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消せる特異点、消せない特異点、手に負えない特異点(孤立特異点の三分類)

正則でない点が 1 つだけぽつんとあるとき、その点は 3 種類のどれかに落ちます。除去可能特異点、極、真性特異点の 3 つ[1]

見分け方は 2 通りあります。ローラン展開の主要部を数えるか、 の極限がどうなるかを見るか。どちらでも同じ分類になります。

3 つの性格はまるで違う。除去可能なら値を 1 つ決めるだけで正則に戻り、極なら絶対値がまっすぐ発散し、真性特異点では近づく向きしだいで何にでも化けます。

孤立特異点とは

の孤立特異点であるとは、 では正則でないのに、 を抜いた近くの円板 では正則であることを言います。

まわりに仲間がいない、という意味で孤立。 の原点、 がこれにあたります。

孤立でない特異点もあります。 の原点は分岐点で、まわりを一周すると値が戻らない。 の原点には極が無限に押し寄せます。

以下の分類は、孤立している場合だけの話です。ローラン展開が使えることが前提になります。

主要部で分ける

を抜いた円板でローラン展開し、負の次数の項を数えます。

主要部がない。負の次数の係数がすべて 。除去可能特異点
主要部が有限項で止まる。最高の負の次数が なら 位の極
主要部が無限に続く。真性特異点

3 つで尽きています。負の次数の個数は か有限か無限のどれかで、それ以外の場合がないため[4,5]

除去可能特異点

主要部がなければ、展開はふつうのべき級数です。

右辺は でも意味を持ちます。 と定め直せば、 を含めて正則になる。

特異点が消えてしまうので、除去可能と呼びます。もともと関数の定義に穴が空いていただけで、性質が悪かったわけではありません。

リーマンの除去可能定理

見た目より弱い条件で判定できます。 の近くで が有界でありさえすればよい。

まで正則に延ばせる
まで連続に延ばせる
のある近傍で が有界

この 4 つは同値です[2]。いちばん確かめやすい 3 番目を見れば、正則に延ばせるという強い結論まで届く。

証明は を作る流れです。 で正則になり なので、テイラー展開が 2 次から始まる。 で割れば の展開が出ます。

実関数では、有界だから滑らかに延ばせるという話にはなりません。正則関数の固さがここにも出ています。

例:

で分母が消えますが、分子も消えます。展開すれば主要部がないと分かる。

と定めれば整関数になります。実の解析でも極限が になる、よく知られた形。

例:

分子は です。分母の で割ると負の次数が残りません。

原点での値を とすれば正則です。分母の次数だけを見て 2 位の極と決めると外します。

分子が原点で 2 位の零点を持つので、ちょうど打ち消し合う。約分してから位数を数えるという手順が要ります。

主要部が有限項で止まるとき、 は極です。最高の負の次数を位数と呼ぶ。

なら 位の極。位数 の極を単純極と言います。

極では が近づき方によらず成り立ちます。向きを選んでも逃げ道はない。

逆に なら極です。 の近くで有界になり、リーマンの定理から正則に延ばせて、その零点の位数が の極の位数になります。

位数は が正則に延ばせる最小の としても測れます。 が足りなければ極が残り、余分にとれば零点ができる。

例:位数を数える

の特異点は です。

では分子が にならないので、2 位の極。 では分子が なので、1 位の極です。

分子が特異点で になるときだけ位数が下がります。まず値を入れて、消えるかどうかを確かめる。

極と零点は裏表

位の零点を持てば、 位の極を持ちます。逆も成り立つ。

の近くで正則なので、位数がそのまま移ります。零点の数え方と極の数え方が同じ形になるのはこのため。

で単純極を持つのも、 の零点がすべて 1 位だからです。

真性特異点

主要部が無限に続くとき、 は真性特異点です。極限は存在せず、絶対値も一方向へ逃げません。

代表例は の原点。展開すると負の次数がいつまでも現れます。

近づく向きで結果が変わります。正の実軸ぞいなら が正の大きな数になって発散し、負の実軸ぞいなら へ落ちる。

虚軸ぞいでは が純虚数になり、絶対値がずっと のまま回り続けます。3 通りの向きで 3 通りの結末。

極なら向きを変えても発散という結論は動きません。真性特異点との差はここに出ます。

カゾラーティ・ワイエルシュトラスの定理

暴れ方には形があります。真性特異点のどんな小さな近傍をとっても、その像は複素平面全体で稠密になる。

つまり、どんな複素数 を選んでも、 のいくらでも近くに にいくらでも近くなる点があります。

証明は背理法です。ある の近くへ来ないと仮定すると が有界になり、リーマンの定理で正則に延びる。 の極限が なら は極を持ち、 でなければ除去可能となって、どちらも仮定に反します[3]

