平面中的曲線、路徑與弧(curves, paths and arcs in the plane)
平面中的曲線是一個移動的點所描出的軌跡。我們用參數化來描述它:一個連續函數 z(t) = x(t) + i y(t),當實參數 t 跑遍區間 [a, b] 時,把曲線描繪成複平面中的一條路徑。點 z(a) 是起點,z(b) 是終點。把 t 想成時間,z(t) 就是一個粒子在平面中漂移的位置,曲線就是它的軌跡。
幾個標準的區分能把這整理清楚。弧(arc)是由這樣一個連續的 z(t) 給出的曲線。若它從不自我交叉(z(t) 不取同一值兩次),就是簡單弧。若它回到出發處 z(a) = z(b),就是閉曲線;簡單閉曲線(若爾當曲線)是沒有自我交叉的閉迴路,像圓或多邊形。光滑曲線有連續且非零的導數 z'(t)——有定義良好的切線方向、沒有尖角——而路徑或圍道通常是有限多條光滑弧首尾相接的鏈,允許有尖角。例如 z(t) = e^(i t),t 從 0 到 2 pi,是逆時針走一圈的單位圓,一條簡單閉光滑曲線。
曲線是複分析下半場的舞台。它們是函數作用的對象(你把一條曲線推過 f,看它的像如何彎折),而且關鍵地,它們是你沿著去積分的圍道。整套圍道積分理論、柯西定理、留數定理與輻角原理,都建立在沿這些路徑對函數積分之上——所以對參數化曲線、它們的定向(行進方向)、以及一條何時能形變成另一條有清楚的掌握,是後面一切所立足的基礎。
從 0 到 1 + i 的線段由 z(t) = t(1 + i)、t 屬於 [0, 1] 參數化:一條簡單、光滑、開的弧。把它和一條沿不同路線從 1 + i 走回 0 的線段接起來,就構成一條圍住某區域的簡單閉曲線。
參數化 z(t) 把幾何曲線變成你日後沿著積分的圍道。
曲線帶有一個定向——t 增加的方向——把它反向會使沿它的任何積分變號。依標準慣例,簡單閉圍道逆時針走訪(正方向),使它所圍的區域位於左側。