円周の値だけで中身が決まる、コーシーの積分公式と導関数の公式
正則関数の値は、その点を囲む円周の値だけで決まります。
内部をのぞかずに、まわりを一周しただけで中心の値が出てくる。コーシーの積分公式と呼ばれる関係です[1]。
実関数にはこんな性質がありません。区間の両端で値を決めても、内部は自由に動かせる。正則関数は境界と内部が固く結びついていて、境界を決めた時点で内部も決まってしまいます。
この固さが複素解析の性格そのものです。以下に並ぶ定理のほとんどは、この公式の言い換えか、そこからの一歩。
公式の形と条件
が単純閉曲線 とその内部を含む領域で正則で、点 が の内部にあるとき、冒頭の等式が成り立ちます。 は反時計回りにとる。
条件は 3 つ。 が自分自身と交わらない閉曲線であること、 が内部にあること、 が と内部で正則であることです。
が の外にあると答えが変わる。被積分関数 が の内部で正則になるので、値は になります[2]。
内か外かだけで答えが 2 通りに分かれる。位置関係を確かめずに公式を当てると、ここで間違えます。
例: の原点での値
を単位円、、 とします。 は整関数なので条件を満たす。
被積分関数を展開して項ごとに積分してもよいのですが、公式なら を読むだけで終わります。
分母の を に変えると答えは 。 は単位円の外にあり、被積分関数が単位円の内部で正則になるためです。
なぜ成り立つのか
被積分関数 は を除いて正則です。だから積分路を、 を囲んだまま自由に動かせる。
を 中心の半径 の小さな円 へ縮めても、値は変わりません[3]。
縮めたところで、被積分関数を 2 つに分けます。
第 1 項の積分は半径によらず なので、 になります。
第 2 項は長さによる評価で消える。 の連続性から を小さくすれば にでき、分母の大きさは 、経路の長さは です。
はいくらでも小さくできるので、第 2 項は です。残った第 1 項が公式そのもの。
導関数の公式
について微分を繰り返すと、導関数の公式が出ます。積分記号の下で を で微分するだけ。
グルサーの公式と呼ぶこともあります。 とすれば、もとの積分公式に戻る。
微分と積分の順序交換は、被積分関数が について一様に振る舞うことから正当化されます。差分商を作って評価すれば、極限の存在も直接示せる。
例: の 2 階導関数から積分を出す
、、 で公式を使います。
なので 、積分も です。
を に変えると話が変わる。 になり なので、積分は になります。
1 回微分できれば無限回微分できる
導関数の公式が意味するのは、正則関数が自動的に何回でも微分できるという事実です。 の存在だけを仮定したのに、 も も出てくる。
実関数ではまったく成り立ちません。 は 回微分できて ですが、原点で 回目は無理です。
1 回微分できても 2 回目ができるとは限らない。 が例になる。
1 回複素微分できれば、何回でも微分でき、導関数もすべて正則になる。
差を生むのは、複素微分可能という条件が 2 次元のあらゆる方向からの極限を要求すること。方向を選べる実関数の微分より、はるかにきつい条件です。
テイラー展開が出てくる
積分公式から、正則関数がべき級数に開けることも出ます。 を のまわりで等比級数に展開する。
なら収束します。これを積分公式に入れて項別積分すると、係数に導関数の公式が現れる。
正則であることと、べき級数に展開できることが同じ意味になる。実関数では、何回でも微分できるのに級数が関数に一致しない例が作れます。
収束半径はいちばん近い特異点まで
テイラー級数が収束する範囲は、展開の中心からいちばん近い特異点までの距離で決まります。
級数が特異点を飛び越えて収束することはありません。飛び越えたなら、そこで関数が正則になってしまう。
例:実軸では見えない特異点
は実軸のどこでも滑らかで、値も有限です。それなのに原点まわりのテイラー級数は でしか収束しない。
実数の範囲だけを見ていると、 で止まる理由がどこにもありません。複素平面へ出ると に極があり、原点からの距離がちょうど 。
収束半径が実軸上の様子と合わないときは、たいてい虚軸の側に原因があります。
コーシーの評価式
導関数の公式に長さによる評価を当てると、導関数の大きさに上界が付きます。半径 の円周上で とする。
分母の が効くので、 が広い範囲で有界なら高次の導関数は小さく抑えられます。
べき級数の係数で書けば 。テイラー係数が半径のべきで抑えられる、という形になります[8]。
例:評価式から関数を決める
整関数 が を満たすとします。 上での上界は なので、係数の評価は 。
では で右辺が へ行き、 が出ます。したがって は 2 次以下の多項式。
を代入すると なので定数項も消え、 の形に決まります。
リウヴィルの定理
評価式で とすると です。 が整関数で全平面で なら、 をいくらでも大きくとれる。
したがって がすべての点で成り立ち、 は定数です。有界な整関数は定数しかない、という強い結論が出ます[5,6]。
証明に使ったのは積分公式だけ。 行の不等式から、これだけの主張が出てくるところに公式の力が出ています。
平均値の性質
積分公式で を 中心の円にとり、 とパラメータ表示します。 を入れると、分母と分子で が約分される。
中心での値が、円周上の値の平均に等しい。半径 は円が領域に収まるかぎり自由です。
実部と虚部に分ければ、調和関数についての平均値の性質も同時に出ます。
最大値原理へ
平均値の性質から、 が内部の点で最大になれないことが出ます。平均が最大値と等しくなるには、周上の値がすべて最大値に張り付くしかない。
そこから が定数だと結論できます。定数でない正則関数の絶対値は、必ず境界で最大をとる[7]。
熱の定常分布が境界の温度を超えない、という物理の直観と同じ形をしています。
モレラの定理
逆向きの主張も成り立ちます。領域で連続な について、どの三角形の周にそう積分も なら は正則です。
積分だけで正則性が判定できるので、極限や積分で作った関数を扱うときに効きます[4]。
正則関数の列が広義一様収束するとき、極限の関数も正則になります。実関数では成り立たない性質で、ワイエルシュトラスの収束定理と呼ばれることがあります。
極限と積分の交換が一様収束から言え、周積分が のままなのでモレラの定理が使えるという流れ。
導関数の列も導関数へ収束します。実関数では、微分可能な関数の一様極限が微分可能とは限りません。
例:積分で作った関数が正則になる
を考えます。三角形の周にそう積分を作り、フビニの定理で順序を入れ替える。
内側は を止めた の周積分なので です。したがって外側も になり、モレラの定理から は整関数。
同じ筋で、ガンマ関数やゼータ関数の正則性も示せます。定義が積分や級数で与えられる関数では、この道具がよく効く。
よくある誤り
最後の 2 つは同じ根から出ています。積分公式は を線形にとり出す式なので、絶対値を先にとると等式が不等式へ落ちてしまう。
正則関数の値が境界に支配されるという性質は、ここから先の理論をずっと支えます。有界な整関数が定数になることも、絶対値の最大が境界に立つことも、出発点はこの一つの積分です。










