解析延拓、單值性與黎曼曲面

沿路徑延拓

想像在一棟沒有直走廊的建築裡,把一支點燃的蠟燭從一個房間搬到另一個房間:你一步一步移動,每步都夠短,使下一個位置仍被你剛站過的地方照亮。沿路徑延拓對函數做的正是這件事。你從曲線起點的一個函數元素出發,然後讓一串互相重疊的圓盤沿曲線滑動,在相繼的點重新展開冪級數,使每個新元素都是前一個的直接延拓。當你抵達路徑終點時,你在那裡有一個函數元素——而依定義,這個終點元素就是起點元素沿「那條特定路徑」的延拓。

用平白的步驟說明這個程序。取一條從點 a 到點 b 的路徑 gamma,以及在 a 的一個初始元素(一個圓盤與一個冪級數)。用有限多個點 a = t_0, t_1, ..., t_n = b 覆蓋路徑,使相鄰的點夠近、讓相鄰圓盤重疊。在 t_0 你有你的級數;在 t_1 重新展開它(在點 gamma(t_1) 計算所有導數,該點仍在目前圓盤內,並形成新的泰勒級數);這給出 t_1 的元素。再在 t_2 重新展開,如此繼續,直到產生 b 的元素。只要每次重新展開都可行(函數沿途保持解析、不會撞上無法繞過的奇點),這條鏈就成功,終點元素也就良好定義——而且它「不」依賴於你選了哪些中間點的細節,只依賴於路徑。

玄機所在、也正是這個觀念有趣的全部理由,就在「那條特定路徑」這句話。結果可能依賴於你從 a 到 b 走了哪條路徑。若兩條路徑以不同方式掃過一個奇點——例如延拓對數時一條從 0 左邊過、一條從 0 右邊過——終點元素就可能不同。延拓一般來說是依賴路徑的;只有在額外條件下(一個內部無奇點的單連通區域)才變成與路徑無關,而這正是單值性定理的內容。

把 Log z 從 z = 1 附近的某個起始分支沿上半圓延拓到 z = -1:arg z 的值從 0 滑升到 pi,故 log 在 z = -1 落在 log 1 + i pi = i pi。改把「同一個」起始分支沿下半圓延拓:arg 從 0 滑降到 -pi,落在 -i pi。相同起點、相同終點、兩條不同路徑——兩個相差 2 pi i 的答案。

終點的值可能依賴於所走的路線——這種路徑依賴性是多值性的種子。

沿路徑延拓只依賴於路徑、不依賴於你把它分得多細——但它確實可能依賴於路徑。除非兩條路徑在一個延拓總是可行的區域內同倫,否則終點相同並不保證結果相同。

又称
continuation along a curveanalytic continuation along a path沿曲線延拓