1 二つの設定を比較する
比較に先立って、一般形の仮定を記述する二つの概念を定める。
定義 1.1. γ \gamma γ を区分的に一階連続微分可能な閉曲線、p ∈ C ∖ ∣ γ ∣ p\in\mathbb C\setminus|\gamma| p ∈ C ∖ ∣ γ ∣ とする。
n ( γ , p ) = 1 2 π i ∮ γ d z z − p n(\gamma,p)=\frac{1}{2\pi i}\oint_{\gamma}\frac{dz}{z-p} n ( γ , p ) = 2 π i 1 ∮ γ z − p d z を、γ \gamma γ のp p p に関する回転数 (winding number ) という。サイクルΓ = ∑ j n j γ j \Gamma=\sum_{j}n_{j}\gamma_{j} Γ = ∑ j n j γ j とp ∉ ∣ Γ ∣ p\notin|\Gamma| p ∈ / ∣Γ∣ に対しては、§E5.4 定義 3.1 の定義により
n ( Γ , p ) = ∑ j n j n ( γ j , p ) n(\Gamma,p)=\sum_{j}n_{j}\,n(\gamma_{j},p) n ( Γ , p ) = j ∑ n j n ( γ j , p ) と定める。関数z ↦ 1 / ( z − p ) z\mapsto1/(z-p) z ↦ 1/ ( z − p ) は§E5.2 系 1.3 と§E5.2 命題 1.2 によりC ∖ { p } \mathbb C\setminus\{p\} C ∖ { p } 上で正則であるため、これらの積分は定義される。
定義 1.2. U ⊆ C U\subseteq\mathbb C U ⊆ C を開集合、Γ \Gamma Γ を∣ Γ ∣ ⊆ U |\Gamma|\subseteq U ∣Γ∣ ⊆ U を満たすサイクルとする。U U U の外にあるすべての点p p p について
n ( Γ , p ) = 0 n(\Gamma,p)=0 n ( Γ , p ) = 0 が成り立つとき、Γ \Gamma Γ は U U U の内部で零ホモローグ (null-homologous inU U U ) であるという。
次の図は、二つの設定で許される境界の形を比較する。
二つの設定の違いを五つの観点で対応させる。
観点
左(Green の定理)
右(Cauchy–Goursat の一般形)
境界の形
有限個の互いに交わらない区分的に一階連続微分可能な正則単純閉曲線
有限個の区分的に一階連続微分可能な閉曲線の整数係数線形結合。自己交差と重複走行を許す
向き
外周は反時計回り、各内周は時計回り。領域はつねに進行方向の左側にある
向きは係数の符号が担う。領域の片側性は要求しない
関数に要求する正則性
実部と虚部が、領域を含む開集合の上で一階連続微分可能である
開集合の上で複素微分可能であればよい。導関数の連続性を仮定しない
証明方法
Green の定理と Cauchy–Riemann 方程式から、二重積分の被積分関数が0 0 0 になることを計算する
Goursat の三角形定理と、有限個の長方形への分割による
領域の外での回転数
定義域の外の点に関する回転数は0 0 0 である。この結論は境界が一つの有界領域を囲むことから従う
開集合の外の各点に関する回転数が0 0 0 であることを、仮定として課す
左の設定における計算を先に示す。
命題 1.4. Ω ⊆ C \Omega\subseteq\mathbb C Ω ⊆ C を有界な領域とし、D = Ω ‾ D=\overline\Omega D = Ω が§E4.22 定義 1.2 の意味で区分的に一階連続微分可能な正則領域であると仮定する。すなわち、∂ D \partial D ∂ D は有限個の互いに交わらない区分的に一階連続微分可能な正則単純閉曲線からなり、補集合は一つの非有界成分と有限個の穴に分かれ、境界は局所的な片側性を満たす。外周を反時計回り、各穴の境界を時計回りに向きづけたものを∂ D \partial D ∂ D と書く。f = u + i v f=u+iv f = u + i v がD D D を含む開集合の上で正則であり、u u u とv v v がその開集合の上で一階連続微分可能であると仮定する。このとき
∮ ∂ D f ( z ) d z = 0 \oint_{\partial D}f(z)\,dz=0 ∮ ∂ D f ( z ) d z = 0 が成り立つ。
証明. ∂ D \partial D ∂ D を構成する各曲線をγ ( t ) = ξ ( t ) + i η ( t ) \gamma(t)=\xi(t)+i\eta(t) γ ( t ) = ξ ( t ) + i η ( t ) (a ≤ t ≤ b a\le t\le b a ≤ t ≤ b )と表すと、§E5.4 定義 2.2 により
∫ γ f ( z ) d z = ∫ a b ( u + i v ) ( ξ ′ + i η ′ ) d t = ∫ a b ( u ξ ′ − v η ′ ) d t + i ∫ a b ( v ξ ′ + u η ′ ) d t \int_{\gamma}f(z)\,dz=\int_{a}^{b}\bigl(u+iv\bigr)\bigl(\xi'+i\eta'\bigr)\,dt
=\int_{a}^{b}\bigl(u\xi'-v\eta'\bigr)dt+i\int_{a}^{b}\bigl(v\xi'+u\eta'\bigr)dt ∫ γ f ( z ) d z = ∫ a b ( u + i v ) ( ξ ′ + i η ′ ) d t = ∫ a b ( u ξ ′ − v η ′ ) d t + i ∫ a b ( v ξ ′ + u η ′ ) d t である。ここでu , v u,v u , v の引数は( ξ ( t ) , η ( t ) ) (\xi(t),\eta(t)) ( ξ ( t ) , η ( t )) である。二つの実積分は、実ベクトル場( u , − v ) (u,-v) ( u , − v ) と( v , u ) (v,u) ( v , u ) のγ \gamma γ に沿う線積分∫ γ u d x − v d y \int_{\gamma}u\,dx-v\,dy ∫ γ u d x − v d y と∫ γ v d x + u d y \int_{\gamma}v\,dx+u\,dy ∫ γ v d x + u d y の定義そのものである。各曲線について加えて
∮ ∂ D f ( z ) d z = ∮ ∂ D ( u d x − v d y ) + i ∮ ∂ D ( v d x + u d y ) \oint_{\partial D}f(z)\,dz
=\oint_{\partial D}(u\,dx-v\,dy)+i\oint_{\partial D}(v\,dx+u\,dy) ∮ ∂ D f ( z ) d z = ∮ ∂ D ( u d x − v d y ) + i ∮ ∂ D ( v d x + u d y ) を得る。u , v u,v u , v はD D D を含む開集合の上で一階連続微分可能であるから、二つの線積分のそれぞれへ
Green の定理(§E4.22 定理 4.1 )を適用することができる。第一の積分ではP = u P=u P = u 、Q = − v Q=-v Q = − v として
∮ ∂ D ( u d x − v d y ) = ∬ D ( − v x − u y ) d x d y , \oint_{\partial D}(u\,dx-v\,dy)=\iint_{D}\bigl(-v_{x}-u_{y}\bigr)\,dx\,dy, ∮ ∂ D ( u d x − v d y ) = ∬ D ( − v x − u y ) d x d y , 第二の積分ではP = v P=v P = v 、Q = u Q=u Q = u として
∮ ∂ D ( v d x + u d y ) = ∬ D ( u x − v y ) d x d y \oint_{\partial D}(v\,dx+u\,dy)=\iint_{D}\bigl(u_{x}-v_{y}\bigr)\,dx\,dy ∮ ∂ D ( v d x + u d y ) = ∬ D ( u x − v y ) d x d y である。f f f は正則であるから、Cauchy–Riemann 方程式(§E5.2 定理 3.1 )によりD D D の各点でu x = v y u_{x}=v_{y} u x = v y かつu y = − v x u_{y}=-v_{x} u y = − v x が成り立つ。したがって二つの被積分関数はいずれも恒等的に0 0 0 であり、両方の二重積分は0 0 0 である。▨
2 曲線の向きとホモトピー
三角形の正の向きと、後に単連結領域へ適用するホモトピーの規約を定める。
定義 2.1. 非退化な閉三角形T T T の境界∂ T \partial T ∂ T を、内部が進行方向の左側に来る向きで一周する区分的に一階連続微分可能な閉曲線とする。この向きを正の向き (positive orientation ) という。
U ⊆ C U\subseteq\mathbb C U ⊆ C を開集合とする。連続写像H : [ 0 , 1 ] 2 → U H:[0,1]^{2}\to U H : [ 0 , 1 ] 2 → U が区分的に一階連続微分可能 (piecewiseC 1 C^1 C 1 ) であるとは、[ 0 , 1 ] 2 [0,1]^2 [ 0 , 1 ] 2 の有限三角形分割が存在して、各閉三角形へのH H H の制限の二つの偏導関数が内部で存在し、その閉三角形の上の連続関数へ延長されることをいう。この三角形分割を H H H に適合する分割 (triangulation adapted toH H H )
という。区分的アフィン写像は、この意味で区分的に一階連続微分可能である。
C 0 , C 1 : [ 0 , 1 ] → U C_{0},C_{1}:[0,1]\to U C 0 , C 1 : [ 0 , 1 ] → U を区分的に一階連続微分可能な閉曲線とする。上の意味で区分的に一階連続微分可能な写像H : [ 0 , 1 ] 2 → U H:[0,1]^{2}\to U H : [ 0 , 1 ] 2 → U が
H ( 0 , t ) = C 0 ( t ) , H ( 1 , t ) = C 1 ( t ) , H ( s , 0 ) = H ( s , 1 ) H(0,t)=C_{0}(t),\qquad H(1,t)=C_{1}(t),\qquad H(s,0)=H(s,1) H ( 0 , t ) = C 0 ( t ) , H ( 1 , t ) = C 1 ( t ) , H ( s , 0 ) = H ( s , 1 ) を満たすとき、H H H を C 0 C_{0} C 0 とC 1 C_{1} C 1 の間の区分的に一階連続微分可能なホモトピー (piecewiseC 1 C^1 C 1 homotopy betweenC 0 C_0 C 0 andC 1 C_1 C 1 ) という。定数閉曲線との間にこのようなホモトピーをもつ閉曲線を、U U U の中で縮めることができる (null-homotopic inU U U ) という。
領域D D D の中の任意の区分的に一階連続微分可能な閉曲線をD D D の中で縮めることができるとき、D D D は区分的に一階連続微分可能な閉曲線について単連結 (simply connected with respect to piecewiseC 1 C^1 C 1 closed curves ) であるという。
補題 2.3. 領域D ⊆ C D\subseteq\mathbb C D ⊆ C について、次の二条件は同値である。
§E5.2 定義 4.6 の意味で、D D D 内のすべての連続な閉曲線を連続なホモトピーによって一点へ縮めることができる。
D D D 内のすべての区分的に一階連続微分可能な閉曲線を、定義 2.1 の意味のホモトピーによって一点へ縮めることができる。
したがって本記事では、いずれの条件も単連結性と呼ぶ。
証明. はじめに、連続な閉曲線C : [ 0 , 1 ] → D C:[0,1]\to D C : [ 0 , 1 ] → D を折れ線で近似する。[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] は§E2.9 定理 4.3 によりコンパクトなので、§E2.19 定理 4.2 により曲線像∣ C ∣ |C| ∣ C ∣ もコンパクトである。その各点を中心にD D D に含まれる開円板を取り、§E2.19 命題 2.6 により有限個B 1 , … , B m B_1,\ldots,B_m B 1 , … , B m で∣ C ∣ |C| ∣ C ∣ を覆う。C − 1 ( B j ) C^{-1}(B_j) C − 1 ( B j ) は[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] の有限開被覆である。[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] は§E2.9 定理 4.3 と§E2.9 定理 3.1 により点列コンパクトなので、この被覆へ§E2.9 補題 2.3 を適用する。得られた Lebesgue 数より細かい分割0 = t 0 < ⋯ < t N = 1 0=t_0<\cdots<t_N=1 0 = t 0 < ⋯ < t N = 1 を取る。このとき各[ t j − 1 , t j ] [t_{j-1},t_j] [ t j − 1 , t j ] はある一つのC − 1 ( B k ) C^{-1}(B_k) C − 1 ( B k ) に含まれる。P ( t j ) = C ( t j ) P(t_j)=C(t_j) P ( t j ) = C ( t j ) とし、各小区間でP P P をアフィンに定める。C ( 0 ) = C ( 1 ) C(0)=C(1) C ( 0 ) = C ( 1 ) なのでP P P も閉曲線である。各小区間でC ( t ) C(t) C ( t ) とP ( t ) P(t) P ( t ) は同じ凸円板B k B_k B k に含まれるから
S ( r , t ) = ( 1 − r ) C ( t ) + r P ( t ) ( 0 ≤ r ≤ 1 ) (1) S(r,t)=(1-r)C(t)+rP(t)\qquad(0\le r\le1)
\tag{1} S ( r , t ) = ( 1 − r ) C ( t ) + r P ( t ) ( 0 ≤ r ≤ 1 ) ( 1 ) はD D D 内の連続なホモトピーであり、S ( r , 0 ) = S ( r , 1 ) S(r,0)=S(r,1) S ( r , 0 ) = S ( r , 1 ) を満たす。さらにC C C が区分的に一階連続微分可能な場合には、その分点もt j t_j t j に加えることにより、S S S は各小長方形で一階連続微分可能、したがって各小長方形を二分した三角形分割に関して区分的に一階連続微分可能である。
