辐角原理

在复分析中，辐角原理（）或称柯西辐角原理（）说如果  是在某个围道  上以及内部一个亚纯函数，且  在  上没有零点或极点，则下列公式成立

这里  与  分别表示  在围道  内部的零点与极点个数，每个零点计重数，极点计阶数。定理的陈述假设围道  是简单的，即没有自交，以及它是逆时针方向定向的。

更一般地，假设  是一条曲线，逆时针方向定向，在复平面中一个开集  中可缩为一点。对每个 ，令  是  绕点  的卷绕数。则

这里第一个求和对  所有零点  进行并计重数，第二个求和在  的所有极点  上进行并计重数。

 证明 

设  是  的一个零点。我们可将  写成  这里  是零点的重数，从而
。我们有

以及

因  ， 在 
 没有奇点，从而在  解析，这意味着 
 在  的留数是 。

设  是  的一个极点。我们可写成  这里  是极点的阶数，从而
。我们有

以及

因为 ，  在  没有奇点，从而在  解析。我们发现 
 在  的留数是 。

将它们放在一起， 的每个  重零点  产生 
 的一个留数为  的单极点，而  的每个  阶极点  产生  的一个留数为  的单极点（这里一个单极点指一阶极点）。另外，可以证明  没有其它极点，从而没有其它留数。 

由留数定理我们有关于  的积分是  与这些留数之和的乘积。总之，每个零点  的  之和是计重数的零点个数，对极点类似，故我们得到了欲证之结论。

 推论 
假设  是一个以原点为中心的闭围道，通过考虑  关于  的卷绕数可得出一些推论。我们看到  在  上的积分是  值的变化。因为  是闭的我们只需考虑  在  上的变化，它将是  的某个整数倍（但可能绕原点卷多圈）。但从辐角原理

约去因子 ，我们得到

这里  表示  在  上关于  的卷绕数，且有，（这里的求和对  所有零点  进行并计重数）。

一个推论是更广泛的定理，在同样的假设下，如果  是  中一个解析函数，则

例如，如果  是以一个简单围道  内部  为零点的多项式，以及，则

是  的根的次方和對稱多項式。

另一个推论是如果我们计算复积分：


对一个合适的，我们有：



这给出了一个离散和式与它的积分之间的关系。

 历史 

按照弗兰克·史密西斯一书（Cauchy and the Creation of Complex Function Theory, Cambridge University Press, 1997）的说法，在奥古斯丁·路易·柯西从法国到都灵（当时皮德蒙特-萨丁尼亚王国的首都）的自我放逐途中，柯西于1831年11月2日提出了和上面类似的一个定理（见177页）。但是根据此书，只提到了零点，没有极点。柯西的这个定理在许多年后的1974年才以手写本发表，故很难阅读。柯西逝世两年前的1855年发表的一篇论文中，零点与极点都讨论了。定理 1 只涉及了零点。柯西1855年论文中的定理 2 说“一个单复变量函数 Z 的对数计量（compteurs logarithmiques，相当于现代教材中的对数留数）等于 Z 与 1/Z 根的个数之差（相当于现代教材中的函数 Z 的零点与极点）。从而现代“辐角原理”可在1855年柯西论文中作为一个定理发现。

 应用 

反馈控制理论的现代书籍中频繁用到辐角原理，将其作为奈奎斯特稳定性判据的理论基础。哈里·奈奎斯特1932年原理的论文（H. Nyquist, "Regeneration theory", Bell System Technical Journal, vol. 11, pp. 126-147, 1932）用一种相当笨拙与原始的方法得出奈奎斯特稳定性判据。在这篇论文中，奈奎斯特完全没有提到柯西的名字。后来，Leroy MacColl (Fundamental theory of servomechanisms, 1945) 与 Hendrik Bode (Network analysis and feedback amplifier design, 1945) 都从辐角原理得到了奈奎斯特稳定性判据。MacColl (Bell Laboratories) 将辐角原理称为柯西定理。这样辐角原理在纯粹数学与控制工程学中都有重大影响。现在，辐角原理可在复分析或控制工程学的现代教材中都可以找到。

 参考文献 


 外部链接 

 Module for the Argument Principle by John H. Mathews
 An Illustration of the Argument Principle  by Keith Schneider, The Wolfram Demonstrations Project.

 相关条目 
 儒歇定理
 路径积分
 奈奎斯特稳定性判据
 奥古斯丁·路易·柯西

Category:复分析定理