全部留數之和恆等式(sum-of-all-residues identity)
這是一條驚人乾淨的記帳法則:對一個行為良好的函數,若你把它所有的留數加起來——每個有限奇點加上無窮遠處的留數——總和恰好是零。沒有任何剩餘。彷彿留數是一種守恆量,其帳簿在整個球面上必須永遠平衡。
敘述:若 f 在整個複平面上除有限個孤立奇點外都解析(即 f 是有理函數,或更一般地在黎曼球面上亞純),則 Res(f, z_j) 對所有有限奇點 z_j 的和,加上 Res(f, infinity),等於 0。理由簡短而優雅。取一個大到圍住每個有限奇點的圓 |z| = R。由留數定理,該圓上的積分等於 2 pi i 乘以所有有限留數之和。但根據無窮遠留數的定義本身,同一個積分又等於負 2 pi i 乘以 Res(f, infinity)。令兩式相等並除以 2 pi i 得:所有有限留數之和加上 Res(f, infinity) = 0。無窮遠點不是特殊的例外;它是使帳簿結清的那一筆額外條目。
這個恆等式真的有用,不只漂亮。當有理函數有許多有限極點、但在無窮處結構簡單時,計算無窮遠處的單一留數(藉 w = 1/z)並用此恆等式一舉得到所有有限留數之和,常常省力得多——而那由留數定理就是你想要的圍道積分。它是留數演算的哲學頂石:在黎曼球面這個閉曲面上沒有「外部」,故所有局部資料必須加總為零。
對 f(z) = 1 / (z^2 - 1) = 1/((z-1)(z+1)),有限留數為 z = 1 處的 1/2 與 z = -1 處的 -1/2,和為 0;一致地,無窮遠處的留數也是 0,總和為 0。
有限留數加上無窮遠處的留數,總和恆為零。
此恆等式需要 f 在整個平面上只有有限個奇點(在球面上亞純);像 1/sin z 這樣有無窮多極點的函數不合格,赤裸的恆等式失效。隱藏在無窮遠留數定義中的負號,正是使總和消失的關鍵。