基礎:複數與複平面的幾何
無窮遠點(point at infinity)
在尋常算術中,當 z 趨近 0 時 1/z 變得越來越大,沒有任何一個數是它「抵達」的——除以零沒有定義,其值奔向無窮。複變分析既大膽又俐落的修補,是添上一個全新的單一點,稱為無窮遠點,以無窮符號表示,並宣告:當 |z| 無界增長時,z 朝這唯一的點而去。平面加上這個額外的點,就是擴充複平面,常寫成 C-hat。
關鍵是只有「一個」無窮遠點,而非每個方向各有不同的無窮——這與實數線分開的正無窮與負無窮不同。無論你朝平面外哪個方向行進(向北、向西南、或繞著旋進),你都趨近同一個單一點。有了它,從前禁止的式子便有了乾淨的意義:1/0 = infinity 而 1/infinity = 0,這使映射 z -> 1/z 在整個擴充平面上成為 0 與 infinity 的完美、毫無破綻的互換。
何必這麼費事?因為加上無窮,使整套理論更圓滿、更對稱。莫比烏斯變換成為擴充平面到自身的真正一對一映射;有理函數處處皆有良好定義;而「無窮附近的行為」也變得能像研究任何尋常點附近的行為一樣去研究(代入 w = 1/z,再看 w = 0 附近)。這個一點緊化最自然的家,是一個球面——黎曼球面。
映射 z -> 1/z 把 0 送到 infinity、把 infinity 送到 0,是整個擴充平面到自身的乾淨一對一映射。沒有無窮遠點時,它在 z = 0 處無定義;添上這單一個點,便補好了那個缺口。
一個額外的點,讓 1/z 成為 0 與 infinity 的完美互換。
無窮是一個添加的單一點,並非你能隨意做算術的數:infinity + infinity 與 infinity 乘以 0 仍無定義。它只在極限確實存在的特定運算(如 1/0 = infinity)上才獲得乾淨的規則。
又稱
另見