(2) を仮定する。任意の連続な閉曲線C C C に対して上の折れ線P P P を取る。P P P は区分的に一階連続微分可能なので、(2) によりD D D 内で一点へ縮めることができる。式 (1) のC C C からP P P への連続なホモトピーとP P P の縮約を、r r r の前半と後半へ線形に再パラメータ化してつなぐと、C C C の連続な縮約を得る。ゆえに(1) が成り立つ。
逆に(1) を仮定し、区分的に一階連続微分可能な閉曲線C C C を取る。(1) により、連続写像H : [ 0 , 1 ] 2 → D H:[0,1]^2\to D H : [ 0 , 1 ] 2 → D と点q ∈ D q\in D q ∈ D が存在して
H ( 0 , t ) = C ( t ) , H ( 1 , t ) = q , H ( s , 0 ) = H ( s , 1 ) (2) H(0,t)=C(t),\qquad H(1,t)=q,\qquad H(s,0)=H(s,1)
\tag{2} H ( 0 , t ) = C ( t ) , H ( 1 , t ) = q , H ( s , 0 ) = H ( s , 1 ) ( 2 ) を満たす。H ( [ 0 , 1 ] 2 ) H([0,1]^2) H ([ 0 , 1 ] 2 ) は§E2.19 定理 4.2 によりコンパクトである。その各点を中心にD D D に含まれる凸な開円板を取り、§E2.19 命題 2.6 により有限部分被覆B 1 , … , B l B_1,\ldots,B_l B 1 , … , B l を選ぶ。H − 1 ( B 1 ) , … , H − 1 ( B l ) H^{-1}(B_1),\ldots,H^{-1}(B_l) H − 1 ( B 1 ) , … , H − 1 ( B l ) へ Lebesgue 数補題を適用する。ここでも[ 0 , 1 ] 2 [0,1]^2 [ 0 , 1 ] 2 は§E2.9 定理 4.3 と§E2.9 定理 3.1 により点列コンパクトである。
s s s 軸とt t t 軸を Lebesgue 数より十分細かく等分し、t t t 軸の分点にはC C C の一階連続微分可能性に適合する分点も加える。各小長方形を同じ向きの対角線で二分して有限三角形分割T \mathcal T T を作る。各三角形の直径を
Lebesgue 数未満に取ったので、各三角形はある一つのH − 1 ( B k ) H^{-1}(B_k) H − 1 ( B k ) に含まれる。t = 0 t=0 t = 0 とt = 1 t=1 t = 1 の分点は同じs s s 座標をもち、三角形分割が両辺で同じ分点を誘導するので、式 (2) の周期境界と整合している。
T \mathcal T T の各頂点v v v でK ( v ) = H ( v ) K(v)=H(v) K ( v ) = H ( v ) と定め、各三角形上で頂点値をアフィンに補間する。共有辺上では両側のアフィン補間が同じ二頂点値を結ぶので、K K K は[ 0 , 1 ] 2 [0,1]^2 [ 0 , 1 ] 2 上で連続である。一つの三角形の三頂点像は共通の凸円板B k B_k B k に含まれ、その凸包もB k B_k B k に含まれる。したがってK ( [ 0 , 1 ] 2 ) ⊆ D K([0,1]^2)\subseteq D K ([ 0 , 1 ] 2 ) ⊆ D である。K K K は各三角形上でアフィンなので区分的に一階連続微分可能である。式 (2) と境界分割の整合性から
K ( s , 0 ) = K ( s , 1 ) , K ( 1 , t ) = q K(s,0)=K(s,1),\qquad K(1,t)=q K ( s , 0 ) = K ( s , 1 ) , K ( 1 , t ) = q が成り立つ。またK ( 0 , ⋅ ) K(0,\cdot) K ( 0 , ⋅ ) はC ( t j ) C(t_j) C ( t j ) を順に結ぶ折れ線P P P である。
底辺の各区間[ t j − 1 , t j ] [t_{j-1},t_j] [ t j − 1 , t j ] は一つの三角形の辺であり、その三角形はあるH − 1 ( B k ) H^{-1}(B_k) H − 1 ( B k ) に含まれる。したがってC ( t ) = H ( 0 , t ) C(t)=H(0,t) C ( t ) = H ( 0 , t ) とP ( t ) = K ( 0 , t ) P(t)=K(0,t) P ( t ) = K ( 0 , t ) は同じ凸円板B k B_k B k に含まれる。式 (1) で定めたC C C からP P P への帯状ホモトピーは、C C C の分点を含む分割に関して区分的に一階連続微分可能である。この帯状ホモトピーとK K K を変形変数の前半と後半へ線形に再パラメータ化してつなぐと、境界値P P P で一致し、周期条件を保つ区分的に一階連続微分可能なホモトピーを得る。このホモトピーはC C C をq q q へ縮めるので、(2) が成り立つ。▨
3 Goursat の三角形定理
一般形の局所的な核は、三角形の境界に対する積分の消滅である。ここでは導関数の連続性を仮定しない。
定理 3.1 (Goursat の三角形定理). T T T を非退化な閉三角形とし、f f f がT T T を含む開集合の上で正則であるとする。このとき
∮ ∂ T f ( z ) d z = 0 \oint_{\partial T}f(z)\,dz=0 ∮ ∂ T f ( z ) d z = 0 が成り立つ。
証明. I = ∮ ∂ T f ( z ) d z I=\oint_{\partial T}f(z)\,dz I = ∮ ∂ T f ( z ) d z 、M = ∣ I ∣ M=|I| M = ∣ I ∣ とおく。T T T の三辺の中点を結ぶと四個の閉三角形に分かれる。各境界を正向きに取り、四個の境界積分を加えると、内部に現れる三本の辺はそれぞれ二回、互いに逆向きに現れるので、§E5.4 命題 2.5 により相殺する。したがってI I I は四個の積分の和であり、少なくとも一つの三角形T 1 T_{1} T 1 について
∣ ∮ ∂ T 1 f ( z ) d z ∣ ≥ M 4 \left|\oint_{\partial T_{1}}f(z)\,dz\right|\ge\frac{M}{4} ∮ ∂ T 1 f ( z ) d z ≥ 4 M が成り立つ。同じ操作を繰り返して、T = T 0 ⊃ T 1 ⊃ T 2 ⊃ ⋯ T=T_{0}\supset T_{1}\supset T_{2}\supset\cdots T = T 0 ⊃ T 1 ⊃ T 2 ⊃ ⋯ を得る。T T T の直径をd d d 、周長をL L L とすると、T n T_{n} T n の直径はd / 2 n d/2^{n} d / 2 n 、周長はL / 2 n L/2^{n} L / 2 n であり、
∣ ∮ ∂ T n f ( z ) d z ∣ ≥ M 4 n (1) \left|\oint_{\partial T_{n}}f(z)\,dz\right|\ge\frac{M}{4^{n}}
\tag{1} ∮ ∂ T n f ( z ) d z ≥ 4 n M ( 1 ) が成り立つ。
各T n T_{n} T n からz n z_n z n を選ぶ。m ≥ n m\ge n m ≥ n ならばz m , z n ∈ T n z_{m},z_{n}\in T_{n} z m , z n ∈ T n であるから∣ z m − z n ∣ ≤ d / 2 n |z_{m}-z_{n}|\le d/2^{n} ∣ z m − z n ∣ ≤ d / 2 n であり、( z n ) (z_{n}) ( z n ) は Cauchy 列である。実部と虚部がそれぞれ実数の
Cauchy 列であるから、実数の完備性(§D1.10 定理 1.1 )により( z n ) (z_{n}) ( z n ) はあるz 0 z_{0} z 0 へ収束する。各T n T_{n} T n は閉集合であり、番号がn n n 以上のz m z_{m} z m をすべて含むのでz 0 ∈ T n z_{0}\in T_{n} z 0 ∈ T n が全てのn n n について成り立つ。
f f f はz 0 z_{0} z 0 で複素微分可能である。したがって任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 に対してρ > 0 \rho>0 ρ > 0 が存在して、∣ z − z 0 ∣ < ρ |z-z_{0}|<\rho ∣ z − z 0 ∣ < ρ を満たすz z z について
f ( z ) = f ( z 0 ) + f ′ ( z 0 ) ( z − z 0 ) + η ( z ) ( z − z 0 ) , ∣ η ( z ) ∣ ≤ ε (2) f(z)=f(z_{0})+f'(z_{0})(z-z_{0})+\eta(z)(z-z_{0}),\qquad|\eta(z)|\le\varepsilon
\tag{2} f ( z ) = f ( z 0 ) + f ′ ( z 0 ) ( z − z 0 ) + η ( z ) ( z − z 0 ) , ∣ η ( z ) ∣ ≤ ε ( 2 ) と書くことができる。ここでη ( z 0 ) = 0 \eta(z_{0})=0 η ( z 0 ) = 0 とおく。d / 2 n < ρ d/2^{n}<\rho d / 2 n < ρ となるn n n を取るとT n ⊆ D ( z 0 , ρ ) T_{n}\subseteq D(z_{0},\rho) T n ⊆ D ( z 0 , ρ ) である。式 (2) の右辺の最初の二項はα + β z \alpha+\beta z α + β z (α = f ( z 0 ) − f ′ ( z 0 ) z 0 \alpha=f(z_{0})-f'(z_{0})z_{0} α = f ( z 0 ) − f ′ ( z 0 ) z 0 、β = f ′ ( z 0 ) \beta=f'(z_{0}) β = f ′ ( z 0 ) )の形の一次多項式である。§E5.2 系 1.3 と§E5.2 命題 1.2 により( α z + β z 2 / 2 ) ′ = α + β z \bigl(\alpha z+\beta z^{2}/2\bigr)'=\alpha+\beta z ( α z + β z 2 /2 ) ′ = α + β z であるから、この一次多項式はC \mathbb C C 全体で原始関数をもつ。ゆえに§E5.4 定理 4.2 により∂ T n \partial T_{n} ∂ T n に沿う積分は0 0 0 である。残る項に ML 不等式(§E5.4 命題 3.2 )を適用すると、∂ T n \partial T_{n} ∂ T n の上で∣ η ( z ) ( z − z 0 ) ∣ ≤ ε d / 2 n |\eta(z)(z-z_{0})|\le\varepsilon\,d/2^{n} ∣ η ( z ) ( z − z 0 ) ∣ ≤ ε d / 2 n であり、∂ T n \partial T_{n} ∂ T n の長さはL / 2 n L/2^{n} L / 2 n であるから
∣ ∮ ∂ T n f ( z ) d z ∣ = ∣ ∮ ∂ T n η ( z ) ( z − z 0 ) d z ∣ ≤ ε ⋅ d 2 n ⋅ L 2 n = ε d L 4 n \left|\oint_{\partial T_{n}}f(z)\,dz\right|
=\left|\oint_{\partial T_{n}}\eta(z)(z-z_{0})\,dz\right|
\le\varepsilon\cdot\frac{d}{2^{n}}\cdot\frac{L}{2^{n}}=\frac{\varepsilon\,dL}{4^{n}} ∮ ∂ T n f ( z ) d z = ∮ ∂ T n η ( z ) ( z − z 0 ) d z ≤ ε ⋅ 2 n d ⋅ 2 n L = 4 n ε d L である。式 (1) と合わせてM ≤ ε d L M\le\varepsilon\,dL M ≤ ε d L を得る。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 は任意であるからM = 0 M=0 M = 0 、すなわちI = 0 I=0 I = 0 である。▨
この証明で微分を用いた箇所は、式 (2) の一点z 0 z_0 z 0 における一次近似だけである。f ′ f' f ′ の連続性は仮定していない。
系 3.2. R R R を辺が座標軸に平行な閉長方形とし、f f f がR R R を含む開集合の上で正則であるとする。∂ R \partial R ∂ R を正の向き、すなわち内部が進行方向の左側に来る向きに取ると
∮ ∂ R f ( z ) d z = 0 \oint_{\partial R}f(z)\,dz=0 ∮ ∂ R f ( z ) d z = 0 が成り立つ。
証明. R R R を一本の対角線によって有限個、すなわち二個の閉三角形へ分ける。二つの正向きの境界積分を加えると、対角線は二回、互いに逆向きに現れるので§E5.4 命題 2.5 により相殺し、和は∮ ∂ R f ( z ) d z \oint_{\partial R}f(z)\,dz ∮ ∂ R f ( z ) d z に等しい。各三角形へ定理 3.1 を適用すると、二つの積分はどちらも0 0 0 である。▨
4 星形領域における原始関数
定理 4.1. 領域D D D が点z 0 z_{0} z 0 に関して星形 である、すなわち任意のz ∈ D z\in D z ∈ D について線分[ z 0 , z ] [z_{0},z] [ z 0 , z ] がD D D に含まれると仮定する。f f f がD D D の上で正則ならば、
F ( z ) = ∫ [ z 0 , z ] f ( w ) d w F(z)=\int_{[z_{0},z]}f(w)\,dw F ( z ) = ∫ [ z 0 , z ] f ( w ) d w はD D D の上で正則であり、F ′ = f F'=f F ′ = f を満たす。
証明. z , w ∈ D z,w\in D z , w ∈ D について線分[ z , w ] [z,w] [ z , w ] がD D D に含まれる場合を考える。q ∈ [ z , w ] q\in[z,w] q ∈ [ z , w ] とs ∈ [ 0 , 1 ] s\in[0,1] s ∈ [ 0 , 1 ] に対して( 1 − s ) z 0 + s q ∈ D (1-s)z_{0}+sq\in D ( 1 − s ) z 0 + s q ∈ D であるから、三点z 0 , z , w z_{0},z,w z 0 , z , w を頂点とする閉三角形はD D D に含まれる。定理 3.1 により
∫ [ z 0 , z ] f + ∫ [ z , w ] f + ∫ [ w , z 0 ] f = 0 (3) \int_{[z_{0},z]}f+\int_{[z,w]}f+\int_{[w,z_{0}]}f=0
