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留数定理(穴のまわりで複素積分はいくつになるか)

閉曲線にそう積分は、内側にある特異点の留数を足すだけで求まります。

積分を計算する仕事が、点ごとの係数を読む仕事に変わる。これが留数定理です[1]

正則関数なら一周して に戻る。これがコーシーの積分定理です。留数定理は、戻らないときにいくつずれるかを答えます。ずれを生むのは特異点だけで、その大きさが留数。

留数とは

孤立特異点 のまわりで をローラン展開します。

このうち の係数 が留数です[4,5] と書きます。

無限にある係数のなかで、この 1 つだけが特別扱いされる理由は積分にあります。 を囲む円で を一周積分すると、 のときだけ値が残る。

以外の整数なら、同じ積分は です。 なら原始関数があり、 でも という原始関数が作れるため。

だから級数を項別に積分すると、 の項だけが を掛けた形で生き残ります。積分値が係数 1 つで決まるのはこのため[6]

留数定理の形

が閉曲線 の内部で、有限個の孤立特異点 を除いて正則だとします。 上には特異点がないものとする。

このとき冒頭の等式が成り立ちます。証明は、各特異点を小さな円で囲んで積分路を分けるだけ。

と小円たちにはさまれた領域には特異点がないので、そこではコーシーの積分定理が効きます。 にそう積分が、小円にそう積分の和に等しくなる。

経路が特異点のまわりを何周もするときは、回った数を掛けます。

は回転数で、反時計回りに 1 周なら 、囲まなければ 、時計回りなら負になります[3]

例: の一周積分

のローラン展開は そのものです。 なので留数は

パラメータ表示して計算した値と一致します。展開を書き下すまでもない例ですが、留数がどこから来るかは見えます。

1 位の極の留数

多くの場合、展開を全部書かずに留数だけをとり出せます。 が 1 位の極なら次の極限で出る。

を掛けると主要部が消え、残った関数の での値が になります。

の形で なら、もっと短い式が使えます。

と展開して、上の極限に入れただけの式です。分母を因数分解しなくてよいので、実際の計算ではこちらが速い[1]

例: の留数

分母は になり、どちらも 1 位の極です。 を使います。

では です。2 つを足すと になる。

だから の円にそう積分は です。特異点を 2 つとも囲んでいるのに値が消えるので、留数の符号まで見る必要があります。

位の極の留数

位の極では、掛けてから微分します。

を掛けると主要部が多項式に変わり、 の係数へ移ります。テイラー係数をとり出す操作が 回の微分と階乗。

位数を大きく見積もっても結果は変わりません。ただし微分の回数が増えるので、手計算では損をします。

例: の留数

は 3 位の極です。公式どおりなら を掛けて 2 回微分し、 で割る。

展開から読んでも同じです。 で割ると、 の係数が になる。

指数関数や三角関数が絡むときは、展開して係数を読むほうが速いことが多い。

例: の留数

で 1 位の極を持ちます。商の公式を当てる。

どの極でも留数が です。 なら、整数点すべてで留数が になる。

この一様さが、あとで級数の和を出すときに効きます。

真性特異点の留数

真性特異点でも留数は定義できます。主要部が無限に続くだけで、 は 1 つに決まる。

極の公式は使えません。 を掛けても主要部が消えないので、展開を書いて係数を読むことになります。

例: の留数

の展開に を入れます。

の係数は なので留数は 、単位円にそう積分は です。

主要部が無限に続くので原点は真性特異点。それでも積分値は係数 1 つで決まります。

実積分への応用

留数定理の使いどころは、実の積分です。実軸上の積分を複素平面の閉曲線の一部と見て、残りの部分の寄与を消す。

有理関数なら、上半平面の半円で閉じる形が定石です。

円弧の寄与が消える理由は長さによる評価です。分母の次数が分子より 以上大きければ、 の程度、弧長は なので、積は へ落ちる。

例: の広義積分

上半平面の極は だけで、留数は でした。

原始関数が だと知っていれば直接出る積分ですが、答えの一致は確かめられます。

例: の広義積分

分母の で上半平面の極を持ちます。どちらも 1 位。

商の公式から、極 での留数は です。

これに を掛けます。

原始関数を求めようとすると部分分数分解と平方完成が要ります。留数なら極を 2 つ拾うだけ。

三角関数の積分を単位円へ移す

から までの三角関数の積分は、単位円にそう複素積分に書き換えられます。 と置く。

これで実の積分が有理関数の周積分に変わります。あとは単位円の内側の極を拾うだけ[2]

区間の端が円の同じ点に戻るので、閉曲線としてつじつまが合います。周期関数の積分だから成り立つ書き換え。

例:

置き換えると分母が になります。全体を整理する。

の根は です。単位円の内側にあるのは のほうだけ。

商の公式で留数を出すと になります。

実の計算では半角の置換が要る積分ですが、留数なら根を 1 つ選ぶだけで終わります。

ジョルダンの補題

が掛かった積分では、分母の次数が しか大きくない場合でも円弧の寄与が消えます。

のとき、上半平面で 以下になる。虚部が大きいところで指数的に小さくなるので、弧の上での減衰が効きます[2]

これを使えるようにするために、 はいったん に直してから計算します。最後に実部か虚部をとる。

例:

を考えますが、極が実軸上の にあります。そこで原点を小さな半円で避けた経路をとる。

避けた半円の寄与は、極が 1 位なので留数の 倍になります。半周ぶんだけ拾う形。

被積分関数は に伸びるので、もともと特異点ではありません。 に直したときだけ極が現れる。

級数の和にも使える

は整数点すべてで留数 の極を持ちます。これに を掛けて大きな正方形で積分する。

正方形を広げると積分は へ行き、留数の和が になります。整数点からの寄与と、原点での寄与が釣り合う。

バーゼル問題の値が、極の並び方から出てきます。三角関数の極が等間隔に並ぶという事情が効いている[3,7]

よくある誤り

留数はローラン係数の です。 でも極限値でもありません
積分路の内側にある特異点だけを足します。外側の極を混ぜると値が狂う
位数を読み違えると公式の微分回数がずれます。分母の次数だけで決めない
1 位の極の公式を 位に当てると極限が発散します。掛ける次数をそろえる
真性特異点に極の公式は使えません。展開して係数を読む
時計回りなら符号が反転します。向きを書き落とさない
円弧の寄与が消えるかどうかは毎回確かめます。次数の差が しかなければ別の議論が要ります
実軸上の極は半円で避けます。避けた分の寄与は留数の

最後の項目は、主値積分として扱う場面で必ず出てきます。避け方を変えると答えも変わるので、経路を先に決めてから計算する。

留数定理は、積分という連続的な操作を、点に張り付いた有限個の数へ落とす仕掛けです。複素解析がほかの分野へ道具として出ていく理由の多くは、この一点にあります。

参考文献

Residue theorem - Wikipedia
Théorème des résidus - Wikipédia(フランス語)
留数定理 - 维基百科(中国語)
Laurent series - Wikipedia
Laurent-Reihe - Wikipedia(ドイツ語)
Cauchy's integral formula - Wikipedia
Argument principle - Wikipedia
積分を計算する仕事が、点ごとの係数を読む仕事に変わります。ローラン展開の中で 1/(z-a) の係数だけが生き残る理由から始め、1 位の極と n 位の極の公式、分母を微分する商の形、真性特異点での扱いを並べる。上半平面の半円で有理関数の広義積分を出し、単位円への置き換えで三角関数の積分を解き、ジョルダンの補題とバーゼル問題まで進みます。