留數即係數 a_{-1}(the residue as the coefficient a_{-1})
在無窮多個羅朗係數中,當你把函數繞一個小迴路積分時,恰好只有一個存活下來——而那一個係數有個名字:留數。它是繫於孤立奇點上最重要的單一個數,是從羅朗級數的靜態圖像通往計算積分這項活躍工作的橋樑。
定義簡單得令人卸下防備:f 在孤立奇點 z_0 的留數,記為 Res(f, z_0),就是 f 在 z_0 周圍去心圓盤上羅朗展開中的係數 a_{-1}——即 1/(z - z_0) 項的係數。為什麼是這個而不是別的?因為積分。當你把 (z - z_0)^n 繞一個以 z_0 為心的小圓積分時,對除 n = -1 外的每個整數 n 都得 0,而在 n = -1 時得 2 pi i。所以把整個羅朗級數逐項積分,便坍縮成唯一一個存活者:f(z) dz 沿小迴路的積分 = 2 pi i 乘以 a_{-1} = 2 pi i 乘以 Res(f, z_0)。其餘每一項都積成零;只有 1/(z - z_0) 項留下痕跡。
這個恆等式是留數定理的種子,後者把留數加總以計算繞任意圍道的積分。關鍵在於留數是局部的——它只取決於 f 在 z_0 附近——卻控制著一個整體的積分。實務上你很少為了讀出 a_{-1} 而展開整個羅朗級數;對單極點你用 Res(f, z_0) = z 趨近 z_0 時 (z - z_0) f(z) 的極限,對 m 階極點則用一個導數公式。但概念上的錨點始終不變:留數就是 a_{-1},是圍道積分唯一看得見的那個係數,也是通往下一個領域的門。
對 f(z) = (z + 2)/(z(z - 1)) 在 z_0 = 0,對小 |z| 展開:(z + 2)/(z - 1) = -2 - 3z - ...,故 f = (1/z)(-2 - 3z - ...) = -2/z - 3 - ...。1/z 的係數是 -2,所以 Res(f, 0) = -2,而繞 0 的小圓上 f(z) dz 的積分等於 2 pi i 乘以 (-2) = -4 pi i。
直接從羅朗級數讀出 a_{-1} = -2 即得留數,從而得迴路積分。
留數只是 z_0 周圍最內層去心圓盤上羅朗級數中的 a_{-1};在別的環域算出的 a_{-1} 只是一個係數,並非 z_0 處的留數,而留數一般也不等於 f 的值或極限。