\tag{3} ∫ [ z 0 , z ] f + ∫ [ z , w ] f + ∫ [ w , z 0 ] f = 0 ( 3 ) である。三角形が退化する場合は、三点が一直線上にあるので、線分の分割と向きの反転(§E5.4 命題 2.5 と§E5.4 命題 2.6 )から直接に (3) が従う。
z ∈ D z\in D z ∈ D を固定する。D D D は開集合であるからD ( z , ρ ) ⊆ D D(z,\rho)\subseteq D D ( z , ρ ) ⊆ D を満たすρ > 0 \rho>0 ρ > 0 が存在する。∣ h ∣ < ρ |h|<\rho ∣ h ∣ < ρ ならば[ z , z + h ] ⊆ D [z,z+h]\subseteq D [ z , z + h ] ⊆ D であるから、(3) をw = z + h w=z+h w = z + h に適用して
F ( z + h ) − F ( z ) = ∫ [ z , z + h ] f ( w ) d w F(z+h)-F(z)=\int_{[z,z+h]}f(w)\,dw F ( z + h ) − F ( z ) = ∫ [ z , z + h ] f ( w ) d w を得る。f f f はz z z で連続であるから、ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 に対して、∣ h ∣ |h| ∣ h ∣ が十分小さければ線分[ z , z + h ] [z,z+h] [ z , z + h ] の上で∣ f ( w ) − f ( z ) ∣ ≤ ε |f(w)-f(z)|\le\varepsilon ∣ f ( w ) − f ( z ) ∣ ≤ ε が成り立つ。定数関数f ( z ) f(z) f ( z ) の線分に沿う積分はf ( z ) h f(z)h f ( z ) h であるから、ML 不等式(§E5.4 命題 3.2 )により
∣ F ( z + h ) − F ( z ) − f ( z ) h ∣ = ∣ ∫ [ z , z + h ] ( f ( w ) − f ( z ) ) d w ∣ ≤ ε ∣ h ∣ |F(z+h)-F(z)-f(z)h|=\left|\int_{[z,z+h]}\bigl(f(w)-f(z)\bigr)dw\right|\le\varepsilon|h| ∣ F ( z + h ) − F ( z ) − f ( z ) h ∣ = ∫ [ z , z + h ] ( f ( w ) − f ( z ) ) d w ≤ ε ∣ h ∣ である。両辺を∣ h ∣ |h| ∣ h ∣ で割ってh → 0 h\to0 h → 0 とするとF ′ ( z ) = f ( z ) F'(z)=f(z) F ′ ( z ) = f ( z ) を得る。▨
5 回転数の基本性質
回転数は、点p p p の周囲を曲線が正味で何周するかを積分によって測る。
補題 5.1 (平面開集合の連結成分). V ⊆ C V\subseteq\mathbb C V ⊆ C を開集合とする。V V V の各連結成分はC \mathbb C C の開集合であり、空でないため領域である。
証明. z ∈ V z\in V z ∈ V とし、N N N をV V V におけるz z z の任意の近傍とする。V V V はC \mathbb C C の開集合であるから、z ∈ D ( z , r ) ⊆ N z\in D(z,r)\subseteq N z ∈ D ( z , r ) ⊆ N を満たすr > 0 r>0 r > 0 を取ることができる。開円板D ( z , r ) D(z,r) D ( z , r ) は星形なので§E5.2 命題 4.5 により連結である。したがってV V V は§E2.43 定義 8.1 の意味で局所連結であり、§E2.43 命題 8.2 により各連結成分はV V V の開集合である。V V V 自身がC \mathbb C C の開集合なので、各連結成分はC \mathbb C C の開集合でもある。連結成分は定義により空でなく連結であるから、領域である。▨
定理 5.2. γ : [ a , b ] → C \gamma:[a,b]\to\mathbb C γ : [ a , b ] → C を区分的に一階連続微分可能な閉曲線、p ∉ ∣ γ ∣ p\notin|\gamma| p ∈ / ∣ γ ∣ とする。このときn ( γ , p ) n(\gamma,p) n ( γ , p ) は整数である。さらに、
φ ( t ) = ∫ a t γ ′ ( s ) γ ( s ) − p d s \varphi(t)=\int_{a}^{t}\frac{\gamma'(s)}{\gamma(s)-p}\,ds φ ( t ) = ∫ a t γ ( s ) − p γ ′ ( s ) d s とおくと、φ \varphi φ は連続でφ ( a ) = 0 \varphi(a)=0 φ ( a ) = 0 、e φ ( t ) = γ ( t ) − p γ ( a ) − p e^{\varphi(t)}=\dfrac{\gamma(t)-p}{\gamma(a)-p} e φ ( t ) = γ ( a ) − p γ ( t ) − p が[ a , b ] [a,b] [ a , b ] で成り立ち、n ( γ , p ) = φ ( b ) / ( 2 π i ) n(\gamma,p)=\varphi(b)/(2\pi i) n ( γ , p ) = φ ( b ) / ( 2 π i ) である。
証明. γ ′ / ( γ − p ) \gamma'/(\gamma-p) γ ′ / ( γ − p ) は§E5.4 定義 1.1 の意味で区分的に連続である。γ \gamma γ が一階連続微分可能である各小区間では、実部と虚部へ§D1.19 定理 1.1 を適用してφ ′ ( t ) = γ ′ ( t ) / ( γ ( t ) − p ) \varphi'(t)=\gamma'(t)/(\gamma(t)-p) φ ′ ( t ) = γ ′ ( t ) / ( γ ( t ) − p ) が成り立つ。φ \varphi φ が[ a , b ] [a,b] [ a , b ] の上で連続であることは、§E5.4 命題 1.2 と、区分的に連続な関数の積分が上端について連続であること(各小区間で§D1.19 定理 1.1 を用い、分点で値がつながることによる)から従う。
ψ ( t ) = e − φ ( t ) ( γ ( t ) − p ) \psi(t)=e^{-\varphi(t)}\bigl(\gamma(t)-p\bigr) ψ ( t ) = e − φ ( t ) ( γ ( t ) − p ) とおくと、その小区間の上で
ψ ′ ( t ) = e − φ ( t ) ( − φ ′ ( t ) ( γ ( t ) − p ) + γ ′ ( t ) ) = 0 \psi'(t)=e^{-\varphi(t)}\Bigl(-\varphi'(t)\bigl(\gamma(t)-p\bigr)+\gamma'(t)\Bigr)=0 ψ ′ ( t ) = e − φ ( t ) ( − φ ′ ( t ) ( γ ( t ) − p ) + γ ′ ( t ) ) = 0 である。ここで§E5.3 命題 1.8 と§E5.4 補題 4.1 を用いた。ψ \psi ψ は[ a , b ] [a,b] [ a , b ] の上で連続であり、各小区間の内部で導関数が0 0 0 である。ψ \psi ψ の実部と虚部それぞれへ§D1.14 系 4.1 を各小区間の内部で適用すると、ψ \psi ψ は各小区間の内部で定数であり、連続性から閉じた小区間でも定数である。分点で値がつながるのでψ \psi ψ は[ a , b ] [a,b] [ a , b ] の上で定数である。ψ ( a ) = γ ( a ) − p \psi(a)=\gamma(a)-p ψ ( a ) = γ ( a ) − p であるから
e φ ( t ) = γ ( t ) − p γ ( a ) − p e^{\varphi(t)}=\frac{\gamma(t)-p}{\gamma(a)-p} e φ ( t ) = γ ( a ) − p γ ( t ) − p を得る。γ \gamma γ は閉曲線であるからγ ( b ) = γ ( a ) \gamma(b)=\gamma(a) γ ( b ) = γ ( a ) であり、e φ ( b ) = 1 e^{\varphi(b)}=1 e φ ( b ) = 1 である。§E5.3 命題 1.7 によりφ ( b ) = 2 π i k \varphi(b)=2\pi ik φ ( b ) = 2 π ik を満たす整数k k k が存在する。n ( γ , p ) = φ ( b ) / ( 2 π i ) = k n(\gamma,p)=\varphi(b)/(2\pi i)=k n ( γ , p ) = φ ( b ) / ( 2 π i ) = k である。▨
系 5.3. 定理 5.2 の記号のもとで、θ ( t ) = Im φ ( t ) + θ 0 \theta(t)=\operatorname{Im}\varphi(t)+\theta_{0} θ ( t ) = Im φ ( t ) + θ 0 (θ 0 \theta_{0} θ 0 はγ ( a ) − p = ∣ γ ( a ) − p ∣ e i θ 0 \gamma(a)-p=|\gamma(a)-p|e^{i\theta_{0}} γ ( a ) − p = ∣ γ ( a ) − p ∣ e i θ 0 を満たす実数)とおくと、θ \theta θ は連続で
γ ( t ) − p = ∣ γ ( t ) − p ∣ e i θ ( t ) \gamma(t)-p=|\gamma(t)-p|\,e^{i\theta(t)} γ ( t ) − p = ∣ γ ( t ) − p ∣ e i θ ( t ) を満たし、n ( γ , p ) = θ ( b ) − θ ( a ) 2 π n(\gamma,p)=\dfrac{\theta(b)-\theta(a)}{2\pi} n ( γ , p ) = 2 π θ ( b ) − θ ( a ) が成り立つ。γ ( t ) − p \gamma(t)-p γ ( t ) − p の連続な偏角は実数の定数を加える違いを除いて一意であるから、この表示はθ \theta θ の取り方によらない。
証明. 定理 5.2 よりγ ( t ) − p = ( γ ( a ) − p ) e φ ( t ) \gamma(t)-p=(\gamma(a)-p)e^{\varphi(t)} γ ( t ) − p = ( γ ( a ) − p ) e φ ( t ) である。φ ( t ) = α ( t ) + i β ( t ) \varphi(t)=\alpha(t)+i\beta(t) φ ( t ) = α ( t ) + i β ( t ) と書くと
γ ( t ) − p = ∣ γ ( a ) − p ∣ e α ( t ) e i ( θ 0 + β ( t ) ) \gamma(t)-p=|\gamma(a)-p|\,e^{\alpha(t)}\,e^{i(\theta_{0}+\beta(t))} γ ( t ) − p = ∣ γ ( a ) − p ∣ e α ( t ) e i ( θ 0 + β ( t )) であり、∣ γ ( t ) − p ∣ = ∣ γ ( a ) − p ∣ e α ( t ) |\gamma(t)-p|=|\gamma(a)-p|e^{\alpha(t)} ∣ γ ( t ) − p ∣ = ∣ γ ( a ) − p ∣ e α ( t ) (§E5.3 命題 1.7 )であるから主張の表示を得る。θ ( b ) − θ ( a ) = β ( b ) = Im φ ( b ) \theta(b)-\theta(a)=\beta(b)=\operatorname{Im}\varphi(b) θ ( b ) − θ ( a ) = β ( b ) = Im φ ( b ) であり、φ ( b ) = 2 π i n ( γ , p ) \varphi(b)=2\pi i\,n(\gamma,p) φ ( b ) = 2 π i n ( γ , p ) は純虚数であるからθ ( b ) − θ ( a ) = 2 π n ( γ , p ) \theta(b)-\theta(a)=2\pi\,n(\gamma,p) θ ( b ) − θ ( a ) = 2 π n ( γ , p ) である。
一意性を示す。θ \theta θ とθ ~ \tilde\theta θ ~ がともに連続で上の表示を満たすとすると、e i ( θ ( t ) − θ ~ ( t ) ) = 1 e^{i(\theta(t)-\tilde\theta(t))}=1 e i ( θ ( t ) − θ ~ ( t )) = 1 であるから§E5.3 命題 1.7 によりg ( t ) = ( θ ( t ) − θ ~ ( t ) ) / ( 2 π ) g(t)=(\theta(t)-\tilde\theta(t))/(2\pi) g ( t ) = ( θ ( t ) − θ ~ ( t )) / ( 2 π ) は[ a , b ] [a,b] [ a , b ] の上の整数値をとる実連続関数である。g g g が二つの相異なる値g ( t 1 ) ≠ g ( t 2 ) g(t_{1})\ne g(t_{2}) g ( t 1 ) = g ( t 2 ) をとるとすると、その間には整数でない実数c c c があり、中間値の定理(g − c g-c g − c へ§D1.12 定理 1.1 を適用する)によりg ( t 3 ) = c g(t_{3})=c g ( t 3 ) = c を満たすt 3 t_{3} t 3 が存在して、g g g が整数値をとることに反する。ゆえにg g g は定数である。▨
命題 5.4. Γ \Gamma Γ をサイクルとする。p ↦ n ( Γ , p ) p\mapsto n(\Gamma,p) p ↦ n ( Γ , p ) はC ∖ ∣ Γ ∣ \mathbb C\setminus|\Gamma| C ∖ ∣Γ∣ の上で局所的に定数であり、したがってC ∖ ∣ Γ ∣ \mathbb C\setminus|\Gamma| C ∖ ∣Γ∣ の各連結成分の上で定数である。さらに、C ∖ ∣ Γ ∣ \mathbb C\setminus|\Gamma| C ∖ ∣Γ∣ の非有界成分の上でn ( Γ , p ) = 0 n(\Gamma,p)=0 n ( Γ , p ) = 0 である。
証明. Γ = 0 \Gamma=0 Γ = 0 ならば∣ Γ ∣ = ∅ |\Gamma|=\varnothing ∣Γ∣ = ∅ であり、回転数は空和として全平面で0 0 0 であるから、すべての主張は成り立つ。以下ではΓ ≠ 0 \Gamma\ne0 Γ = 0 とする。
∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ は有限個のコンパクトな曲線像の和であるからコンパクトである。p 0 ∉ ∣ Γ ∣ p_{0}\notin|\Gamma| p 0 ∈ / ∣Γ∣ とする。連続関数z ↦ ∣ z − p 0 ∣ z\mapsto|z-p_0| z ↦ ∣ z − p 0 ∣ は§E2.19 定理 4.4 により∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ 上で正の最小値を取るので、2 ρ = dist ( p 0 , ∣ Γ ∣ ) > 0 2\rho=\operatorname{dist}(p_{0},|\Gamma|)>0 2 ρ = dist ( p 0 , ∣Γ∣ ) > 0 とおくことができる。∣ p − p 0 ∣ < ρ |p-p_{0}|<\rho ∣ p − p 0 ∣ < ρ のとき、∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ の上で∣ z − p ∣ ≥ ρ |z-p|\ge\rho ∣ z − p ∣ ≥ ρ かつ∣ z − p 0 ∣ ≥ 2 ρ |z-p_{0}|\ge2\rho ∣ z − p 0 ∣ ≥ 2 ρ であるから
∣ 1 z − p − 1 z − p 0 ∣ = ∣ p − p 0 ∣ ∣ z − p ∣ ∣ z − p 0 ∣ ≤ ∣ p − p 0 ∣ 2 ρ 2 \left|\frac{1}{z-p}-\frac{1}{z-p_{0}}\right|=\frac{|p-p_{0}|}{|z-p||z-p_{0}|}
\le\frac{|p-p_{0}|}{2\rho^{2}} z − p 1 − z − p 0 1 = ∣ z − p ∣∣ z − p 0 ∣ ∣ p − p 0 ∣ ≤ 2 ρ 2 ∣ p − p 0 ∣ である。Γ = ∑ j n j γ j \Gamma=\sum_{j}n_{j}\gamma_{j} Γ = ∑ j n j γ j の各曲線の長さの和をΛ \Lambda Λ 、係数の絶対値の最大をN N N とすると、ML 不等式(§E5.4 命題 3.2 )により
∣ n ( Γ , p ) − n ( Γ , p 0 ) ∣ ≤ 1 2 π ⋅ N Λ ⋅ ∣ p − p 0 ∣ 2 ρ 2 |n(\Gamma,p)-n(\Gamma,p_{0})|\le\frac{1}{2\pi}\cdot N\Lambda\cdot\frac{|p-p_{0}|}{2\rho^{2}} ∣ n ( Γ , p ) − n ( Γ , p 0 ) ∣ ≤ 2 π 1 ⋅ N Λ ⋅ 2 ρ 2 ∣ p − p 0 ∣ である。右辺はp → p 0 p\to p_{0} p → p 0 で0 0 0 へ収束するので、∣ p − p 0 ∣ |p-p_{0}| ∣ p − p 0 ∣ を十分小さく取れば左辺は1 1 1 未満である。n ( Γ , ⋅ ) n(\Gamma,\cdot) n ( Γ , ⋅ ) は整数値をとる(定理 5.2 と定義の線形性)ので、その近傍で定数である。補題 5.1 によりC ∖ ∣ Γ ∣ \mathbb C\setminus|\Gamma| C ∖ ∣Γ∣ の各連結成分は領域であるから、§E5.1 命題 1.5 を各成分へ適用すると、その成分の上で定数である。
非有界成分を考える。∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ は有界であるから、∣ p ∣ |p| ∣ p ∣ が十分大きければ∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ の上で∣ z − p ∣ ≥ ∣ p ∣ − max z ∈ ∣ Γ ∣ ∣ z ∣ |z-p|\ge|p|-\max_{z\in|\Gamma|}|z| ∣ z − p ∣ ≥ ∣ p ∣ − max z ∈ ∣Γ∣ ∣ z ∣ は任意に大きくなる。ML 不等式により∣ n ( Γ , p ) ∣ |n(\Gamma,p)| ∣ n ( Γ , p ) ∣ は∣ p ∣ → ∞ |p|\to\infty ∣ p ∣ → ∞ で0 0 0 へ収束し、整数値であるから、∣ p ∣ |p| ∣ p ∣ が十分大きいところで0 0 0 である。非有界成分は連結であり、そのような点を含むので、成分全体で0 0 0 である。▨
長方形の境界の回転数を計算するために、逆正接についての次の等式を用いる。
補題 5.5. u > 0 u>0 u > 0 について
arctan u + arctan 1 u = π 2 \arctan u+\arctan\frac1u=\frac{\pi}{2} arctan u + arctan u 1 = 2 π が成り立つ。また、すべての実数t t t についてarctan ( − t ) = − arctan t \arctan(-t)=-\arctan t arctan ( − t ) = − arctan t が成り立つ。
証明. ϑ = arctan u \vartheta=\arctan u ϑ = arctan u とおくと、u > 0 u>0 u > 0 とarctan \arctan arctan の値域からϑ ∈ ( 0 , π / 2 ) \vartheta\in(0,\pi/2) ϑ ∈ ( 0 , π /2 ) であり、tan ϑ = u \tan\vartheta=u tan ϑ = u である。したがってπ / 2 − ϑ ∈ ( 0 , π / 2 ) \pi/2-\vartheta\in(0,\pi/2) π /2 − ϑ ∈ ( 0 , π /2 ) である。加法定理(§D1.24 定理 2.1 )とcos ( π / 2 ) = 0 \cos(\pi/2)=0 cos ( π /2 ) = 0 、sin ( π / 2 ) = 1 \sin(\pi/2)=1 sin ( π /2 ) = 1 (§D1.24 補題 4.1 と§D1.24 定義 4.2 )により
cos ( π 2 − ϑ ) = sin ϑ , sin ( π 2 − ϑ ) = cos ϑ \cos\Bigl(\frac{\pi}{2}-\vartheta\Bigr)=\sin\vartheta,\qquad
\sin\Bigl(\frac{\pi}{2}-\vartheta\Bigr)=\cos\vartheta cos ( 2 π − ϑ ) = sin ϑ , sin ( 2 π − ϑ ) = cos ϑ である。ϑ ∈ ( 0 , π / 2 ) \vartheta\in(0,\pi/2) ϑ ∈ ( 0 , π /2 ) ではsin ϑ > 0 \sin\vartheta>0 sin ϑ > 0 かつcos ϑ > 0 \cos\vartheta>0 cos ϑ > 0 であるから
tan ( π 2 − ϑ ) = cos ϑ sin ϑ = 1 u \tan\Bigl(\frac{\pi}{2}-\vartheta\Bigr)=\frac{\cos\vartheta}{\sin\vartheta}=\frac1u tan ( 2 π − ϑ ) = sin ϑ cos ϑ = u 1 である。π / 2 − ϑ \pi/2-\vartheta π /2 − ϑ は( − π / 2 , π / 2 ) (-\pi/2,\pi/2) ( − π /2 , π /2 ) に属するので、arctan \arctan arctan がtan \tan tan の同区間への制限の逆関数であること(§D1.24 定義 4.4 )によりarctan ( 1 / u ) = π / 2 − ϑ \arctan(1/u)=\pi/2-\vartheta arctan ( 1/ u ) = π /2 − ϑ である。
次に奇関数性を示す。ϑ = arctan t \vartheta=\arctan t ϑ = arctan t とおくとϑ ∈ ( − π / 2 , π / 2 ) \vartheta\in(-\pi/2,\pi/2) ϑ ∈ ( − π /2 , π /2 ) かつtan ϑ = t \tan\vartheta=t tan ϑ = t である。正弦が奇関数、余弦が偶関数であること(§D1.24 系 2.2 )からtan ( − ϑ ) = − t \tan(-\vartheta)=-t tan ( − ϑ ) = − t であり、− ϑ ∈ ( − π / 2 , π / 2 ) -\vartheta\in(-\pi/2,\pi/2) − ϑ ∈ ( − π /2 , π /2 ) であるからarctan ( − t ) = − ϑ = − arctan t \arctan(-t)=-\vartheta=-\arctan t arctan ( − t ) = − ϑ = − arctan t である。▨
命題 5.6.
C C C を中心a a a 、半径r > 0 r>0 r > 0 の反時計回りの円周とすると、∣ p − a ∣ < r |p-a|<r ∣ p − a ∣ < r ならばn ( C , p ) = 1 n(C,p)=1 n ( C , p ) = 1 、∣ p − a ∣ > r |p-a|>r ∣ p − a ∣ > r ならばn ( C , p ) = 0 n(C,p)=0 n ( C , p ) = 0 である。
R R R を辺が座標軸に平行な閉長方形、∂ R \partial R ∂ R を正の向きの境界とすると、p p p がR R R の内部にあるならばn ( ∂ R , p ) = 1 n(\partial R,p)=1 n ( ∂ R , p ) = 1 、p ∉ R p\notin R p ∈ / R ならばn ( ∂ R , p ) = 0 n(\partial R,p)=0 n ( ∂ R , p ) = 0 である。
証明. 外側の主張を先に示す。K K K を閉円板{ ∣ z − a ∣ ≤ r } \{|z-a|\le r\} { ∣ z − a ∣ ≤ r } または閉長方形R R R とし、p ∉ K p\notin K p ∈ / K とする。K K K は有界な閉凸集合であるから、K K K を含みp p p を含まない開半平面V V V が存在する。円板の場合はp p p とa a a を結ぶ直線に垂直な直線で分ければよく、長方形の場合はp p p の座標がR R R の座標の範囲を外れる向きに半平面を取ればよい。V V V は凸であるから星形であり、w ↦ 1 / ( w − p ) w\mapsto1/(w-p) w ↦ 1/ ( w − p ) はV V V の上で正則である。定理 4.1 により原始関数が存在するので、V V V に含まれる閉曲線∂ K \partial K ∂ K に沿う積分は§E5.4 定理 4.2 により0 0 0 である。
(1) の内側の主張を示す。まずp = a p=a p = a の場合は、§E5.4 例 3.3 と同じ計算により
∮ C d z z − a = ∫ 0 2 π i r e i θ r e i θ d θ = 2 π i \oint_{C}\frac{dz}{z-a}=\int_{0}^{2\pi}\frac{ire^{i\theta}}{re^{i\theta}}\,d\theta=2\pi i ∮ C z − a d z = ∫ 0 2 π r e i θ i r e i θ d θ = 2 π i であるからn ( C , a ) = 1 n(C,a)=1 n ( C , a ) = 1 である。開円板{ ∣ z − a ∣ < r } \{|z-a|<r\} { ∣ z − a ∣ < r } は連結であり∣ C ∣ |C| ∣ C ∣ と交わらないから、命題 5.4 によりn ( C , ⋅ ) n(C,\cdot) n ( C , ⋅ ) はその上で定数1 1 1 である。
(2) の内側の主張を示す。R = [ x 1 , x 2 ] × [ y 1 , y 2 ] R=[x_{1},x_{2}]\times[y_{1},y_{2}] R = [ x 1 , x 2 ] × [ y 1 , y 2 ] とし、p p p を原点へ平行移動してx 1 < 0 < x 2 x_{1}<0<x_{2} x 1 < 0 < x 2 、y 1 < 0 < y 2 y_{1}<0<y_{2} y 1 < 0 < y 2 、p = 0 p=0 p = 0 としてよい。∂ R \partial R ∂ R を、角( x 2 , y 1 ) (x_{2},y_{1}) ( x 2 , y 1 ) から出発して右辺を上へ、上辺を左へ、左辺を下へ、下辺を右へたどる向きで一周する。系 5.3 により、n ( ∂ R , 0 ) n(\partial R,0) n ( ∂ R , 0 ) はz z z の連続な偏角の総変化を2 π 2\pi 2 π で割ったものである。
各辺を含む半平面上で、主値の偏角(§E5.3 定義 2.7 )を回転して次の偏角を取る。
辺
連続な偏角
始点での値
終点での値
右辺
Arg w \operatorname{Arg}w Arg w
arctan ( y 1 / x 2 ) \arctan(y_1/x_2) arctan ( y 1 / x 2 )
arctan ( y 2 / x 2 ) \arctan(y_2/x_2) arctan ( y 2 / x 2 )
上辺
Arg ( − i w ) + π / 2 \operatorname{Arg}(-iw)+\pi/2 Arg ( − i w ) + π /2
arctan ( y 2 / x 2 ) \arctan(y_2/x_2) arctan ( y 2 / x 2 )
π − arctan ( y 2 / ( − x 1 ) ) \pi-\arctan(y_2/(-x_1)) π − arctan ( y 2 / ( − x 1 ))
左辺
Arg ( − w ) + π \operatorname{Arg}(-w)+\pi Arg ( − w ) + π
π − arctan ( y 2 / ( − x 1 ) ) \pi-\arctan(y_2/(-x_1)) π − arctan ( y 2 / ( − x 1 ))
π + arctan ( y 1 / x 1 ) \pi+\arctan(y_1/x_1) π + arctan ( y 1 / x 1 )
下辺
Arg ( i w ) + 3 π / 2 \operatorname{Arg}(iw)+3\pi/2 Arg ( i w ) + 3 π /2
π + arctan ( y 1 / x 1 ) \pi+\arctan(y_1/x_1) π + arctan ( y 1 / x 1 )
2 π + arctan ( y 1 / x 2 ) 2\pi+\arctan(y_1/x_2) 2 π + arctan ( y 1 / x 2 )
§E5.3 定理 1.4 により、各表示はe i θ = w / ∣ w ∣ e^{i\theta}=w/|w| e i θ = w /∣ w ∣ を満たす。§E5.3 命題 2.10 の証明にある右半平面での逆正接表示を各回転へ適用し、補題 5.5 を各頂点の正の座標比へ用いると、表の値を得る。隣接する二辺の値は各頂点で一致するので、四つの偏角は∂ R \partial R ∂ R 上の一つの連続な偏角になる。一周後の値は始点より2 π 2\pi 2 π だけ大きい。連続な偏角の総変化は
