解析延拓、單值性與黎曼曲面

完全解析函數

當你從一個函數元素出發,朝每個可能的方向、沿每條可能的路徑延拓它,你便生成一整族都是原元素親戚的元素。完全解析函數就是把這「整個」族捆成一個對象——所有能從起始元素經解析延拓抵達的函數元素(等價地,所有的芽)。你不選擇單一分支而丟棄其餘,而是同時保留每個分支,把這個多值的東西當成一個單一、更大的實體來對待。

把它想成對「這個函數到底是什麼?」這個問題最大限度的誠實答案。對於對數,完全解析函數由去心平面每一點上、對每個整數 k 的所有芽 Log z + 2 pi i k 組成——無窮多個分支,全都縫在一起,因為你能從任一個延拓到任何另一個。對於平方根,它是 正負 sqrt(z) 這兩個分支,因繞 0 一圈把一個送到另一個而相連。完全解析函數不偏好任何分支;分支只不過是你沿不同路徑旅行後得到的不同局部視角。在函數單值的地方(一塊避開分支點的單連通片),完全函數限制成一個普通的解析函數;在迴圈能改變分支的地方,它展開成數葉。

這是整個延拓故事在觀念上的終點,也正是黎曼曲面所幾何化的東西。完全解析函數在平面上方是多值的,但當你改把它看成定義在它的黎曼曲面上時,它就變成一個完全普通的單值解析函數——曲面正是這樣建造的,使每個芽都作為一個獨立的位置坐落在它的底點上方,而沿路徑延拓便成為曲面上一次普通的行走。所以「完全解析函數」與「定義在其黎曼曲面上的函數」是同一個觀念的兩個名字,一個用芽來表述、一個用幾何來表述。

由 sqrt(z) 的一個分支所生成的完全解析函數,是每個非零點上方那對芽 正負 sqrt(z)。在像 z = 1 這樣的單一底點上方它有兩個值 +1 與 -1;在 z = 4 上方有 +2 與 -2。繞 0 延拓會同時在各處互換這兩者。在它的兩葉黎曼曲面上看,這同一個對象就是單值函數 w,其中 w^2 = z。

同時保留每個分支:完全解析函數就是那個完整的多值對象,在它的黎曼曲面上是單值的。

完全解析函數是一個對象、而非一堆互不相干的函數。稱 log 為「多值」是這個單一連通的芽族的簡稱——一旦把它放上它正確的黎曼曲面,它就是單值的。

又稱
global analytic functioncomplete analytic configuration全域解析函數全解析函數