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複素解析でよく使う公式〜定義から留数定理まで一枚に並べる

複素解析でくり返し出てくる式を、使う順に並べます。それぞれが何を言っているか、どこで効くかを添えました。

出発点は 1 つだけ。複素数の掛け算が、回転と拡大をまとめて表すという事実です。

長さは掛け算、角度は足し算[1]。以下の公式はどれも、この構造が別の形で顔を出したものだと見られます。

複素数の書き方

直交形式と極形式の 2 つを、場面で使い分けます。

足し算と引き算は直交形式が楽で、掛け算と割り算とべき乗は極形式が楽。 を絶対値、 を偏角と呼びます。

偏角は の差を無視した量です。 に制限したものを主値と呼び、 と書きます。

オイラーの公式

指数関数と三角関数を結ぶ式です。

を入れると になります。 に替えて足し引きすれば、三角関数を指数で書く式が出る。

ド・モアブルの公式も、極形式のべき乗として読めます。

指数関数

実部が伸び縮み、虚部が回転を受け持ちます。

絶対値は で、偏角は です。虚軸方向に ずらしても値が変わらないので、複素の指数関数は周期 の周期関数になります。

という値だけをとりません。それ以外の複素数はすべて、無限個の で実現されます。

三角関数と双曲線関数

オイラーの公式の右辺を に広げたものが定義です。

双曲線関数は を外した形。

2 つの族は虚数倍でつながります。三角関数と双曲線関数が別物に見えるのは、実数の範囲だけを見ているため。

実軸上で ですが、虚軸方向では の速さで伸びます。複素平面では有界になりません。

などの商も同じ形で定義します。 となる点、つまり の極。

対数と偏角

指数関数が周期を持つので、逆関数は一意に決まりません。

の不定性を持つぶん、 ずつ違う値を無限に持ちます。主値は

原点は分岐点で、まわりを 1 周すると値が ずれます。孤立特異点ではないので、ローラン展開は作れません。

べき関数も対数を通して定義します。

が整数でなければ多価になる。 は主値をとると で、実数になります。

微分とコーシー・リーマンの方程式

定義は実関数と同じ形ですが、 が複素数としてあらゆる向きから に近づく点が違います。

と分けると、微分可能であることが 2 本の偏微分方程式に翻訳されます。

が実の意味で微分可能で、この 2 本を満たすことが、複素微分可能であることと同値。1 本にまとめると になります[2]

極座標では次の形。

導関数は で計算できます。 は方程式を満たさず、正則になりません。

正則関数の実部と虚部は調和

コーシー・リーマンの方程式をもう一度微分すると、 がラプラス方程式を満たすことが出ます。

は共役調和関数と呼ばれます。 が与えられれば、 は積分定数を除いて決まる。

等高線どうしが直交するので、静電場や定常流の記述に使われます。

線積分と長さによる評価

曲線 とパラメータ表示して定義します。

評価には、経路上の上界 と経路の長さ を使う形が便利です。

円弧の寄与が消えることを示す場面で、この不等式が何度も出てきます。

コーシーの積分定理

単連結な領域で正則なら、その中のどの閉曲線にそう積分も です。

穴があると崩れます。 が、その最小の例[3,4]

閉曲線を、正則な範囲の中で連続に動かしても値は変わりません。だから積分路は都合のよい形へ替えられます。

コーシーの積分公式

内部の値が、円周上の積分で書けます。

の外にあれば値は [5]。内か外かで答えが分かれます。

導関数についても同じ形が通ります。グルサーの公式と呼ばれることがある式です。

長さによる評価を当てると、導関数の上界が出ます。

円周でパラメータ表示すれば、平均値の性質になります。

テイラー展開とローラン展開

正則な点のまわりでは、ふつうのべき級数に開けます。

収束半径は、いちばん近い特異点までの距離。実軸だけを見ても決まりません。

特異点のまわりでは、負の次数まで許した展開を使います。

有効なのは円環領域の中だけ。同じ中心でも、どの円環をとるかで係数が変わります[6]

特異点の分類

負の次数の項をどれだけ持つかで、3 つに分かれます。

主要部がない。除去可能特異点。値を決め直せば正則になる
主要部が有限項。 位の極。絶対値が発散する
主要部が無限項。真性特異点。極限が定まらない

極なら が向きによらず成り立ちます。真性特異点では、近づく向きで結果が変わる。

留数

の係数 が留数です。 位の極なら極限で出ます。

なら、分母を微分するだけ。

位の極では、掛けてから微分します。

真性特異点では公式が使えません。展開して係数を読むことになります。

留数定理

内部の特異点の留数を足すだけで、周積分が決まります。

は回転数。単純閉曲線を反時計回りにたどるなら です[7,8]

零点と極を数える

対数微分を積分すると、零点と極の個数の差が出ます。

偏角の原理と呼ばれ、 は重複を込めた個数です。像が原点を何周するかを数えている式でもある[9]

ルーシェの定理は、これを比較の形に直したものです。 上で なら、 の零点の個数が一致します。

大きな結論

積分公式の評価から、いくつかの定理がまとめて出ます。

リウヴィルの定理。有界な整関数は定数になる
代数学の基本定理。 次の複素係数多項式は、重複を込めて 個の根を持つ
モレラの定理。どの三角形でも周積分が なら、その関数は正則
最大値原理。定数でない正則関数の絶対値は、内部で最大にならない
開写像定理。定数でない正則関数は、開集合を開集合へ写す
一致の定理。集積点を持つ集合の上で一致すれば、領域全体で一致する

どれも出発点はコーシーの積分公式です。境界の情報が内部を決めるという 1 つの事実が、形を変えて現れています[10]

よく使う積分の値

留数計算の答え合わせに使える値を並べます。

三角関数の積分は、単位円への置き換えで有理関数に変わります。 のとき次の形。

よくある誤り

偏角は の不定性を持ちます。主値をとる場面かどうかを毎回決める
は多価です。枝を選ばずに等式を書くと崩れます
は実軸だけの話。複素平面では有界になりません
コーシー・リーマンの方程式だけでは足りません。実の意味での微分可能性が要ります
積分公式は が内部にあるときの形。外なら値は です
収束半径は虚軸側の特異点でも決まります。実軸の様子だけでは判断できません
留数は であって、 の最高次ではない
留数定理は内部の特異点だけを足します。外側の極を混ぜない

式の形を覚えるより、どの条件がどこで効くかを押さえるほうが長く使えます。単連結かどうか、内か外か、正則か、そのつど確かめる癖をつけると誤りが減る。

参考文献

Euler's formula - Wikipedia
Cauchy-Riemann equations - Wikipedia
Cauchy's integral theorem - Wikipedia
Cauchyscher Integralsatz - Wikipedia(ドイツ語)
Cauchy's integral formula - Wikipedia
Laurent series - Wikipedia
Residue theorem - Wikipedia
Théorème des résidus - Wikipédia(フランス語)
Argument principle - Wikipedia
Maximum modulus principle - Wikipedia
複素数の掛け算が回転と拡大をまとめて表す、という一点から全部が伸びています。極形式とオイラーの公式、指数関数と三角関数と双曲線関数のつながり、多価になる対数とべき、コーシー・リーマンの方程式と調和性。そこから線積分、積分定理、積分公式、テイラーとローランの展開、特異点の分類、留数の三つの公式、留数定理、偏角の原理とルーシェ、リウヴィルと最大値原理まで順に並べ、条件がどこで効くかを添えました。よく使う積分の値もまとめてあります。