初等函數:指數、對數、冪與分支切割

支割線(a branch cut)

一個多值函數只有在我們禁止那些改變其值的環圈之後才變得可用。支割線就是我們為此拉起的簾幕:一條我們從平面上刪去的曲線,使得剩下區域內沒有任何路徑能環繞一個分支點,這就讓一個單值分支能連續地存活其上。

對於對數,標準的割線是負實軸,從 0 一直延伸到負無窮,主分支 Log z 即採用此割線。一旦去掉這條射線,切開的平面就沒有任何環繞原點的圈,於是 Arg z 可在 (-pi, pi] 中連續選取,而 Log z = ln|z| + i Arg z 在割開的平面上是一個貨真價實的單值全純函數。割線並不唯一:任何從分支點 0 通到無窮的曲線都可以,例如負虛軸或一條螺線。你選擇割線,是為了讓你關心的區域(你感興趣的定義域)保持完整且遠離接縫。

割線的代價是沿著它的一道受控的不連續:函數在曲線兩側取不同的極限(對 Log z 而言,跨越負實軸的跳變恰為 2 pi i)。這是可以接受的,因為你只要永遠不讓你的圍道或計算穿越割線即可。對於有兩個有限分支點的函數,例如 sqrt((z - 1)(z + 1)),一個聰明的割法是連接它們的有限線段,之後同時包圍兩個分支點的圈便不再造成矛盾,函數在線段之外是單值的。選擇切在何處是一門藝術,由分支點的位置以及哪個區域必須保持連通而不被切割來引導。

割線取在負實軸時,-1 正上方與正下方的點給出 Log(-1 + i 0.001) 約為 i pi、Log(-1 - i 0.001) 約為 -i pi,相差 2 pi i。

割線正是兩側極限相差 2 pi i 之處。

割線是一種選擇,不是函數的固有性質;移動割線只是移動接縫,並不改變底層的多值函數。不同軟體預設不同的割線,因此若你假設了錯誤的約定,公式可能在錯誤的地方看起來不連續。

又稱
分支切割