初等函數:指數、對數、冪與分支切割

跨越支割線的不連續(the discontinuity across a branch cut)

畫一條支割線換來了單值性,但這並非免費。沿著割線本身,函數拒絕連續:從一側與從另一側趨近割線上的同一點,會得到兩個不同的極限。這道跳變,是我們所壓制的多值性留下的可見傷疤。

以沿負實軸切開的主對數為例,固定一個負實點,比方 -2。從上半平面趨近時輻角趨向 +pi,所以 Log 趨向 ln 2 + i pi。從下方趨近時輻角趨向 -pi,所以 Log 趨向 ln 2 - i pi。兩個邊界值之差是 2 pi i,恰是指數函數的週期,也恰是各分支之間的間距。實部 ln|z| 跨越割線時連續;只有虛部(輻角)跳變。對其他函數,跳變的大小由其分支結構決定:平方根跳變的是 -1 這個因子(其兩個邊界值互為相反數),而非加性的 2 pi i。

這道跳變遠非麻煩,而是一件工具。留數計算中的鎖孔圍道與啞鈴圍道刻意沿著割線的兩側行走;因為被積函數在兩側相差一個已知因子,兩段直線部分不會相消,而它們的差正是讓你計算像 x^(a-1) / (1 + x) 從 0 到無窮的積分這類問題的關鍵。整套技巧都仰賴精確知道這個不連續。教訓是要尊重割線:絕不讓圍道意外穿越它,而當你沿著它行走時,要把跳變算進去。

在 z = -2 處,Log 跨越負實軸時跳變 (ln 2 + i pi) - (ln 2 - i pi) = 2 pi i。

上側減下側的極限等於週期 2 pi i。

不連續只發生在割線上,而非單獨在分支點上;分支點只是割線的錨點。而跳變的大小取決於函數:對 log 是 2 pi i、對平方根是變號、對 z^a 是 e^(2 pi i a)。