应用复分析

辐角原理(argument principle)

绕一条闭合回路走一圈,留意函数 f(z) 的辐角(角度)如何随之缠绕。当你回到起点时,角度已转过整数个整圈——一个净缠绕。辐角原理揭示这缠绕数并非随意:它等于 f 在回路内的零点个数减去极点个数。它把定位零点与极点的问题,化为数圈数的问题。

精确地说,若 f 在闭围道 C 内部及其上除若干极点外解析,且在 C 本身上无零点,则 1/(2 pi i) 乘以 f'(z)/f(z) dz 沿 C 的围道积分等于 Z - P,其中 Z 是内部零点个数、P 是极点个数(各按重数计)。被积函数 f'/f 是对数导数,即 log f 的导数,故积分量度 log f 绕回路一周的总变化;其虚部即辐角的变化,名称由此而来。几何上,当 z 沿 C 走一圈,像点 f(z) 描出自己的闭合路径,而 Z - P 就是那像路径绕原点缠绕的次数。

这是一件极实用的工具。在控制理论中它是奈奎斯特稳定判据的根基:当频率扫过时画出开环传递函数,数它绕临界点几圈,便得知闭环系统有多少个不稳定极点——根本无需求解那些极点。它还支撑数根算法、滤波器设计,以及 n 次多项式恰有 n 个根的证明。鲁歇定理是它最常用的推论。

对 f(z) = z^3,把 f'/f = 3/z 沿单位圆积分。积分为 3 乘 1/z 的回路积分,即 3 乘 2 pi i,除以 2 pi i 得 3。果然 f(z) = z^3 内部有一个三重零点(Z = 3)、无极点(P = 0),故 Z - P = 3,恰是 z 绕一圈时像的缠绕数。

数像绕原点缠绕几圈,便数出回路内零点减极点之差。

该原理按重数计零点与极点——二重零点算两次——且函数在围道本身上不得有零点或极点,否则对数导数发散,缠绕数无定义。它告诉你内部有几个零点,却不告诉你它们在哪儿。

又称
principle of the argument幅角原理幅角原理