羅朗級數與奇點分類

無窮遠處的奇點(singularity at infinity)

在黎曼球面上,無窮只是另一個點——北極,平面所有直線奔向之處。所以自然要問:函數在那裡、在無窮遠處表現如何?它是安定下來、爆掉,還是發狂?把函數在無窮遠的行為分類,正是先前那個問題,只是透過一個簡單的變數代換來看。

訣竅是代入 w = 1/z,把無窮遠點(z 很大)變成點 w = 0(w 很小)。定義 g(w) = f(1/w) 並研究 g 在 0 處。無論 g 在 w = 0 有哪種孤立奇點,依定義那就是 f 在無窮遠處的奇點類型:可去表示 f 在無窮遠趨於一個有限極限(g 在 0 附近有界);w = 0 處 m 階極點表示 f 在無窮遠像 z^m 那樣增長;w = 0 處本性奇點表示 f 在無窮遠表現狂野。你從 f 對大 |z| 的、以 1/z 各冪表示的羅朗級數讀出類型,就像在任何有限點附近所做的那樣。

這個觀點補全了全貌,而且確實有用。一個 n 次多項式在無窮遠有 n 階極點(它像 z^n 那樣增長),這正是為什麼多項式無界、而劉維爾定理並不與之矛盾。e^z 在無窮遠有本性奇點(令 w = 1/z 看 e^(1/w) 在 0 處)。一個在整個球面(含無窮遠)上解析的函數必為常數;而一個在整個球面上亞純的函數恰好是有理函數。把無窮遠處的奇點一併計入,也正是讓「所有留數之和(含無窮遠處那個)為零」乾淨得出的原因。

把 f(z) = z^2 + 1/z 在無窮遠分類。令 w = 1/z:g(w) = f(1/w) = 1/w^2 + w。在 w = 0 附近其主要部分為 1/w^2——一個 2 階極點。所以 f 在無窮遠有 2 階極點(它像 z^2 那樣增長)。作為對照,f(z) = sin z 給出 g(w) = sin(1/w),在 0 處本性,故 sin z 在無窮遠有本性奇點。

無窮遠處的行為 = f(1/w) 在 w = 0 的行為;此處 z^2 + 1/z 在無窮遠有二階極點。

留意記帳:f 在無窮遠有界對應於那裡的可去奇點,但「在無窮遠可去」仍允許非零的有限極限;而正次數多項式在無窮遠是極點,而非本性奇點,儘管它無界。

又稱
behaviour at infinitysingularity at the point at infinity無窮遠點處的奇點