輻角原理、魯歇定理與映射性質

輻角的淨變化(the net change in argument)

想像你站在原點,看著一個移動的點 f(z),當 z 沿一個迴路繞一圈。你只追蹤指向那個點的角度——它落在鐘面上的位置。等 z 回到出發點時,角度可能往前繞、往後繞、或淨抵消為零。輻角的淨變化就是掃過的總角度,連同符號計入整圈。把它除以 2 pi 便得一個淨轉圈的整數:像曲線繞 0 的卷繞數。

形式上,沿圍道把 f 寫成 f = |f| e^(i theta),其中 theta = arg f。當 z 繞 gamma 一圈,模 |f| 回到起點,故沿閉迴路對數模的變化為零,但 arg f 不必回到同一個分支——它可能已前進了 2 pi 的整數倍。那個整數正是輻角原理的核心:(1 / (2 pi i)) 乘以 f'/f dz 沿 gamma 的積分,其虛部等於(arg f 的淨變化)/ (2 pi),而這等於內部(零點)減(極點)。所以「指針淨轉了幾圈?」與「零點減極點有幾個?」就是同一個數。你甚至可以在一個粗略的迴路上手算:在取樣點追蹤 arg f,把各小角度步長相加,絕不讓任一步跳超過 pi,便讀出總和。

這是整套計數機制最直觀的面孔,也使圖形與數值方法切實可行——軟體畫出像曲線 f(gamma),照字面數它繞原點幾圈。它解釋了奈奎斯特穩定判據(數對某臨界點的環繞次數),並給出為何不穿越 0 地形變 f 無法改變計數的直覺。要遵守的紀律:arg f 是多值的,故你必須沿路徑連續地追蹤它;若你每一步都把它重設為主值,就會把圈數數錯。

對 f(z) = z、gamma 為單位圓,arg f = arg z 在一圈中由 0 升到 2 pi,淨變化為 2 pi,故卷繞數為 1——恰與 z 在原點的單個零點相符。

arg f 沿一圈的淨變化除以 2 pi 即卷繞數,等於零點減極點。

輻角的變化只有作為沿路徑的連續總量才有意義;在每一點把 arg 重設為主值會毀掉計數。相對地,log|f| 沿閉迴路的淨變化恆為零。

又称
change in argwinding of the image輻角的總變化量