主值

在数学領域(特別是複分析領域)中,多值函數的主值()是指從函數的主分支選出,使其為單值函數的值。最簡易的例子是正數的平方根。4有兩個平方根:2和−2,其中將正根2視為主值,因此將此定義為\sqrt{4}。

以下主要會探討複變函數下的主值。
動機和目的
考慮複對數函數,定義為滿足下式的複數
:e^w = z.
假如想要找到,就要求解
:e^w = i
裡的w,i\pi/2是一個解。

不過,上式的解不唯一,考慮在复平面裡的位置,以及其輻角。若從1逆時針旋轉\pi/2弧度,可以到達,但若再旋轉2\pi弧度,又可以到達,因此i(\pi/2 + 2\pi) 也是的一個值。原來的解再加上2\pi的整數倍,都會是的值。

因此,所得到的結果和一般函數的概念不同:沒有一個確定的值,針對,可以得到:\log{z} = \ln + i\left(\mathrm{arg}\ z \right)
= \ln + i\left(\mathrm{Arg}\ z+2\pi k\right)
其中的是整數,而是的主輻角,定義在(-\pi,\ \pi]區間內。每個值都確定多值函數的一個分支。若考慮單一分支,有時會使用。此時移去函數定義域的非正實數,去掉\pi是個可行的作法。在此切割下,單分支的函數就是连续函数,在其定義域各處都可解析。

對應的分支即為主分支,在上面的值也就稱為主值。

一般情形
一般來說,若是多值函數,其主分支會寫成
:\mathrm{pv}\,f(z)
使在定義域內的,是單值函數。
複變函數的主值
複變函數在一些定義域下會是多值函數。可以將這些函數改為對應的主分支,即可變成單值函數,其值即為主值。
對數函數
前文中已經探討对数函數
:\log{z} = \ln + i\left(\mathrm{arg}\ z\right).
在其本質上就是多值函數。一般常會定義複數的輻角在-\pi和\pi之間,因此將此定義為輻角函數的主值,將此分支下的輻角函數用表示(第一個字母A大寫)。若是用輻角主值來代替輻角,可以得到對數函數的主值,可以寫成
:\mathrm{pv}\log{z} = \mathrm{Log}\,z = \ln + i\left(\mathrm{Arg}\,z\right).

方根
針對複數z = r e^{i \phi}\,,其平方根的主值為:

:\mathrm{pv}\sqrt{z} = \exp\left(\frac{\mathrm{pv}\log z}{2}\right) = \sqrt{r}\, e^{i \phi / 2}

其辐角範圍為-\pi 。有時會分割分支,使負實數不在方根函數的值域中,去除\phi = \pi的可能性。
反三角和反雙曲函數
複數的反三角函數(, , 等)和反雙曲函數(, , 等)可以用對數和其主值來定義。

複數的輻角
和atan2函數]]

複數之辐角的主值,若以弧度表示,有以下兩種定義:

  • 在範圍[0, 2\pi)內的值
  • 在範圍(-\pi, \pi]內的值

例如,許多電腦系統會有函數,的值會在(-\pi, \pi]區間內。與其相對的,的值會在(\tfrac{-\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}]區間內。

參考資料

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