圍道積分與柯西定理
圍道積分的同倫不變性(homotopy invariance)
/ homotopy: HOH-muh-toh-pee /
同倫是拓撲學家對「連續形變」的用語。若一條路徑能在某區域內連續滑動成另一條、保持端點固定,則這兩條路徑(在該區域中)同倫。同倫不變性是這個簡潔的定理:解析函數的圍道積分只取決於路徑的同倫類:在解析區域內隨你怎麼形變路徑,積分都不變。
這是形變原理用其恰當的拓撲語言陳述出來,也是柯西定理的自然歸宿。若一條封閉迴路在 f 解析的區域內與一個常數點同倫(零倫),則它的積分等於繞一點的積分,即零——這恰好就是柯西定理。在單連通區域上每條迴路都零倫,故每個迴路積分都為零;在有洞的區域上,兩條迴路給出相同積分,恰當它們同倫,也就是當它們以同樣方式環繞各洞時。
其實用結果是,你依圍道如何穿繞奇點來分類,而非依其幾何。兩條看起來大相逕庭、卻以相同次數圈住恰好相同穿孔的迴路,在穿孔區域中同倫,因而給出相同的積分。這就是為什麼在留數計算中,你可以自由地在一個同倫類中挑選最方便的圍道——一個大圓、一個矩形、一個鎖孔——同時知道答案由拓撲確定,而非由你所畫的特定曲線。
在去掉原點的平面中,從 1 到 -1 的上半圓路徑與下半圓路徑不同倫(一條從洞上方經過,另一條從下方),所以 1/z 沿它們的積分不同——恰好相差 2 pi i,即它們共同構成的迴路繞 0 一圈的代價。
繞洞的不同倫路徑給出不同積分;同倫的路徑則總是一致。
同倫不變性要求 f 在整個掃過的區域上解析;若有奇點位於兩條路徑之間,它們在那裡未必同倫,其積分可以合理地不同。
又称
另见