( 2 π + arctan y 1 x 2 ) − arctan y 1 x 2 = 2 π \Bigl(2\pi+\arctan\frac{y_{1}}{x_{2}}\Bigr)-\arctan\frac{y_{1}}{x_{2}}=2\pi ( 2 π + arctan x 2 y 1 ) − arctan x 2 y 1 = 2 π であり、n ( ∂ R , 0 ) = 1 n(\partial R,0)=1 n ( ∂ R , 0 ) = 1 である。▨
6 Cauchy–Goursat の一般形
補題 6.1. U ⊆ C U\subseteq\mathbb C U ⊆ C を開集合、Γ \Gamma Γ を∣ Γ ∣ ⊆ U |\Gamma|\subseteq U ∣Γ∣ ⊆ U を満たすサイクルとする。このとき、辺が座標軸に平行な線分だけからなるサイクルσ \sigma σ で∣ σ ∣ ⊆ U |\sigma|\subseteq U ∣ σ ∣ ⊆ U を満たすものが存在し、U U U の上で正則なすべての関数g g g について
∫ Γ g ( z ) d z = ∫ σ g ( z ) d z \int_{\Gamma}g(z)\,dz=\int_{\sigma}g(z)\,dz ∫ Γ g ( z ) d z = ∫ σ g ( z ) d z が成り立つ。とくにp ∉ U p\notin U p ∈ / U についてn ( Γ , p ) = n ( σ , p ) n(\Gamma,p)=n(\sigma,p) n ( Γ , p ) = n ( σ , p ) である。
証明. Γ = 0 \Gamma=0 Γ = 0 ならばσ = 0 \sigma=0 σ = 0 と取れば、台の包含、すべての正則関数に対する積分の等式、および回転数の等式は空和の定義から成り立つ。以下ではΓ ≠ 0 \Gamma\ne0 Γ = 0 とする。
Γ = ∑ j n j γ j \Gamma=\sum_{j}n_{j}\gamma_{j} Γ = ∑ j n j γ j と書く。各定義区間は§E2.9 定理 4.3 によりコンパクトなので、§E2.19 定理 4.2 により各∣ γ j ∣ |\gamma_j| ∣ γ j ∣ はコンパクトである。有限和∣ Γ ∣ = ⋃ j ∣ γ j ∣ |\Gamma|=\bigcup_j|\gamma_j| ∣Γ∣ = ⋃ j ∣ γ j ∣ もコンパクトであり、§E2.9 系 4.1 により有界な閉集合である。
U = C U=\mathbb C U = C のときはδ = 1 \delta=1 δ = 1 とし、そうでないときはδ = dist ( ∣ Γ ∣ , C ∖ U ) \delta=\operatorname{dist}(|\Gamma|,\mathbb C\setminus U) δ = dist ( ∣Γ∣ , C ∖ U ) とおく。後者でδ > 0 \delta>0 δ > 0 であることを示す。各w ∈ ∣ Γ ∣ w\in|\Gamma| w ∈ ∣Γ∣ についてw ∈ U w\in U w ∈ U でありU U U は開集合であるから、B ( w , 2 r w ) ⊆ U B(w,2r_{w})\subseteq U B ( w , 2 r w ) ⊆ U を満たすr w > 0 r_{w}>0 r w > 0 が存在する。開球B ( w , r w ) B(w,r_{w}) B ( w , r w ) の全体は∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ を覆うから、コンパクト性と§E2.19 命題 2.6 により有限個B ( w 1 , r w 1 ) , … , B ( w M , r w M ) B(w_{1},r_{w_{1}}),\ldots,B(w_{M},r_{w_{M}}) B ( w 1 , r w 1 ) , … , B ( w M , r w M ) で覆うことができる。δ 0 = min k r w k > 0 \delta_{0}=\min_{k}r_{w_{k}}>0 δ 0 = min k r w k > 0 とおくと、ζ ∈ ∣ Γ ∣ \zeta\in|\Gamma| ζ ∈ ∣Γ∣ に対してζ ∈ B ( w k , r w k ) \zeta\in B(w_{k},r_{w_{k}}) ζ ∈ B ( w k , r w k ) となるk k k を取ればB ( ζ , δ 0 ) ⊆ B ( w k , 2 r w k ) ⊆ U B(\zeta,\delta_{0})\subseteq B(w_{k},2r_{w_{k}})\subseteq U B ( ζ , δ 0 ) ⊆ B ( w k , 2 r w k ) ⊆ U である。ゆえに∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ の各点からC ∖ U \mathbb C\setminus U C ∖ U までの距離はδ 0 \delta_{0} δ 0 以上であり、δ ≥ δ 0 > 0 \delta\ge\delta_{0}>0 δ ≥ δ 0 > 0 である。
Γ \Gamma Γ を構成する閉曲線γ : [ a , b ] → U \gamma:[a,b]\to U γ : [ a , b ] → U を一つ取る。γ \gamma γ の実部と虚部へ§D1.15 定理 3.1 を適用すると、γ \gamma γ は一様連続である。したがって分割a = t 0 < t 1 < ⋯ < t N = b a=t_{0}<t_{1}<\cdots<t_{N}=b a = t 0 < t 1 < ⋯ < t N = b を、各j j j について
t ∈ [ t j − 1 , t j ] ⟹ ∣ γ ( t ) − γ ( t j − 1 ) ∣ < δ 4 t\in[t_{j-1},t_{j}]\ \Longrightarrow\ |\gamma(t)-\gamma(t_{j-1})|<\frac{\delta}{4} t ∈ [ t j − 1 , t j ] ⟹ ∣ γ ( t ) − γ ( t j − 1 ) ∣ < 4 δ となるように取ることができる。c j = γ ( t j − 1 ) c_{j}=\gamma(t_{j-1}) c j = γ ( t j − 1 ) とおくと、D ( c j , δ ) ⊆ U D(c_{j},\delta)\subseteq U D ( c j , δ ) ⊆ U であり、弧γ ∣ [ t j − 1 , t j ] \gamma|_{[t_{j-1},t_{j}]} γ ∣ [ t j − 1 , t j ] はD ( c j , δ / 4 ) D(c_{j},\delta/4) D ( c j , δ /4 ) に含まれる。
c j c_{j} c j からγ ( t j ) \gamma(t_{j}) γ ( t j ) へ実軸方向、次に虚軸方向へ進む二線分の折れ線L j L_{j} L j を取る。二点の実部または虚部が等しく、対応する線分の長さが0 0 0 になる場合には、その線分をL j L_j L j から省く。両方の線分の長さが0 0 0 になる場合には、L j L_j L j を点c j c_j c j における定値曲線とみなす。折れ点はRe γ ( t j ) + i Im c j \operatorname{Re}\gamma(t_{j})+i\operatorname{Im}c_{j} Re γ ( t j ) + i Im c j である。L j L_{j} L j の各点は、実部がRe c j \operatorname{Re}c_{j} Re c j とRe γ ( t j ) \operatorname{Re}\gamma(t_{j}) Re γ ( t j ) の間、虚部がIm c j \operatorname{Im}c_{j} Im c j とIm γ ( t j ) \operatorname{Im}\gamma(t_{j}) Im γ ( t j ) の間にある。∣ γ ( t j ) − c j ∣ < δ / 4 |\gamma(t_{j})-c_{j}|<\delta/4 ∣ γ ( t j ) − c j ∣ < δ /4 より、実部と虚部の差はどちらも絶対値がδ / 4 \delta/4 δ /4 未満であるから、L j L_{j} L j の各点w w w について
∣ w − c j ∣ ≤ ( δ / 4 ) 2 + ( δ / 4 ) 2 < δ 2 |w-c_{j}|\le\sqrt{(\delta/4)^{2}+(\delta/4)^{2}}<\frac{\delta}{2} ∣ w − c j ∣ ≤ ( δ /4 ) 2 + ( δ /4 ) 2 < 2 δ である。ゆえにL j ⊆ D ( c j , δ ) L_{j}\subseteq D(c_{j},\delta) L j ⊆ D ( c j , δ ) である。
D ( c j , δ ) D(c_{j},\delta) D ( c j , δ ) は凸であるから星形であり、g g g がU U U の上で正則ならば定理 4.1 によりg g g はD ( c j , δ ) D(c_{j},\delta) D ( c j , δ ) の上で原始関数F j F_{j} F j をもつ。弧と折れ線はどちらもD ( c j , δ ) D(c_{j},\delta) D ( c j , δ ) に含まれ、始点と終点を共有するので、§E5.4 定理 4.2 により
∫ γ ∣ [ t j − 1 , t j ] g = F j ( γ ( t j ) ) − F j ( c j ) = ∫ L j g \int_{\gamma|_{[t_{j-1},t_{j}]}}g=F_{j}(\gamma(t_{j}))-F_{j}(c_{j})=\int_{L_{j}}g ∫ γ ∣ [ t j − 1 , t j ] g = F j ( γ ( t j )) − F j ( c j ) = ∫ L j g である。j j j について加え、長さが0 0 0 の線分をすべて省いてから§E5.4 命題 2.6 を用いる。非退化な線分が残らない場合はσ γ = 0 \sigma_{\gamma}=0 σ γ = 0 とし、残る場合はそれらをつないだ閉じた折れ線をσ γ \sigma_{\gamma} σ γ とする。どちらの場合も∫ γ g = ∫ σ γ g \int_{\gamma}g=\int_{\sigma_{\gamma}}g ∫ γ g = ∫ σ γ g を得る。σ γ \sigma_{\gamma} σ γ が閉じているのは、γ ( t N ) = γ ( t 0 ) \gamma(t_{N})=\gamma(t_{0}) γ ( t N ) = γ ( t 0 ) だからである。
Γ \Gamma Γ の各閉曲線についてこの操作を行い、同じ整数係数を与えたものをσ \sigma σ とすると、∣ σ ∣ ⊆ U |\sigma|\subseteq U ∣ σ ∣ ⊆ U であり、U U U の上で正則なすべてのg g g について∫ Γ g = ∫ σ g \int_{\Gamma}g=\int_{\sigma}g ∫ Γ g = ∫ σ g が成り立つ。p ∉ U p\notin U p ∈ / U のときz ↦ 1 / ( z − p ) z\mapsto1/(z-p) z ↦ 1/ ( z − p ) はU U U の上で正則であるから、回転数についての主張も従う。▨
定義 6.2. 辺が座標軸に平行な有限折れ線サイクルσ \sigma σ を取る。σ \sigma σ の線分がのる水平線と垂直線、およびそれらの端点を通る水平線と垂直線を全て集める。次に、∣ σ ∣ |\sigma| ∣ σ ∣ を含む開長方形W = ( a 0 , b 0 ) × ( c 0 , d 0 ) W=(a_{0},b_{0})\times(c_{0},d_{0}) W = ( a 0 , b 0 ) × ( c 0 , d 0 ) を一つ取り、W W W の左側と右側に垂直線を二本ずつ、W W W の下側と上側に水平線を二本ずつ加える。こうして得た有限個の水平線y = c 1 < ⋯ < c M y=c_{1}<\cdots<c_{M} y = c 1 < ⋯ < c M と垂直線x = d 1 < ⋯ < d L x=d_{1}<\cdots<d_{L} x = d 1 < ⋯ < d L からなる図形を格子 (grid ) と呼ぶ。したがってd 1 < d 2 < a 0 d_{1}<d_{2}<a_{0} d 1 < d 2 < a 0 、b 0 < d L − 1 < d L b_{0}<d_{L-1}<d_{L} b 0 < d L − 1 < d L 、c 1 < c 2 < c 0 c_{1}<c_{2}<c_{0} c 1 < c 2 < c 0 、d 0 < c M − 1 < c M d_{0}<c_{M-1}<c_{M} d 0 < c M − 1 < c M である。この格子は平面を、有限個の有界な開長方形(セル (cell ) )と、有限個の非有界な部分へ分ける。二つの格子線の交点で区切られた線分を格子の辺 (edge ) といい、垂直な辺には上向き、水平な辺には右向きの向きを与えて有向辺 (oriented edge ) という。有向辺は有限個である。
構成により次の二つが成り立つ。第一に、σ \sigma σ の各線分は有向辺の和である。第二に、∣ σ ∣ ⊆ W |\sigma|\subseteq W ∣ σ ∣ ⊆ W であるから、σ \sigma σ の線分がのる格子線はd 2 , … , d L − 1 d_{2},\ldots,d_{L-1} d 2 , … , d L − 1 とc 2 , … , c M − 1 c_{2},\ldots,c_{M-1} c 2 , … , c M − 1 のいずれかである。垂直線d j d_{j} d j (1 < j < L 1<j<L 1 < j < L )の上の有向辺は、左右に( d j − 1 , d j ) (d_{j-1},d_{j}) ( d j − 1 , d j ) と( d j , d j + 1 ) (d_{j},d_{j+1}) ( d j , d j + 1 ) をx x x の範囲とする有界なセルをもち、水平線についても同様であるから、σ \sigma σ の線分に含まれる各有向辺は両側に有界なセルをもつ。
さらに、最外周の一列のセル、すなわちd 1 d_{1} d 1 、d L d_{L} d L 、c 1 c_{1} c 1 、c M c_{M} c M のいずれかの上に辺をもつセルについて、次が成り立つ。そのようなセルは、x < a 0 x<a_{0} x < a 0 、x > b 0 x>b_{0} x > b 0 、y < c 0 y<c_{0} y < c 0 、y > d 0 y>d_{0} y > d 0 のいずれかの開半平面に含まれる。これらの半平面はW W W と交わらないので∣ σ ∣ |\sigma| ∣ σ ∣ とも交わらず、凸であるから§E5.1 命題 1.4 により連結であり、また非有界である。連結な部分集合はC ∖ ∣ σ ∣ \mathbb C\setminus|\sigma| C ∖ ∣ σ ∣ の一つの連結成分に含まれ、非有界であるからその成分は非有界である。ゆえに命題 5.4 により、これらの半平面の上でn ( σ , ⋅ ) = 0 n(\sigma,\cdot)=0 n ( σ , ⋅ ) = 0 である。