ピカールの大定理

稠密よりさらに強い結論があります。真性特異点の近くで、 は高々 1 つの例外を除くすべての複素数値を、無限回とる[3]

近づくのではなく、実際にその値をとる。しかも 1 回ではなく無限回とります。

の例外値は です。指数関数は にならないので、この 1 つだけが漏れる。

例: がすべての値をとる

でない に対して を解きます。 とおけばよい。

を大きくすると分母が大きくなり、 へ近づきます。どの近傍にも解が無限個ある。

だけは解がありません。ピカールの言う例外がちょうど 1 つ現れる形です。

極限で分類する

主要部を書き出さずに、極限だけで分類することもできます。

極限が有限の値に収まる

除去可能特異点

絶対値が無限へ発散するなら極、極限がまったく定まらないなら真性特異点です。3 つの場合分けはこれで尽きます。

分類の道具としては極限のほうが速い。留数まで欲しいときは、結局ローラン展開へ戻ることになります。

主要部で見る

係数を数えるので、位数も留数も同時に分かる。手数は多い。

極限で見る

近づけて様子を見るだけ。速いが、極の位数までは分からない。

孤立していない特異点

分類の前提は孤立していることでした。外れる例も押さえておきます。

の原点は分岐点です。原点を一周すると値が別の枝へ移るので、そもそも一価な関数として展開できません。

の原点には、 という極が無限に集まります。どんなに小さな近傍をとっても中に極が入るので、孤立しない。

境界のすべての点が特異点になる例もあります。 は単位円板で正則ですが、円周のどこからも外へ延ばせません。自然境界と呼ばれる状況。

有理型関数

領域の中の特異点が極だけなら、その関数を有理型と言います。真性特異点も分岐点も持たない、という条件。

有理関数、 が例です。 は原点が真性特異点なので外れます。

有理型関数は という形の商として扱えるので、零点と極を数える議論がそのまま通ります。偏角の原理や留数定理が効くのもこの範囲[6,7]

よくある誤り

分母が消える点がいつでも極とは限りません。分子も消えるなら約分してから数えます
分母の次数がそのまま位数になるわけではない。 は除去可能です
除去可能特異点は欠陥ではありません。値を 1 つ決めれば正則に戻ります
真性特異点で極の公式を使うと答えが出ません。展開に戻る必要があります
極限が存在しないことと発散することは別です。前者が真性、後者が極
分岐点は孤立特異点ではありません。ローラン展開そのものが作れない
有界だから正則に延ばせる、という主張は複素の話です。実関数では通りません
ピカールの例外値は高々 1 つ。2 つ以上抜けることはありません

3 つの分類は、主要部という 1 つのものさしから出ています。負の次数がいくつ立っているかを数えるだけで、関数の近くでの振る舞いがそこまで決まってしまう。

参考文献

Isolated singularity - Wikipedia
Removable singularity - Wikipedia
Casorati-Weierstrass theorem - Wikipedia
Laurent series - Wikipedia
Laurent-Reihe - Wikipedia(ドイツ語)
Residue theorem - Wikipedia
Théorème des résidus - Wikipédia(フランス語)
孤立特異点は三つしかありません。ローラン展開の主要部が空か、有限で止まるか、無限に続くか。それだけで、値を決め直せば正則に戻る点か、絶対値がまっすぐ発散する点か、近づく向きしだいで何にでも化ける点かが決まります。有界というだけで正則に延びるリーマンの定理、稠密性を言うカゾラーティ・ワイエルシュトラス、例外がちょうど一つになるピカールの大定理、そして分岐点や自然境界のように分類の外へ出る例まで。