++C++; // 未確認飛行 C 避けて通れない「非同期処理」を克服しよう

Top総合 目次数学解析

べき級数展開・留数

このエントリーをはてなブックマークに追加

目次

キーワード

複素関数の積分

正則関数のところで説明していますが、 関数 f(z) が閉路Cに囲まれた領域内で正則なとき、

 
 
C
f(z)dz =0

が成り立ちます。

別の見方をすると、 任意の関数 f(z) に対して、 任意の閉路C上での積分は、 関数 f(z) の正則でない点が閉路Cに囲まれているかどうかだけで決まります 。 例えば、 f(z)=

1
z
z=0 以外で正則なので、
 
 
C
1
z
dz
の値は、 C z=0 を囲むか囲まないかだけで決まります。 そのため、このような積分は計算の容易な経路を適当に選んで計算してやればいいわけです。

例として、

 
 
C
1
z
dz の値を計算してみましょう。 積分経路として、 C={ z | |z|=r } rは任意の正の実数)を選んでやると、 z=r e, 0θ2π となりますから、

 
 
C
1
z
dz =
  2π
 
0
ir edθ
r e
=
  2π
 
0
idθ =2πi

となり、したがって、

 
 
C
1
z
dz ={
0   ( C z=0 を囲まないとき )
2πi   ( C z=0 を囲むとき )

となります。

極と零点の位数

関数fに対して

lim
z→a
f(z)=0 が成り立っているとき、af零点(zero, zero point)といいます。 このとき、
lim
z→a
f(z)
( za ) k
= 0
となる最大の自然数k fの零点aでの位数 といいます。

同様に、関数fに対して

lim
z→b
1
f(z)
= 0 が成り立っているとき、bf(pole)といいます。 このとき、
lim
z→b
( zb ) k
f(z)
= 0
となる最大の自然数k fの極bでの位数 といいます。 すなわち、
1
f
の零点をfの極といい、
1
f
の零点の位数をfの極の位数といいます。

また、位数がNである零点を「N位の零点」といい、 位数がNである極を「N位の極」といいます。

整式の積分

べき級数展開や留数の話をする前に、

 
 
C
zndz (Cは原点を囲む閉路で、nは整数)の計算結果を知っていると留数を理解しやすくなりますので、まずこのことについて述べます。

n 0 以上の時には、 zn はすべての複素数zに対して正則なので、閉路上での積分の値は常に 0 になります。 また、 n=1 の時の結果は先ほど求めたように、 2πi になります。

それでは残る

 
 
C
1
zn
dz ( n2 )の場合を考えてみましょう。 先ほどと同じように、積分経路として C={ z | |z|=r } rは任意の正の実数)を選んでやると、

 
 
C
1
z
dz =
  2π
 
0
ir edθ
( r e ) n
=
  2π
 
0
idθ
( r e ) n1

となります。 ここで、この積分の値はrの値によらず一定なわけですから、r → ∞としてもこの積分の値は変わりません。 n2 ですから、このとき

1
r n1
0 となります。 したがって、

 
 
C
1
zn
dz =
lim
r→∞
  2π
 
0
idθ
( r e ) n1
=0

となります。 すなわち、 n ≦ 2 のとき、 原点を囲む閉路上での zn の積分は 0 になります。

以上の結果をまとめると、

 
 
C
zndz ={
0   ( n1 )
2πi   ( n=1 )

となります。

また、今までは簡素化のため、原点を囲む閉路に限定して考えてきましたが、 任意の閉路について考えるために、 z zζ に置き換えます。 その結果、変数変換の公式から直ちに、

 
 
C
( zζ ) n dz ={
0   ( n1 )
2πi   ( n=1 )

という式が得られます。 ただし、 Cζを囲む任意の経路です。

ローラン展開

 
 
C
( zζ ) n dz の値を計算するのと同じ方法 ( z = r e と置いて置換積分) で、 fが領域 0<| zζ |<R 上で正則であるとき、 0<r<R である任意の実数rに対して、

f(z)=
1
2πi
 
 
| zζ |=r
f(ζ)
ζz
dζ

という式が得られます。 (前節までの説明とは、zζ の位置が逆なので注意。)

