全純反函數定理(the holomorphic inverse function theorem)
若一個解析函數在某點導數不為零,你能否在附近把它倒回來——對 z 解出 f(z) = w,既光滑又唯一?能,而且漂亮地:你得到的反函數本身也是解析的。全純反函數定理說:單單一個不為零的導數,就保證了一個局部的雙邊反函數,它和原函數一樣好。沒有光滑性的損失,沒有意外。
敘述:若 f 在 z_0 附近解析且 f'(z_0) 不為零,則存在 z_0 的一個鄰域,f 在其上一對一(單射),其像是 w_0 = f(z_0) 的一個開鄰域,而局部反映射 g = f^(-1) 在那裡解析。此外,反函數的導數遵守熟悉的法則 g'(w_0) = 1 / f'(z_0),更一般地 g'(w) = 1 / f'(g(w))。f 在局部單射的原因是 m = 1 的局部映射定理:當 f'(z_0) 不為零時,f 在局部看起來像一個共形的拉伸加旋轉,那是一對一的。反函數是解析的(不只是連續)這件事,才是真正屬於複數的紅利:一旦你知道反函數在實的意義下可微,連鎖律便逼它滿足柯西-黎曼方程,故它是解析的。
這是複分析中建構反函數的局部基石——局部對數(在 e^z 的導數 e^z 從不為零之處反演它)、局部 n 次方根、共形映射的局部反函數。正是它使 f 在每個正則點都是局部雙全純。兩個誠實的告誡。其一,它純粹是局部的:f'(z_0) 不為零只在某個小鄰域內給出單射性,單憑它絕不給出整體單射性(e^z 處處導數不為零卻遠非一對一,因為它有 2 pi i 的週期)。其二,逆命題需謹慎:解析的單射函數確實有不為零的導數,但日常的反函數定理是單方向的「導數不為零蘊含局部反函數」。
由於 e^z 的導數是 e^z、從不為零,故每一點都有一個鄰域,e^z 在其上可逆且有解析反函數——那個反函數是對數的一個分支,其導數為 1 / e^(log w) = 1 / w,還原出 (Log w)' = 1 / w。
某點導數不為零便給出局部解析反函數,且 g'(w) = 1 / f'(g(w))。
它嚴格是局部的:處處導數不為零並不給出整體單射性(e^z 有週期)。整體單射性是一個獨立、更強的條件,稱為單葉性。