一致地選取分支(choosing branches consistently)
一旦你接受 log z、z^a 與反三角函數都是多值的,日常的技能就不只是選一個分支,而是選取彼此契合的分支,使得由其中數個組合而成的公式保持連續,並給出你真正想要的值。不一致的選取是大多數符號錯誤與 2 pi i 錯誤的根源。
指導原則是:當你的點移動時連續地追蹤輻角,除非你有意,否則絕不讓值跳變。假設你需要沿一條路徑求 sqrt(z)。選定一個起始值,然後當 z 移動時讓 arg z 連續變化;若路徑使輻角擺過你的割線,主分支就會跳變,那麼你要嘛改道、要嘛移動割線、要嘛自覺地自行加上 2 pi i(或變號)。當一個公式組合多個函數時,例如 sqrt((z-1)(z+1)) 或 log(f(z)),先決定每個成分的分支,並檢查它們的割線是否相容:有時兩條平方根割線可以安排成相消,使乘積在比任一因子單獨時更大的區域上單值。一個常用的方法是選一個每個值都顯而易見的參考點,在那裡固定所有分支,再靠連續性延拓出去。
為何重要:圍道積分、輻角原理與支割線積分全都仰賴沿整條圍道對輻角的單一一致選取;一次意外的分支跳變會悄悄地把答案改變 2 pi i 的整數倍,或把符號翻轉。軟體有它自己預設的割線,所以閉式答案可能純粹因為分支選法不同而與數值答案不符。這套紀律說來簡單卻易被遺忘:事先選好你的分支、聲明你的割線、沿每條路徑保持 arg 連續,並有意地把任何穿越算進去。
計算 log(z_1) + log(z_2) 與 log(z_1 z_2):取 z_1 = z_2 = -1,主 Log 給出 i pi + i pi = 2 pi i,但 Log((-1)(-1)) = Log 1 = 0;一致的修正是當輻角之和超過 pi 時加上一個 2 pi i 校正。
天真地把對數相加可能差 2 pi i;追蹤輻角即可修正。
在環繞分支點的區域上不存在全域一致的單值選取;一致性永遠是相對於某條割線而言。若你的路徑必須繞一個分支點,你就是在黎曼曲面上,而非在單一分支上。