问题从哪来
多值函数(、、)不能在定义域上整体取单值。想把它们当普通解析函数用,办法是限制定义域:把平面剪开,只留一块区域,在区域上定义单值且解析的分支。这一页把"剪在哪里""为什么必须剪"说清楚。
支点
设 在 的某个去心邻域内可以解析延拓。若沿 周围一个足够小的正向简单闭围道走一圈回到出发点后, 的值不能连续地回到原值,则称 是 的支点(分支点,branch point)。
直观判据:绕 一圈, 增加 ,凡是靠这个辐角定义的函数都会"接到另一层"上去。对 要绕 圈才回到原值,此时称 是 阶支点(对数则在任何阶数下都回不去,绕多少圈都不同)。注意"阶"的记法各家不一,有的教材把 的支点记作 阶,读书时以书上的定义为准。
支点处函数可能连极限都没有,也可能连续( 在 处趋于 ),它不属于后面讲的孤立奇点分类(可去奇点、极点、本性奇点)——那一套分类只对单值函数的孤立奇点有效。别把"支点"和"极点"混用。
支割线
从支点出发、连到另一个支点或通向无穷的曲线 称为支割线(割线,branch cut)。要求是:把 从平面中去掉后,剩下的区域 是单连通的,并且在 上能定义 的单值解析分支。
要点:
- 割线的选法不唯一;一旦选定割线,其上可用的分支族就定了(对 仍有无穷多支,彼此相差 )。换割线相当于换一组分支。
- 关键限制:若区域内存在一条绕过支点、且无法在区域内收缩成一点的闭曲线,单值分支就无处安放。对 来说这意味着区域必须"看不到"绕原点的回路(环形域 里就没有单值分支)——这与 调和函数 中"已知实部求解析函数需单连通"是同一件事的两种说法。
- 但也别把它说成"必须单连通": 只要求区域内每条闭曲线绕支点的次数都是 的倍数。例如环形域 是二连通的,但它整个落在 的范围内、不含原点,任何回路绕原点的次数都是 ,所以 与 在其上都能取单值分支。(对照:以原点为心的环形域 里有绕原点一圈的回路,那里就没有 的单值分支。)
- 同一割破平面上不同分支之间的差别很规整:对数相差 ,方根相差因子 。但换一条不同的割线得到的分支,一般并不等于原分支加常数。
典型例子
对数 :支点在 与 (绕原点一圈辐角加 ,回不到原值)。取割线为负实轴 ,在 上规定 ,就得到主值分支
若改用正实轴作割线,则在这一支上取辐角代表 (注意 已不再等于主值 ,主值仍取 ),得到的另一个分支在负实轴上与主值分支取值相同、在下半平面()比主值分支大 。可见割线一换,新分支不是主值分支的常数平移;"各分支相差 "这句话只在同一个割破平面内成立。详见 对数函数。
方根 :支点同样是 (绕两圈才回到原值)。割去负实轴后有两个分支
它们互为相反数,恰好对应"二次方程的两个根"。详见 幂函数。
反三角函数 、:支点在 ,割线通常取 ,在剩下的区域上取主值分支; 处导数公式的分母为零、导数无界(函数值本身仍有界,如 )。详见 反三角函数与反双曲函数。
相关笔记
教材 §29–§32、§35