應用複分析

輻角原理(argument principle)

繞一條閉合迴路走一圈,留意函數 f(z) 的輻角(角度)如何隨之纏繞。當你回到起點時,角度已轉過整數個整圈——一個淨纏繞。輻角原理揭示這纏繞數並非隨意:它等於 f 在迴路內的零點個數減去極點個數。它把定位零點與極點的問題,化為數圈數的問題。

精確地說,若 f 在閉圍道 C 內部及其上除若干極點外解析,且在 C 本身上無零點,則 1/(2 pi i) 乘以 f'(z)/f(z) dz 沿 C 的圍道積分等於 Z - P,其中 Z 是內部零點個數、P 是極點個數(各按重數計)。被積函數 f'/f 是對數導數,即 log f 的導數,故積分量度 log f 繞迴路一週的總變化;其虛部即輻角的變化,名稱由此而來。幾何上,當 z 沿 C 走一圈,像點 f(z) 描出自己的閉合路徑,而 Z - P 就是那像路徑繞原點纏繞的次數。

這是一件極實用的工具。在控制理論中它是奈奎斯特穩定判據的根基:當頻率掃過時畫出開環傳遞函數,數它繞臨界點幾圈,便得知閉環系統有多少個不穩定極點——根本無需求解那些極點。它還支撐數根算法、濾波器設計,以及 n 次多項式恰有 n 個根的證明。魯歇定理是它最常用的推論。

對 f(z) = z^3,把 f'/f = 3/z 沿單位圓積分。積分為 3 乘 1/z 的迴路積分,即 3 乘 2 pi i,除以 2 pi i 得 3。果然 f(z) = z^3 內部有一個三重零點(Z = 3)、無極點(P = 0),故 Z - P = 3,恰是 z 繞一圈時像的纏繞數。

數像繞原點纏繞幾圈,便數出迴路內零點減極點之差。

該原理按重數計零點與極點——二重零點算兩次——且函數在圍道本身上不得有零點或極點,否則對數導數發散,纏繞數無定義。它告訴你內部有幾個零點,卻不告訴你它們在哪兒。

又稱
principle of the argument幅角原理幅角原理