圍道積分與柯西定理
路徑無關(path independence)
想像兩位登山者從同一個登山口出發,循完全不同的步道前往同一座山頂。對大多數旅程而言,所費的力氣取決於路線。但對某些特殊的量——比如說所爬升的高度——只有起點與終點要緊。路徑無關說的是圍道積分的行為就像爬升的高度:只要你留在相關區域內,f 在兩點之間的積分值不論你走哪條圍道都相同。
為什麼積分會有這種性質?因為它與另外兩件事等價,而它們同生共死。在連通開集上,對連續的 f 而言,下列是同一個性質:(1) f 在任兩點之間的積分與路徑無關;(2) f 在該集上有原函數;(3) f 沿集中每條封閉圍道的積分為零。由 (2),基本定理立即給出 (1) 與 (3);反過來,若迴路為零,你可以用 F(z) = f 從一個固定基點到 z 的積分來定義原函數,路徑無關性保證了這是良好定義的。
這三向等價是本章的概念引擎。柯西定理將免費地為單連通區域上的解析函數提供路徑無關性,於是一切美好的事都隨之而來。誠實的提醒:無關性在某個區域內成立,而區域的形狀就是一切。同樣的 f = 1/z 在右半平面上是路徑無關的(它在那裡有原函數,即 log z 的一個分支),但在繞原點的圓環上則不是,那裡洞兩側的兩條路線相差 2 pi i。
把 f(z) = 2z 從 0 積到 2。直線路徑與半圓繞道給出相同答案,因為 2z 有原函數 z^2:兩者都等於 2^2 - 0^2 = 4。相比之下,1/z 從 1 積到 -1,沿上半單位半圓對比下半單位半圓,給出 i pi 對比 -i pi——與路徑有關,原因是 0 處的洞。
路徑無關(2z,有原函數)對比路徑相依(1/z 繞洞)。
路徑無關是關於特定區域的陳述:擴大或穿孔該區域都可能摧毀它,所以在援引它之前永遠要問「在哪個區域上無關?」
又稱
另見