サイクルΓ = ∑ j n j γ j \Gamma=\sum_{j}n_{j}\gamma_{j} Γ = ∑ j n j γ j が上の格子について有向辺による表示をもつ (admit an oriented-edge presentation ) とは、各j j j についてγ j \gamma_{j} γ j の定義域の分割が与えられ、各小区間へのγ j \gamma_{j} γ j の制限が、一つの有向辺を、その向きまたは逆向きに狭義単調に一度たどる曲線であることをいう。ここで狭義単調とは、その有向辺の一次のパラメータ表示に対して、パラメータが小区間の上で狭義単調な関数になることをいう。本記事で構成する表示は、いずれも線分のアフィンなパラメータ表示によるので、この条件を満たす。
このとき、各有向辺e e e について、γ j \gamma_{j} γ j がe e e を与えられた向きにたどる小区間の個数から逆向きにたどる小区間の個数を引いた整数をk j , e k_{j,e} k j , e と書き、
μ e ( Γ ) = ∑ j n j k j , e \mu_{e}(\Gamma)=\sum_{j}n_{j}\,k_{j,e} μ e ( Γ ) = j ∑ n j k j , e を Γ \Gamma Γ のe e e における重み (weight ofΓ \Gamma Γ ate e e ) という。表示に現れない有向辺についてはμ e ( Γ ) = 0 \mu_{e}(\Gamma)=0 μ e ( Γ ) = 0 である。同じ閉曲線に付いた係数をまとめる操作、零係数の項の除去、および分割点の追加はμ e ( Γ ) \mu_{e}(\Gamma) μ e ( Γ ) を変えない。したがって重みは、形式和の項の順序や零係数を含む表示には依存しない。定義から、二つのサイクルの和と符号の反転について
μ e ( Γ 1 + Γ 2 ) = μ e ( Γ 1 ) + μ e ( Γ 2 ) , μ e ( − Γ ) = − μ e ( Γ ) \mu_{e}(\Gamma_{1}+\Gamma_{2})=\mu_{e}(\Gamma_{1})+\mu_{e}(\Gamma_{2}),\qquad
\mu_{e}(-\Gamma)=-\mu_{e}(\Gamma) μ e ( Γ 1 + Γ 2 ) = μ e ( Γ 1 ) + μ e ( Γ 2 ) , μ e ( − Γ ) = − μ e ( Γ ) が成り立つ。ここで和は、二つの表示を並べたものを表示とする。
E ( Γ ) = ⋃ e : μ e ( Γ ) ≠ 0 e E(\Gamma)=\bigcup_{e:\,\mu_{e}(\Gamma)\ne0}e E ( Γ ) = e : μ e ( Γ ) = 0 ⋃ e を Γ \Gamma Γ の正味の台 (net support ofΓ \Gamma Γ ) という。右辺の添字集合が空ならばE ( Γ ) = ∅ E(\Gamma)=\varnothing E ( Γ ) = ∅ とする。正味の台は∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ に含まれるが、一致するとは限らない。
補題 6.3. Γ \Gamma Γ を有向辺による表示をもつサイクルとし、g g g を∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ の上の連続関数とする。このとき
∫ Γ g ( z ) d z = ∑ e μ e ( Γ ) ∫ e g ( z ) d z \int_{\Gamma}g(z)\,dz=\sum_{e}\mu_{e}(\Gamma)\int_{e}g(z)\,dz ∫ Γ g ( z ) d z = e ∑ μ e ( Γ ) ∫ e g ( z ) d z が成り立つ。ここで∫ e \int_{e} ∫ e は、有向辺e e e をその向きに一定の速さでたどる曲線に沿う積分である。
証明. γ j \gamma_{j} γ j の表示の分割をt 0 < ⋯ < t r t_{0}<\cdots<t_{r} t 0 < ⋯ < t r とする。§E5.4 命題 2.6 により∫ γ j g = ∑ l ∫ γ j ∣ [ t l − 1 , t l ] g \int_{\gamma_{j}}g=\sum_{l}\int_{\gamma_{j}|_{[t_{l-1},t_{l}]}}g ∫ γ j g = ∑ l ∫ γ j ∣ [ t l − 1 , t l ] g である。各小区間への制限は、ある有向辺e e e をその向きに狭義単調にたどる曲線であるか、逆向きに狭義単調にたどる曲線である。前者の場合、その制限曲線はe e e の標準の径数表示の、狭義単調増加な全単射による再パラメータ化であるから§E5.4 命題 2.5 (1) により積分は∫ e g \int_{e}g ∫ e g に等しい。後者の場合、§E5.4 命題 2.5 (2) により積分は− ∫ e g -\int_{e}g − ∫ e g に等しい。e e e ごとにまとめると∫ γ j g = ∑ e k j , e ∫ e g \int_{\gamma_{j}}g=\sum_{e}k_{j,e}\int_{e}g ∫ γ j g = ∑ e k j , e ∫ e g であり、n j n_{j} n j を掛けてj j j について加えると主張を得る。▨
補題 6.4. Γ \Gamma Γ を有向辺による表示をもつサイクルとし、p ∈ C ∖ E ( Γ ) p\in\mathbb C\setminus E(\Gamma) p ∈ C ∖ E ( Γ ) に対して
N Γ ( p ) = 1 2 π i ∑ e : μ e ( Γ ) ≠ 0 μ e ( Γ ) ∫ e d z z − p N_{\Gamma}(p)=\frac{1}{2\pi i}\sum_{e:\,\mu_{e}(\Gamma)\ne0}\mu_{e}(\Gamma)\int_{e}\frac{dz}{z-p} N Γ ( p ) = 2 π i 1 e : μ e ( Γ ) = 0 ∑ μ e ( Γ ) ∫ e z − p d z と定める。和は重みが0 0 0 でない有向辺だけにわたる。E ( Γ ) = ∅ E(\Gamma)=\varnothing E ( Γ ) = ∅ ならば右辺は空和であり、N Γ N_{\Gamma} N Γ は全平面で0 0 0 である。重みが0 0 0 の辺を加えても値は変わらないが、p p p がその辺の上にある場合には積分が定まらないので、和の範囲をこのように限る。このとき次が成り立つ。
N Γ N_{\Gamma} N Γ はC ∖ E ( Γ ) \mathbb C\setminus E(\Gamma) C ∖ E ( Γ ) の上で定まり、連続である。
p ∉ ∣ Γ ∣ p\notin|\Gamma| p ∈ / ∣Γ∣ ならばN Γ ( p ) = n ( Γ , p ) N_{\Gamma}(p)=n(\Gamma,p) N Γ ( p ) = n ( Γ , p ) である。
N Γ N_{\Gamma} N Γ はC ∖ E ( Γ ) \mathbb C\setminus E(\Gamma) C ∖ E ( Γ ) の上で整数値をとり、局所的に定数である。
N Γ 1 + Γ 2 = N Γ 1 + N Γ 2 N_{\Gamma_{1}+\Gamma_{2}}=N_{\Gamma_{1}}+N_{\Gamma_{2}} N Γ 1 + Γ 2 = N Γ 1 + N Γ 2 とN − Γ = − N Γ N_{-\Gamma}=-N_{\Gamma} N − Γ = − N Γ が、いずれの側も定まる点で成り立つ。
同じサイクルΓ \Gamma Γ の二つの有向辺による表示から定まる二つの関数は、双方が定まる点で一致する。したがってN Γ N_{\Gamma} N Γ の値は、表示ではなくサイクルΓ \Gamma Γ によって定まる。
証明. (1) を示す。和に現れるのはμ e ( Γ ) ≠ 0 \mu_{e}(\Gamma)\ne0 μ e ( Γ ) = 0 である有向辺だけであり、p ∉ E ( Γ ) p\notin E(\Gamma) p ∈ / E ( Γ ) ならばp p p はそのどの辺にも属さないので、各項は定まる。E ( Γ ) = ∅ E(\Gamma)=\varnothing E ( Γ ) = ∅ ならばN Γ ≡ 0 N_{\Gamma}\equiv0 N Γ ≡ 0 であるから連続である。E ( Γ ) ≠ ∅ E(\Gamma)\ne\varnothing E ( Γ ) = ∅ の場合には、E ( Γ ) E(\Gamma) E ( Γ ) は有限個の閉線分の和なのでコンパクトである。p 0 ∉ E ( Γ ) p_{0}\notin E(\Gamma) p 0 ∈ / E ( Γ ) とし、§E2.19 定理 4.4 により2 ρ = dist ( p 0 , E ( Γ ) ) > 0 2\rho=\operatorname{dist}(p_{0},E(\Gamma))>0 2 ρ = dist ( p 0 , E ( Γ )) > 0 とおく。∣ p − p 0 ∣ < ρ |p-p_{0}|<\rho ∣ p − p 0 ∣ < ρ のとき、E ( Γ ) E(\Gamma) E ( Γ ) の上で∣ z − p ∣ ≥ ρ |z-p|\ge\rho ∣ z − p ∣ ≥ ρ かつ∣ z − p 0 ∣ ≥ 2 ρ |z-p_{0}|\ge2\rho ∣ z − p 0 ∣ ≥ 2 ρ であるから
∣ 1 z − p − 1 z − p 0 ∣ = ∣ p − p 0 ∣ ∣ z − p ∣ ∣ z − p 0 ∣ ≤ ∣ p − p 0 ∣ 2 ρ 2 \left|\frac{1}{z-p}-\frac{1}{z-p_{0}}\right|
=\frac{|p-p_{0}|}{|z-p|\,|z-p_{0}|}\le\frac{|p-p_{0}|}{2\rho^{2}} z − p 1 − z − p 0 1 = ∣ z − p ∣ ∣ z − p 0 ∣ ∣ p − p 0 ∣ ≤ 2 ρ 2 ∣ p − p 0 ∣ である。各辺の長さの和をΛ \Lambda Λ 、重みの絶対値の最大をK K K とすると、ML 不等式(§E5.4 命題 3.2 )により
∣ N Γ ( p ) − N Γ ( p 0 ) ∣ ≤ 1 2 π K Λ ∣ p − p 0 ∣ 2 ρ 2 |N_{\Gamma}(p)-N_{\Gamma}(p_{0})|\le\frac{1}{2\pi}\,K\Lambda\,\frac{|p-p_{0}|}{2\rho^{2}} ∣ N Γ ( p ) − N Γ ( p 0 ) ∣ ≤ 2 π 1 K Λ 2 ρ 2 ∣ p − p 0 ∣ であり、右辺はp → p 0 p\to p_{0} p → p 0 で0 0 0 へ収束する。
(2) は、p ∉ ∣ Γ ∣ p\notin|\Gamma| p ∈ / ∣Γ∣ のときz ↦ 1 / ( z − p ) z\mapsto1/(z-p) z ↦ 1/ ( z − p ) が∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ の上で連続であるから、補題 6.3 をこの関数へ適用して回転数の定義(定義 1.1 )と比べればよい。
(3) を示す。まず、有限個の線分の和∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ が内部をもたないことを直接に確かめる。各線分に平行な方向は有限個しかないので、それらのどれとも平行でないベクトルv ≠ 0 v\ne0 v = 0 を選ぶことができる。任意のp ∈ C p\in\mathbb C p ∈ C とr > 0 r>0 r > 0 に対し、直線p + t v p+tv p + t v は各線分と高々一点で交わる。したがって∣ t ∣ < r / ∣ v ∣ |t|<r/|v| ∣ t ∣ < r /∣ v ∣ を満たす実数のうち、有限個の交点に対応する値を避けてt t t を選ぶことができる。このときp + t v ∈ B ( p , r ) ∖ ∣ Γ ∣ p+tv\in B(p,r)\setminus|\Gamma| p + t v ∈ B ( p , r ) ∖ ∣Γ∣ である。ゆえに、どの開球も∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ に含まれず、∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ の内部は空である。
E ( Γ ) E(\Gamma) E ( Γ ) は有限個の閉線分の和なので閉集合である。p ∈ C ∖ E ( Γ ) p\in\mathbb C\setminus E(\Gamma) p ∈ C ∖ E ( Γ ) の相対近傍V V V を任意に取る。補集合は開いているので、あるr > 0 r>0 r > 0 についてB ( p , r ) ⊆ V ⊆ C ∖ E ( Γ ) B(p,r)\subseteq V\subseteq\mathbb C\setminus E(\Gamma) B ( p , r ) ⊆ V ⊆ C ∖ E ( Γ ) とすることができる。上の議論によりこの球は∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ に属さない点を含む。したがってC ∖ ∣ Γ ∣ \mathbb C\setminus|\Gamma| C ∖ ∣Γ∣ はC ∖ E ( Γ ) \mathbb C\setminus E(\Gamma) C ∖ E ( Γ ) の中で稠密である。(2) と定理 5.2 により、N Γ N_{\Gamma} N Γ はこの稠密な部分集合の上で整数値をとる。整数の全体はC \mathbb C C の閉集合でありN Γ N_{\Gamma} N Γ は連続であるから、N Γ N_{\Gamma} N Γ はC ∖ E ( Γ ) \mathbb C\setminus E(\Gamma) C ∖ E ( Γ ) の全体で整数値をとる。連続で整数値をとる関数は、∣ N Γ ( p ) − N Γ ( p 0 ) ∣ < 1 |N_{\Gamma}(p)-N_{\Gamma}(p_{0})|<1 ∣ N Γ ( p ) − N Γ ( p 0 ) ∣ < 1 となる近傍の上で定数であるから、局所的に定数である。
(4) は定義 6.2 の重みの加法性から従う。
