上面类似的一个定理(见177页)。但是根据此书,只提到了零点,没有极点。柯西的这个定理在许多年后的1974年才以手写本发表,故很难阅读。柯西逝世两年前的1855年发表的一篇论文中,零点与极点都讨论了。定理?1?只涉及了零点。柯西1855年论文中的定理?2?说“一个单复变量函数?Z?的对数计量(compteurs?logarithmiques,相当于现代教材中的对数留数)等于?Z?与??根的个数之差(相当于现代教材中的函数?Z?的零点与极点)。从而现代“辐角原理”可在1855年柯西论文中作为一个定理发现。应用

反馈控制理论的现代书籍中频繁用到辐角原理,将其作为奈奎斯特稳定性判据的理论基础。哈里·奈奎斯特1932年原理的论文(H.?Nyquist,?"Regeneration?theory",?Bell?System?Technical?Journal,?vol.?11,?pp.?126-147,?1932)用一种相当笨拙与原始的方法得出奈奎斯特稳定性判据。在这篇论文中,奈奎斯特完全没有提到柯西的名字。后来,Leroy?MacColl?(Fundamental?theory?of?servomechanisms,?1945)?与?Hendrik?Bode?(Network?analysis?and?feedback?amplifier?design,?1945)?都从辐角原理得到了奈奎斯特稳定性判据。MacColl?(Bell?Laboratories)?将辐角原理称为柯西定理。这样辐角原理在纯粹数学与控制工程学中都有重大影响。现在,辐角原理可在复分析或控制工程学的现代教材中都可以找到。

文献

尔福斯,拉斯(1979)。Complex?Analysis.McGraw?Hill.

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