初等函數:指數、對數、冪與分支切割

主對數(the principal logarithm)

既然對數有無窮多個值,我們需要一個預設、一個標準的選取,好讓 Log z 指稱某個特定的數。主對數就是這個預設:它選取虛部落在從 -pi 到 pi 這個半開區間內的那個值。

依定義 Log z = ln|z| + i Arg z,其中 Arg z 是主輻角,即 z 落在 -pi < Arg z <= pi 範圍內的唯一角度。大寫的 L 與大寫的 A 標示出主值的選取。例如 Log(1) = 0、Log(i) = i pi/2、Log(-1) = i pi(我們取上端點 +pi),而 Log(1 + i) = ln(sqrt 2) + i pi/4 = (1/2) ln 2 + i pi/4。在正實軸上,Log z 退化為普通的實 ln,因此它延拓了我們熟悉的對數。它對每個非零的 z 都有定義。

Log z 除了在沿負實軸(含 0)的割線上之外處處全純,而在那裡它的導數是 1/z,與實情形一樣。換來單值性的代價是一道接縫:當你穿越負實軸時,Log z 跳變 2 pi i,因為 Arg z 在那裡從略小於 +pi 跳到略大於 -pi。所以 Log 在切開的平面上(去掉負實軸與原點)連續且可微,但跨越割縫時則否。不同的教科書與軟體有時改用 -pi 而非 +pi 切在負軸上,或切在別處;在信賴某個公式之前,務必先確認採用了哪種約定。

Log(-i) = ln|-i| + i Arg(-i) = ln 1 + i(-pi/2) = -i pi/2,因為 -i 的主輻角是 -pi/2,而非 3 pi/2。

主值總是選取落在 (-pi, pi] 內的輻角。

Log(ab) = Log a + Log b 可能相差 2 pi i:例如 Log((-1)(-1)) = Log 1 = 0,但 Log(-1) + Log(-1) = i pi + i pi = 2 pi i。主對數雖是單值,卻不是同態。

又称
Log zprincipal value of the logarithm對數主值