初等函數:指數、對數、冪與分支切割
分支點(a branch point)
當一個函數是多值時,麻煩並非均勻地散佈在整個平面上,而是集中在特殊的點上。分支點是這樣一個點:你無法用一個小圈環繞它,而函數的值在你繞回來時不發生改變。它是多值性繞之旋轉的樞軸。
取 log z。從任何非零點出發,固定那裡 log 的一個值,然後把這個值沿一個小圓逆時針連續地繞一圈再回到起點。模的部分 ln|z| 回到出發處,但輻角增加了 2 pi,所以 log z 增加了 2 pi i,與起始值不符。這種行為的中心點,即原點 z = 0,就是對數的分支點。判定的標準正是這種無法返回的現象:環繞一個分支點會把你切換到不同的分支。對 log z 而言,唯一的有限分支點是 0(在精確意義下,無窮遠處還有一個)。對平方根 sqrt(z) 而言分支點同樣在 0,但繞兩圈會還原其值(因為只有兩個分支),所以它是二階的分支點。
知道分支點在哪裡,就告訴你割線該畫在何處:支割線必須連接分支點或從分支點伸出去,使得在你的定義域內無法繞著它們轉圈。例如 sqrt(z^2 - 1) 的分支點在 z = 1 與 z = -1,因此你可以沿它們之間的線段切開,或沿兩條向外的射線切開。分支點是不可移動的障礙物;割線則是你拉起以避免繞著它們轉圈的、可移動的簾幕。
從 z = 1 出發、取 log 1 = 0,沿單位圓行走。在角度 theta 處值為 i theta;繞完一整圈時 theta = 2 pi,所以 log 回來時是 2 pi i,而非 0。
繞 0 一圈使 log 改變 2 pi i,因此 0 是分支點。
分支點不是極點,也不是函數爆掉的普通奇點;除了多值性之外,log z 在 0 附近保持有限。其缺陷是無法單值,而非無法有限。
另见