また、この式をzに関して n 階微分することで

f (n) (z)=
n!
2πi
 
 
| zζ |=r
f(ζ)
( ζz ) n+1
dζ

という式が得られます。 ただし、 f (n) fn階微分したものです。

ところで、複素関数fは、正則な z=ζ の周りでテイラー展開

f(z)=
n=0
f (n) (ζ)
n!
( zζ )n

が行えます。 この式に、 f (n) (z)=

n!
2πi
 
 
| zζ |=r
f(ζ)
( ζz ) n+1
dζ を代入すると、

f(z)=
n=0
an( zζ )n
an=
1
2πi
 
 
| ζz |=r
f(z)
( zζ ) n+1
dz

となります。

n 階微分 f (n) (z) は、 f(z) z=ζ で正則なときにしか定義できませんでしたが、この an なら f(z) z=ζ で正則でなくても、 z=ζ の近傍で正則(このような点を孤立特異点といいます)なら定義することができます。 そこで、テーラー展開を拡張して、

f(z)=
n=
an( zζ )n
an=
1
2πi
 
 
| ζz |=r
f(z)
( zζ ) n+1
dz

としたものをローラン展開(Laurent expansion、ローランは人名)といいます。 ただし、rf 0<| zζ |<R で正則となるような実数Rに対して、 0<r<R となる任意の実数です。

ローラン展開は、fの正則点ではテーラー展開と一致します。また、 z=ζ fN位の極であるとき、 n≦N ならば an=0 となります。 (ここではローラン級数の収束性や一意性について厳密な話は取り扱いません。詳しくは教科書などをご覧ください。)

留数

fが領域 0<| zζ |<R 上で正則であるとき、 0<r<R となる任意の実数rに対して、

1
2πi
 
 
| zζ | =r
f(z)dz

の値を f z=ζ における留数 といい、 Res[f,ζ] と書きます。

留数は、 点 ζ 上を除いて正則な関数の、閉路上での積分ですから、 点 ζ で非正則な場合(すなわち、極である場合)にのみ 0 でない値になります。

また、fの任意の閉路C上での積分の値は、留数を用いて

 
 
C
f(z)dz =2πi
i
Res[ f,ζi ]

と表すことができます。 ただし、 ζi は閉路Cに囲まれた領域内にあるfの極です。 この式から、 閉路中の全ての極における留数を調べることで、 任意の閉路上の積分の値を求めることが出来ます。

留数の求め方について考える前に、留数とローラン展開の関係について触れて起きます。 ローラン展開の係数の式と、留数の定義式を比べれば即座に分かりますが、 留数はローラン展開の 1 次の項の係数に一致します。 (前節で述べた式に n =1 を代入すると、分母が消えて留数の定義式に一致します。) すなわち、f

f(z)=
n=
an( zζ )n

とローラン展開できるとき、

Res[f,ζ] = a 1

が成り立ちます。

また、点 ζ が複素関数 fN 位の極であるとき、 f のローラン係数 an n < N である全ての n に対して 0 になります。 すなわち、f のローラン展開は以下のようになります。 (Σ の範囲に注意。)

f(z)=
n=N
an( zζ )n

ここで、まずこのf ( zζ ) N をかけてやると、

( zζ ) Nf(z)=
n=0
a nN ( zζ )n

となり、さらにこれを N1 階微分してやると、

(
d
dz
) N1 ( zζ ) Nf(z)=
n=0
( n+N1 ) !
n!
a n1 ( zζ )n

となります。ここで、z → ζ の極限を取ると、 n=0 の項だけが残るので、

lim
z→ζ
(
d
dz
) N1 ( zζ ) Nf(z)=( N1 )!a 1

が得られます。 Res[f,ζ]= a 1 ですから、結局、N位の極ζでのfの留数は

Res[f,ζ] =
1
( N1 ) !
lim
z→ζ
(
d
dz
) N1 ( zζ ) Nf(z)

によって求めることができます。

[お問い合わせ](q)