(5) を示す。二つの表示から定まる関数をN , N ~ N,\tilde N N , N ~ とし、それぞれの正味の台をE , E ~ E,\tilde E E , E ~ とする。台∣ Γ ∣ |\Gamma| ∣Γ∣ は表示によらずサイクルから定まる(§E5.4 定義 3.1 )。p ∉ ∣ Γ ∣ p\notin|\Gamma| p ∈ / ∣Γ∣ ならば、(2) によりN ( p ) = n ( Γ , p ) = N ~ ( p ) N(p)=n(\Gamma,p)=\tilde N(p) N ( p ) = n ( Γ , p ) = N ~ ( p ) である。p ∈ C ∖ ( E ∪ E ~ ) p\in\mathbb C\setminus(E\cup\tilde E) p ∈ C ∖ ( E ∪ E ~ ) を取る。N − N ~ N-\tilde N N − N ~ はこの開集合の上で連続であり、(3) の証明と同じ理由によりC ∖ ∣ Γ ∣ \mathbb C\setminus|\Gamma| C ∖ ∣Γ∣ はこの開集合の中で稠密であるから、N − N ~ N-\tilde N N − N ~ はこの開集合の上で恒等的に0 0 0 である。▨
補題 6.5. ρ \rho ρ を有向辺による表示をもつサイクル、e 0 e_{0} e 0 を有向辺とし、A A A とB B B をe 0 e_{0} e 0 の両側にある有界なセルで、A A A がe 0 e_{0} e 0 の向きに対して左側、B B B が右側にあるものとする。z A ∈ A z_{A}\in A z A ∈ A 、z B ∈ B z_{B}\in B z B ∈ B とすると
N ρ ( z A ) − N ρ ( z B ) = μ e 0 ( ρ ) N_{\rho}(z_{A})-N_{\rho}(z_{B})=\mu_{e_{0}}(\rho) N ρ ( z A ) − N ρ ( z B ) = μ e 0 ( ρ ) が成り立つ。
証明. セルは開長方形であり、その点はどの格子線にも属さないので、z A z_{A} z A とz B z_{B} z B はどの有向辺にも属さない。したがってN ρ N_{\rho} N ρ は両点で定まる。
A A A の閉包をR A R_{A} R A とし、∂ R A \partial R_{A} ∂ R A を正向きの四有向辺として表す。A A A はe 0 e_{0} e 0 の左側にあるから、e 0 e_{0} e 0 は∂ R A \partial R_{A} ∂ R A の中にその向きでちょうど一度現れ、他の三辺はe 0 e_{0} e 0 と異なる。すなわちμ e 0 ( ∂ R A ) = 1 \mu_{e_{0}}(\partial R_{A})=1 μ e 0 ( ∂ R A ) = 1 である。
ρ ′ = ρ + ( − μ e 0 ( ρ ) ) ∂ R A \rho'=\rho+\bigl(-\mu_{e_{0}}(\rho)\bigr)\partial R_{A} ρ ′ = ρ + ( − μ e 0 ( ρ ) ) ∂ R A とおき、二つの表示を並べたものをρ ′ \rho' ρ ′ の表示とする。重みの加法性によりμ e 0 ( ρ ′ ) = 0 \mu_{e_{0}}(\rho')=0 μ e 0 ( ρ ′ ) = 0 であるから、e 0 e_{0} e 0 はE ( ρ ′ ) E(\rho') E ( ρ ′ ) に含まれない。e 0 e_{0} e 0 の中点を通りe 0 e_{0} e 0 に垂直な線分を、e 0 e_{0} e 0 の中点の十分近くに取ると、その線分はA A A 、e 0 e_{0} e 0 の内部、B B B の和に含まれる。A A A とB B B の点はどの有向辺にも属さず、e 0 e_{0} e 0 の内部の点はE ( ρ ′ ) E(\rho') E ( ρ ′ ) に属さないので、この線分はC ∖ E ( ρ ′ ) \mathbb C\setminus E(\rho') C ∖ E ( ρ ′ ) に含まれる。ゆえにz A z_{A} z A とz B z_{B} z B を線分の両端に取れば、両者はC ∖ E ( ρ ′ ) \mathbb C\setminus E(\rho') C ∖ E ( ρ ′ ) の同じ連結成分に属する。補題 6.4 (3) によりN ρ ′ N_{\rho'} N ρ ′ は局所的に定数である。また補題 5.1 によりC ∖ E ( ρ ′ ) \mathbb C\setminus E(\rho') C ∖ E ( ρ ′ ) の各連結成分は領域であるから、§E5.1 命題 1.5 を各連結成分へ適用するとN ρ ′ N_{\rho'} N ρ ′ はその成分の上で定数であるから、N ρ ′ ( z A ) = N ρ ′ ( z B ) N_{\rho'}(z_{A})=N_{\rho'}(z_{B}) N ρ ′ ( z A ) = N ρ ′ ( z B ) である。同じ理由によりN ρ ′ N_{\rho'} N ρ ′ はセルA A A とB B B のそれぞれの上で定数であるから、この等式はz A ∈ A z_{A}\in A z A ∈ A とz B ∈ B z_{B}\in B z B ∈ B の取り方によらない。
∂ R A \partial R_{A} ∂ R A については、z A , z B ∉ ∣ ∂ R A ∣ z_{A},z_{B}\notin|\partial R_{A}| z A , z B ∈ / ∣ ∂ R A ∣ であるから補題 6.4 (2) と命題 5.6 によりN ∂ R A ( z A ) = 1 N_{\partial R_{A}}(z_{A})=1 N ∂ R A ( z A ) = 1 、N ∂ R A ( z B ) = 0 N_{\partial R_{A}}(z_{B})=0 N ∂ R A ( z B ) = 0 である。補題 6.4 (4) により
N ρ ( z A ) − N ρ ( z B ) = ( N ρ ′ ( z A ) − N ρ ′ ( z B ) ) + μ e 0 ( ρ ) ( 1 − 0 ) = μ e 0 ( ρ ) N_{\rho}(z_{A})-N_{\rho}(z_{B})
=\bigl(N_{\rho'}(z_{A})-N_{\rho'}(z_{B})\bigr)+\mu_{e_{0}}(\rho)\bigl(1-0\bigr)=\mu_{e_{0}}(\rho) N ρ ( z A ) − N ρ ( z B ) = ( N ρ ′ ( z A ) − N ρ ′ ( z B ) ) + μ e 0 ( ρ ) ( 1 − 0 ) = μ e 0 ( ρ ) を得る。▨
定理 6.6 (Cauchy–Goursat の一般形). U ⊆ C U\subseteq\mathbb C U ⊆ C を開集合、f f f をU U U の上の正則関数とし、Γ \Gamma Γ をU U U の内部で零ホモローグなサイクルとする。このとき
∫ Γ f ( z ) d z = 0 \int_{\Gamma}f(z)\,dz=0 ∫ Γ f ( z ) d z = 0 が成り立つ。
証明. Γ = 0 \Gamma=0 Γ = 0 ならば積分は空和として0 0 0 である。以下ではΓ ≠ 0 \Gamma\ne0 Γ = 0 とする。
補題 6.1 により、辺が座標軸に平行な線分だけからなるサイクルσ \sigma σ で∣ σ ∣ ⊆ U |\sigma|\subseteq U ∣ σ ∣ ⊆ U を満たし、U U U の上で正則なすべてのg g g について∫ Γ g = ∫ σ g \int_{\Gamma}g=\int_{\sigma}g ∫ Γ g = ∫ σ g かつp ∉ U p\notin U p ∈ / U についてn ( Γ , p ) = n ( σ , p ) n(\Gamma,p)=n(\sigma,p) n ( Γ , p ) = n ( σ , p ) となるものを取る。仮定により、p ∉ U p\notin U p ∈ / U についてn ( σ , p ) = n ( Γ , p ) = 0 n(\sigma,p)=n(\Gamma,p)=0 n ( σ , p ) = n ( Γ , p ) = 0 である。
σ = 0 \sigma=0 σ = 0 ならば∫ Γ f = ∫ σ f = 0 \int_{\Gamma}f=\int_{\sigma}f=0 ∫ Γ f = ∫ σ f = 0 である。以下ではσ ≠ 0 \sigma\ne0 σ = 0 とする。
σ \sigma σ から定義 6.2 の格子を作る。各線分は有向辺の和であるから、σ \sigma σ は定義 6.2 の意味で有向辺による表示をもつ。
有界なセルをA 1 , … , A K A_{1},\ldots,A_{K} A 1 , … , A K とし、各A i A_{i} A i から一点z i z_{i} z i を選んでm i = n ( σ , z i ) m_{i}=n(\sigma,z_{i}) m i = n ( σ , z i ) とおく。セルの点はどの格子線にも属さないのでz i ∉ ∣ σ ∣ z_{i}\notin|\sigma| z i ∈ / ∣ σ ∣ であり、この値は定まる。また命題 5.4 により、n ( σ , ⋅ ) n(\sigma,\cdot) n ( σ , ⋅ ) はセルA i A_{i} A i の上で定数m i m_{i} m i である。
m i ≠ 0 m_{i}\ne0 m i = 0 であるセルについて、その閉包R i R_{i} R i がU U U に含まれることを示す。q ∈ R i q\in R_{i} q ∈ R i かつq ∉ U q\notin U q ∈ / U と仮定する。∣ σ ∣ ⊆ U |\sigma|\subseteq U ∣ σ ∣ ⊆ U であるからq ∉ ∣ σ ∣ q\notin|\sigma| q ∈ / ∣ σ ∣ であり、命題 5.4 によりn ( σ , ⋅ ) n(\sigma,\cdot) n ( σ , ⋅ ) はq q q のある近傍で定数である。その近傍は開集合A i A_{i} A i と交わるので、その定数はm i m_{i} m i であり、n ( σ , q ) = m i n(\sigma,q)=m_{i} n ( σ , q ) = m i である。一方q ∉ U q\notin U q ∈ / U であるからn ( σ , q ) = 0 n(\sigma,q)=0 n ( σ , q ) = 0 であり、m i = 0 m_{i}=0 m i = 0 となって仮定に反する。ゆえにR i ⊆ U R_{i}\subseteq U R i ⊆ U である。
そこで
τ = ∑ i : m i ≠ 0 m i ∂ R i \tau=\sum_{i:\,m_{i}\ne0}m_{i}\,\partial R_{i} τ = i : m i = 0 ∑ m i ∂ R i とおく。各∂ R i \partial R_{i} ∂ R i を四つの有向辺の列として表せば、τ \tau τ は有向辺による表示をもち、∣ τ ∣ ⊆ U |\tau|\subseteq U ∣ τ ∣ ⊆ U である。ρ = σ + ( − 1 ) τ \rho=\sigma+(-1)\tau ρ = σ + ( − 1 ) τ とおき、二つの表示を並べたものをρ \rho ρ の表示とする。形式和を整理すると台から曲線が消える場合があるので、∣ ρ ∣ ⊆ ∣ σ ∣ ∪ ∣ τ ∣ ⊆ U |\rho|\subseteq|\sigma|\cup|\tau|\subseteq U ∣ ρ ∣ ⊆ ∣ σ ∣ ∪ ∣ τ ∣ ⊆ U である。
各セルの点z i z_{i} z i においてN ρ ( z i ) = 0 N_{\rho}(z_{i})=0 N ρ ( z i ) = 0 であることを示す。z i z_{i} z i は格子線上にないのでz i ∉ ∣ σ ∣ ∪ ∣ τ ∣ z_i\notin|\sigma|\cup|\tau| z i ∈ / ∣ σ ∣ ∪ ∣ τ ∣ 、したがってz i ∉ ∣ ρ ∣ z_{i}\notin|\rho| z i ∈ / ∣ ρ ∣ である。補題 6.4 (2) と補題 6.4 (4) によりN ρ ( z i ) = n ( σ , z i ) − n ( τ , z i ) N_{\rho}(z_{i})=n(\sigma,z_{i})-n(\tau,z_{i}) N ρ ( z i ) = n ( σ , z i ) − n ( τ , z i ) である。命題 5.6 により、j ≠ i j\ne i j = i ならばz i ∉ R j z_{i}\notin R_{j} z i ∈ / R j であるからn ( ∂ R j , z i ) = 0 n(\partial R_{j},z_{i})=0 n ( ∂ R j , z i ) = 0 であり、j = i j=i j = i のときはn ( ∂ R i , z i ) = 1 n(\partial R_{i},z_{i})=1 n ( ∂ R i , z i ) = 1 である。したがってn ( τ , z i ) = m i = n ( σ , z i ) n(\tau,z_{i})=m_{i}=n(\sigma,z_{i}) n ( τ , z i ) = m i = n ( σ , z i ) であり、N ρ ( z i ) = 0 N_{\rho}(z_{i})=0 N ρ ( z i ) = 0 である。
すべての有向辺e e e についてμ e ( ρ ) = 0 \mu_{e}(\rho)=0 μ e ( ρ ) = 0 であることを示す。e e e がσ \sigma σ の表示にもτ \tau τ の表示にも現れないならば、定義によりμ e ( ρ ) = 0 \mu_{e}(\rho)=0 μ e ( ρ ) = 0 である。現れる場合を考える。σ \sigma σ の表示に現れる有向辺は、格子の構成により両側に有界なセルをもつ。
τ \tau τ の表示に現れる有向辺について示す。τ \tau τ に現れるのはm i ≠ 0 m_{i}\ne0 m i = 0 であるセルA i A_{i} A i の閉包の辺である。格子の構成の最後に述べたとおり、最外周の一列のセルはn ( σ , ⋅ ) = 0 n(\sigma,\cdot)=0 n ( σ , ⋅ ) = 0 となる開半平面に含まれるので、そのようなセルではm i = 0 m_{i}=0 m i = 0 である。したがってm i ≠ 0 m_{i}\ne0 m i = 0 であるセルは最外周の一列に属さず、A i = ( d j , d j + 1 ) × ( c k , c k + 1 ) A_{i}=(d_{j},d_{j+1})\times(c_{k},c_{k+1}) A i = ( d j , d j + 1 ) × ( c k , c k + 1 ) と書いたとき2 ≤ j ≤ L − 2 2\le j\le L-2 2 ≤ j ≤ L − 2 かつ2 ≤ k ≤ M − 2 2\le k\le M-2 2 ≤ k ≤ M − 2 である。その閉包の辺がのる格子線はd j , d j + 1 , c k , c k + 1 d_{j},d_{j+1},c_{k},c_{k+1} d j , d j + 1 , c k , c k + 1 であり、いずれもd 2 , … , d L − 1 d_{2},\ldots,d_{L-1} d 2 , … , d L − 1 またはc 2 , … , c M − 1 c_{2},\ldots,c_{M-1} c 2 , … , c M − 1 に属するから、それらの有向辺も両側に有界なセルをもつ。
