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一致の定理(一点のまわりだけで関数はすべて決まる)と零点の孤立性

2 つの正則関数が、領域の中に集積点を持つ集合の上で一致すれば、領域全体で一致します[1]。

点が並んだ列 1 本ぶんの情報があれば、それだけで関数が決まってしまう。実の滑らかな関数では、まったく成り立たない性質です。

言い換えると、正則関数の零点は孤立します。恒等的に でないかぎり、零点が領域の中で込み合うことはない[2]。

この固さが、解析接続の一意性や恒等式の自動的な延長を支えています。

集積点は領域の中に要る

上の図の関数 は、 で になります。この点列は原点へ集まる。

それでも は恒等的に ではありません。定理に反していないのは、集積点である原点が定義域 に入っていないからです。

集積点が境界にあるだけでは足りない。領域の内部に集積点があることが、定理の条件です。

零点の孤立性

一致の定理を の場合に当てると、零点についての主張になります。

が領域で正則で恒等的に でないなら、零点は孤立する。どの零点にも、他の零点を含まない近傍がとれます。

したがって零点は高々可算個で、コンパクト集合の中には有限個しかありません。値 の逆像についても同じことが言えます。

零点の位数

零点 でのテイラー展開を書くと、最初に現れる項の次数が位数です。

と書け、 になります。 は の近くで にならないので、そこには他の零点がない。

すべての係数が なら、その点の近くで は恒等的に です[6]。この場合が、定理の証明で追い込む先になります[3]。

証明の第 1 段:係数がそろう

とし、 が集積点 を持つ集合の上で になるとします。 でのテイラー展開を書く。

連続性から なので、 です。もし なら で、 の近くに他の零点がないことになる。

ところが は零点の集積点なので、いくらでも近くに零点があります。矛盾するので 。

同じ議論を繰り返すと、すべての係数が です。したがって のまわりの円板で になります。

証明の第 2 段:円板から領域全体へ

の近くで が分かりました。ここから領域全体へ広げます。

を、 のすべての導関数が になる点の集合とする。 は空ではありません。第 1 段で が言えました。

は閉集合です。導関数は連続なので、条件が極限でも保たれる。

は開集合でもあります。 ならテイラー係数がすべて なので、 のまわりの円板全体で になり、その円板が に入る。

領域は連結なので、空でない開かつ閉な部分集合は全体しかありません。したがって は領域全体で、 です。

例:実軸で一致すれば全体で一致

領域が実軸の一部を含むとします。実軸上の区間はそれ自体が集積点だらけなので、条件を満たす。

だから 2 つの正則関数が区間の上で一致すれば、領域全体で一致します。実の関数を複素へ延ばす方法は、あっても 1 通り。

が実の の唯一の正則な延長である、というのはこの主張です。ほかの延ばし方はありません。

恒等式が自動的に延びる

実数で成り立つ恒等式は、両辺が正則に延びるなら複素数でも成り立ちます。差をとれば実軸上で の正則関数になるため。

実数で確かめるだけで、複素数でも正しいと言えます。加法定理も同じ理屈で延びる。

2 変数のときは片方ずつ固定して 2 回使います。まず を実数に止めて について延ばし、次に を任意の複素数に止めて について延ばす。

代数的な等式を、いちいち複素数で確かめ直さずに済みます。実の計算の結果がそのまま持ち上がる。

実関数では成り立たない

何回でも微分できる実関数を持ってきても、同じ主張は成り立ちません。

では 、 では と定めた関数を考えます。

この関数は何回でも微分でき、 で恒等的に です。それでも全体では ではない。

原点でのテイラー係数はすべて になります[4]。級数は恒等的に ですが、関数のほうは で正の値をとる。

いくら拡大しても、原点の左側が平らなまま右側だけ立ち上がります。正則関数ではこの形が作れません。

差は、複素微分可能という条件の重さにあります。実の無限回微分可能は、テイラー級数が関数に一致することを保証しない。

零因子がない

領域上の正則関数を集めた集合は、和と積について環になります。一致の定理から、この環には零因子がない。

とします。 が恒等的に でなければ、その零点は孤立している。

零点でない点の近くでは なので が成り立ちます。そういう点は集積点を持つので、一致の定理から [2]。

実数の連続関数では成り立ちません。左半分だけ の関数と右半分だけ の関数を掛ければ、恒等的に になります。

解析接続の一意性

領域を広げて正則関数を延ばすとき、延ばし方は 1 通りに決まります。2 つの延長の差が、もとの領域で になるため。

もとの領域は開集合なので、集積点をいくらでも含みます。一致の定理が使えて、差は延長先の領域全体で 。

ただし、延長先が連結であることが要ります。連結でなければ、もとの領域とつながっていない部分では何も言えません。

経路にそって延ばすときは事情が変わります。同じ点へ違う経路で到達すると、値がずれることがある。多価性が現れるのはこの場合で、一意性が崩れたわけではありません[5]。

領域が連結でないと崩れる

定理の主張には、領域が連結であることが要ります。証明で開かつ閉の議論を使ったところ。

が 2 つの離れた円板の合併だとします。片方で 、もう片方で という関数は作れる。

連結成分ごとに定理を当てることになります。集積点のある成分だけで一致が言えて、他の成分には届かない。

一致する点の集合の形

2 つの正則関数が一致する点の集合は、恒等的に一致しないかぎり離散集合です。孤立した点が並ぶだけ。

だから曲線にそって一致する、という状況は起こりません。曲線には集積点があるので、その時点で全体が一致します。

実軸上の可算個の点でも、集積点さえあれば足ります。 の列の上で一致すれば、それだけで決まる。

例:無限個の点で一致しても足りないとき

と は、すべての整数で一致します。無限個の点で一致していますが、 は ではない。

整数の集合には集積点がないためです。有限のどこにも点が込み合っていない。

集積点は「無限個」より強い条件です。個数ではなく、どこかへ寄り集まっているかどうかが問われます。

よくある誤り

無限個の点で一致するだけでは足りません。集積点が要ります
集積点は領域の内部にある必要があります。境界では足りません
領域が連結でないと結論が全体へ届きません。成分ごとの話になります
実の無限回微分可能な関数では成り立ちません。テイラー級数が一致するとは限らない
零点が孤立するのは、恒等的に でない場合だけです
曲線にそって一致すれば全体で一致します。曲線上には集積点があります
解析接続の一意性は、行き先が連結なときの主張です
経路によって値がずれるのは多価性であって、一意性の破れではありません

正則という条件は、局所の情報を大域へ運びます。1 点のまわりの係数がすべて決まれば、領域の隅まで決まってしまう。この固さが、複素解析のほとんどの定理の背後にあります。

参考文献

Identity theorem - Wikipedia
Identitätssatz für holomorphe Funktionen - Wikipedia(ドイツ語)
Laurent series - Wikipedia
Removable singularity - Wikipedia
Isolated singularity - Wikipedia
Cauchy's integral formula - Wikipedia
点が並んだ列一本ぶんの情報があれば、正則関数は領域の隅まで決まってしまいます。無限個では足りず、集積点がいること、しかもそれが領域の内部にあることが効く。1/z のサインの零点が原点へ溜まっても定理が破れない理由もそこにあります。係数を前から順に潰す第一段と、円板を連鎖させて領域全体へ届かせる第二段の証明をたどり、実軸で一致すれば全体で一致すること、三角関数の恒等式が自動的に複素へ延びること、零因子が出ないこと、解析接続が一通りに決まることまで。実の滑らかな関数では同じ主張が成り立たない例も添えました。