輻角原理、魯歇定理與映射性質

零點計數積分(the zero-counting integral)

想像你想知道某方程式有幾個根落在給定區域內,但你沒有根的公式。零點計數積分就是那個訣竅:你沿區域算一個圍道積分,計數便蹦出來。它是輻角原理被當作具體配方而非原理陳述來用——一種不必解出零點就能數出它們的辦法。

當 f 在簡單閉圍道 gamma 上及其內部解析(無極點)、且在 gamma 上無零點時,內部零點個數(按重數計)為 N = (1 / (2 pi i)) 乘以 f'(z) / f(z) dz 沿 gamma 的積分。方法走一遍:選一條圈住目標區域的圍道,作被積式 f'/f,逆時針沿圍道積分一次,除以 2 pi i——結果是一個非負整數,即零點計數。要進一步定出單個零點的位置,你還可以算 (1 / (2 pi i)) 乘以 z f'(z) / f(z) dz 沿 gamma 的積分,它給出內部零點之和(按重數加權);若內部只有一個零點,那個和就是該零點本身。

這是可靠數值求根的骨幹。在用牛頓法去追一個根之前,演算法可以用這個積分先確認所選方框內真的有根、有幾個——以防迭代漫遊到別處的某個根去。它也乾淨地證明存在性:若積分算出來為正,那裡面必有零點,即使沒有閉式根存在。誠實的限定與輻角原理相同:圍道必須避開所有零點,而若存在極點,你數的是零點減極點,不是單純的零點。

要檢查 z^5 + z + 1 在單位圓盤內是否有根,沿 |z| = 1 積分 f'/f 再除以 2 pi i;結果是一個整數,直接告訴你計數——不需要五次方程公式。

在區域內計數根化為一個被積式為 f'/f 的邊界積分。

純計數積分假設 f 內部無極點;有極點時它回傳零點減極點。而答案是計數,不是位置——要找出零點所在,你需要帶 z f'/f 的矩積分(或進一步的工作)。

又称
counting integral計數積分