圍道積分與柯西定理
柯西積分定理(Cauchy's integral theorem)
/ Cauchy: koh-SHEE /
這是整個學科據以旋轉的定理,而它驚人地簡潔。若 f 在單連通區域(沒有洞的區域)上解析,則 f 繞該區域中每條封閉圍道的積分恰好為零。沒有計算、沒有特殊函數——就是零,每一次都是。從這單一事實,幾乎整個複分析展開來。
透過本章的等價來讀它,它說的更多。因為封閉迴路積分全都為零,f 的積分在該區域上與路徑無關,且 f 在那裡擁有原函數。所以柯西定理其實是說:無洞區域上的每個解析函數都有反導數——最強的良好行為。前提各司其職:「解析」(複可微)是分析的輸入,而「單連通」是拓撲的輸入,確保沒有洞讓迴路把某個奇點圈在裡面。
誠實的界限很重要。去掉單連通性,定理可能失效:1/z 在穿孔平面上解析,然而它繞一條環繞原點的迴路的積分為 2 pi i,因為那個穿孔是迴路所圈住的洞。在迴路內哪怕僅一點處去掉解析性,它也可能失效。值得注意的、也是柯西-古薩加強版的內容,是僅僅複可微就足夠了——你不需要假設導數連續,儘管結論之後反過來會證明 f 是無窮可微的。
在圓盤 |z| < 2(為單連通)上,e^z、cos z 與任何多項式都解析,故各自繞圓 |z| = 1 的積分都為 0。但 1/z 在任何含 0 的區域上不滿足前提,而它繞 |z| = 1 的積分確實為 2 pi i,而非 0。
柯西定理:無洞區域加上解析性,迫使每個封閉迴路積分為零。
它並非說封閉迴路積分總是零——只有當 f 在內部處處(包括迴路所圈住的部分)解析時才如此;被困在內部的奇點會完全改變答案。
又称
另见