したがって、e e e の両側の有界なセルをA A A (左)とB B B (右)とすることができ、補題 6.5 により
μ e ( ρ ) = N ρ ( z A ) − N ρ ( z B ) = 0 − 0 = 0 \mu_{e}(\rho)=N_{\rho}(z_{A})-N_{\rho}(z_{B})=0-0=0 μ e ( ρ ) = N ρ ( z A ) − N ρ ( z B ) = 0 − 0 = 0 である。ここでz A z_{A} z A とz B z_{B} z B はA A A とB B B の点である。N ρ N_{\rho} N ρ は補題 6.4 (3) により局所的に定数であり、セルA A A とB B B は領域であるから、§E5.1 命題 1.5 によりN ρ N_{\rho} N ρ はそれぞれのセルの上で定数である。その値は、そのセルから選んだ点z i z_{i} z i における値0 0 0 に等しい。
ゆえに、重みの加法性からすべての有向辺でμ e ( σ ) = μ e ( τ ) \mu_{e}(\sigma)=\mu_{e}(\tau) μ e ( σ ) = μ e ( τ ) である。この等式は、隣り合う二つのセルが共有する有向辺について、τ \tau τ の側の重みが二つの係数の差m i − m j m_{i}-m_{j} m i − m j になって内部で相殺し、残った重みがσ \sigma σ の重みに一致することを述べている。
f f f はU U U の上で正則であり∣ σ ∣ ∪ ∣ τ ∣ ⊆ U |\sigma|\cup|\tau|\subseteq U ∣ σ ∣ ∪ ∣ τ ∣ ⊆ U であるから、f f f は∣ σ ∣ |\sigma| ∣ σ ∣ と∣ τ ∣ |\tau| ∣ τ ∣ の上で連続である。補題 6.3 をσ \sigma σ とτ \tau τ のそれぞれへ適用すると
∫ σ f ( z ) d z = ∑ e μ e ( σ ) ∫ e f ( z ) d z = ∑ e μ e ( τ ) ∫ e f ( z ) d z = ∫ τ f ( z ) d z \int_{\sigma}f(z)\,dz=\sum_{e}\mu_{e}(\sigma)\int_{e}f(z)\,dz
=\sum_{e}\mu_{e}(\tau)\int_{e}f(z)\,dz=\int_{\tau}f(z)\,dz ∫ σ f ( z ) d z = e ∑ μ e ( σ ) ∫ e f ( z ) d z = e ∑ μ e ( τ ) ∫ e f ( z ) d z = ∫ τ f ( z ) d z である。ここで、和に現れる有向辺はσ \sigma σ またはτ \tau τ の表示に現れるものだけであり、いずれもU U U に含まれる。
最後に、m i ≠ 0 m_{i}\ne0 m i = 0 である各i i i についてR i ⊆ U R_{i}\subseteq U R i ⊆ U である。各R i R_i R i は対角線によって二個の三角形へ有限分割されるため、定理 3.1 を適用して内部の対角線を相殺する系 3.2 により∮ ∂ R i f ( z ) d z = 0 \oint_{\partial R_{i}}f(z)\,dz=0 ∮ ∂ R i f ( z ) d z = 0 である。したがって
∫ Γ f ( z ) d z = ∫ σ f ( z ) d z = ∫ τ f ( z ) d z = ∑ i : m i ≠ 0 m i ∮ ∂ R i f ( z ) d z = 0 \int_{\Gamma}f(z)\,dz=\int_{\sigma}f(z)\,dz=\int_{\tau}f(z)\,dz
=\sum_{i:\,m_{i}\ne0}m_{i}\oint_{\partial R_{i}}f(z)\,dz=0 ∫ Γ f ( z ) d z = ∫ σ f ( z ) d z = ∫ τ f ( z ) d z = i : m i = 0 ∑ m i ∮ ∂ R i f ( z ) d z = 0 である。▨
7 ホモトピーと単連結領域への帰結
Cauchy–Goursat の一般形は、回転数で表した大域的な障害をもつサイクルを扱う。ここでは、閉曲線のホモトピーが積分を変えないことを直接に示し、縮約可能な閉曲線と単連結領域に対する形を得る。C \mathbb C C を実数の組と同一視すると(§E1.14 定義 4.1 )、∣ z − w ∣ |z-w| ∣ z − w ∣ はR 2 \mathbb R^{2} R 2 の Euclid 距離(§E2.1 定義 3.2 )に一致するので、以下では位相空間論 I のコンパクト性(§E2.19 定義 2.1 )に関する結果を用いる。
命題 7.1. g g g が開集合U U U の上で正則であり、H H H が定義 2.1 の意味でU U U の中の区分的に一階連続微分可能な閉曲線C 0 C_{0} C 0 とC 1 C_{1} C 1 の間のホモトピーであるとする。このとき
∫ C 0 g ( z ) d z = ∫ C 1 g ( z ) d z \int_{C_{0}}g(z)\,dz=\int_{C_{1}}g(z)\,dz ∫ C 0 g ( z ) d z = ∫ C 1 g ( z ) d z が成り立つ。
証明. [ 0 , 1 ] 2 [0,1]^{2} [ 0 , 1 ] 2 はコンパクトであり(§E2.9 定理 4.3 )H H H は連続であるから、§E2.19 定理 4.2 により得られたH ( [ 0 , 1 ] 2 ) H([0,1]^{2}) H ([ 0 , 1 ] 2 ) はコンパクトであり、U U U に含まれる。各点w ∈ H ( [ 0 , 1 ] 2 ) w\in H([0,1]^{2}) w ∈ H ([ 0 , 1 ] 2 ) について、閉包がU U U に含まれる開円板B w B_{w} B w を取り、コンパクト性と§E2.19 命題 2.6 により有限個B 1 , … , B m B_{1},\ldots,B_{m} B 1 , … , B m を選んでH ( [ 0 , 1 ] 2 ) H([0,1]^{2}) H ([ 0 , 1 ] 2 ) を覆う。開円板は星形であるから、定理 4.1 によりg g g は各B j B_{j} B j の上で原始関数をもつ。
開被覆H − 1 ( B 1 ) , … , H − 1 ( B m ) H^{-1}(B_{1}),\ldots,H^{-1}(B_{m}) H − 1 ( B 1 ) , … , H − 1 ( B m ) へ Lebesgue 数補題(§E2.9 補題 2.3 )を適用してδ > 0 \delta>0 δ > 0 を得る。ここで[ 0 , 1 ] 2 [0,1]^2 [ 0 , 1 ] 2 は§E2.9 定理 4.3 によりコンパクトであり、§E2.9 定理 3.1 により点列コンパクトである。H H H に適合する有限三角形分割(定義 2.1 )を、各小三角形の直径がδ \delta δ 未満になるまで有限回細分する。Lebesgue 数補題の後半により、得られた各閉小三角形Q Q Q は一つのH − 1 ( B j ) H^{-1}(B_j) H − 1 ( B j ) に含まれる。Q Q Q は元の適合分割の一つの三角形に含まれるので、H H H のQ Q Q への制限は一階連続微分可能であり、H ( ∂ Q ) H(\partial Q) H ( ∂ Q ) は閉じた区分的に一階連続微分可能な曲線である。またH ( ∂ Q ) H(\partial Q) H ( ∂ Q ) は対応するB j B_j B j の中の曲線である。g g g はB j B_{j} B j の上に原始関数をもつので、§E5.4 定理 4.2 により
∫ H ( ∂ Q ) g ( z ) d z = 0 \int_{H(\partial Q)}g(z)\,dz=0 ∫ H ( ∂ Q ) g ( z ) d z = 0 である。すべての小三角形について加えると、隣り合う二つの小三角形が共有する辺は、同じH H H の像を互いに逆向きに一度ずつ通るので§E5.4 命題 2.5 により相殺する。残るのは[ 0 , 1 ] 2 [0,1]^{2} [ 0 , 1 ] 2 の外周の像であり、t = 0 t=0 t = 0 の辺とt = 1 t=1 t = 1 の辺は閉曲線の条件H ( s , 0 ) = H ( s , 1 ) H(s,0)=H(s,1) H ( s , 0 ) = H ( s , 1 ) により互いに相殺する。したがって∫ C 1 g − ∫ C 0 g = 0 \int_{C_{1}}g-\int_{C_{0}}g=0 ∫ C 1 g − ∫ C 0 g = 0 である。▨
定理 7.2 (縮めることができる閉曲線に対する Cauchy の積分定理). f f f が開集合D D D の上で正則であるとする。D D D の中の区分的に一階連続微分可能な閉曲線C C C がD D D の中で縮めることができるならば
∮ C f ( z ) d z = 0 \oint_{C}f(z)\,dz=0 ∮ C f ( z ) d z = 0 が成り立つ。とくにD D D が単連結ならば、D D D の中の任意の区分的に一階連続微分可能な閉曲線に沿う積分は0 0 0 である。
証明. C C C を定数閉曲線C 1 C_{1} C 1 へ縮めるホモトピーに命題 7.1 を適用する。C 1 ′ ≡ 0 C_{1}'\equiv0 C 1 ′ ≡ 0 なので∫ C 1 f = 0 \int_{C_1}f=0 ∫ C 1 f = 0 であり、∮ C f = 0 \oint_Cf=0 ∮ C f = 0 を得る。単連結の場合は補題 2.3 により、任意の区分的に一階連続微分可能な閉曲線をこの意味で縮めることができる。▨
8 系
系 8.1. D D D を単連結な領域とし、f f f をD D D の上の正則関数とする。このとき、D D D の中の任意の区分的に一階連続微分可能な閉曲線C C C 、さらにD D D の中の任意のサイクルΓ \Gamma Γ について
∮ C f ( z ) d z = 0 , ∫ Γ f ( z ) d z = 0 \oint_{C}f(z)\,dz=0,\qquad \int_{\Gamma}f(z)\,dz=0 ∮ C f ( z ) d z = 0 , ∫ Γ f ( z ) d z = 0 が成り立つ。とくに、D D D の中の任意のサイクルはD D D の内部で零ホモローグである。
証明. 閉曲線の等式は定理 7.2 である。p ∉ D p\notin D p ∈ / D を取るとz ↦ 1 / ( z − p ) z\mapsto1/(z-p) z ↦ 1/ ( z − p ) はD D D の上で正則であるから、閉曲線に対する主張をΓ \Gamma Γ の各閉曲線へ適用してn ( Γ , p ) = 0 n(\Gamma,p)=0 n ( Γ , p ) = 0 を得る。すなわちΓ \Gamma Γ はD D D の内部で零ホモローグであり、定理 6.6 により∫ Γ f = 0 \int_{\Gamma}f=0 ∫ Γ f = 0 である。▨
系 8.2. D D D を単連結な領域とし、f f f をD D D 上の正則関数とする。このときD D D 上の正則関数F F F が存在してF ′ = f F'=f F ′ = f を満たす。F F F は複素数の定数を加える違いを除いて一意である。
証明. z 0 ∈ D z_{0}\in D z 0 ∈ D を固定する。§E5.1 命題 1.4 により任意のz ∈ D z\in D z ∈ D はz 0 z_{0} z 0 とD D D に含まれる折れ線で結ぶことができる。二本の折れ線L L L とL ~ \tilde L L ~ が同じ端点をもつとき、L L L の後にL ~ \tilde L L ~ を逆向きにたどった閉曲線C C C について、系 8.1 により∮ C f = 0 \oint_{C}f=0 ∮ C f = 0 であり、§E5.4 命題 2.5 および§E5.4 命題 2.6 により∫ L f = ∫ L ~ f \int_{L}f=\int_{\tilde L}f ∫ L f = ∫ L ~ f である。したがって
F ( z ) = ∫ L f ( w ) d w ( L は z 0 から z への D 内の折れ線 ) F(z)=\int_{L}f(w)\,dw\qquad(L \text{ は } z_{0} \text{ から } z \text{ への } D \text{ 内の折れ線}) F ( z ) = ∫ L f ( w ) d w ( L は z 0 から z への D 内の折れ線 ) はL L L の選び方によらず定まる。
z ∈ D z\in D z ∈ D を固定し、D ( z , ρ ) ⊆ D D(z,\rho)\subseteq D D ( z , ρ ) ⊆ D を満たすρ > 0 \rho>0 ρ > 0 を取る。∣ h ∣ < ρ |h|<\rho ∣ h ∣ < ρ ならば[ z , z + h ] ⊆ D [z,z+h]\subseteq D [ z , z + h ] ⊆ D であり、z 0 z_{0} z 0 からz z z への折れ線にこの線分をつないだものがz 0 z_{0} z 0 からz + h z+h z + h への折れ線であるから
F ( z + h ) − F ( z ) = ∫ [ z , z + h ] f ( w ) d w F(z+h)-F(z)=\int_{[z,z+h]}f(w)\,dw F ( z + h ) − F ( z ) = ∫ [ z , z + h ] f ( w ) d w である。f f f はz z z で連続なので、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 に対し、∣ h ∣ |h| ∣ h ∣ が十分小さければ[ z , z + h ] [z,z+h] [ z , z + h ] の上で∣ f ( w ) − f ( z ) ∣ ≤ ε |f(w)-f(z)|\le\varepsilon ∣ f ( w ) − f ( z ) ∣ ≤ ε が成り立つ。定数関数f ( z ) f(z) f ( z ) の同じ線分に沿う積分はf ( z ) h f(z)h f ( z ) h であるから、ML 不等式(§E5.4 命題 3.2 )により
∣ F ( z + h ) − F ( z ) − f ( z ) h ∣ = ∣ ∫ [ z , z + h ] ( f ( w ) − f ( z ) ) d w ∣ ≤ ε ∣ h ∣ \left|F(z+h)-F(z)-f(z)h\right|
=\left|\int_{[z,z+h]}\bigl(f(w)-f(z)\bigr)\,dw\right|\le\varepsilon|h| ∣ F ( z + h ) − F ( z ) − f ( z ) h ∣ = ∫ [ z , z + h ] ( f ( w ) − f ( z ) ) d w ≤ ε ∣ h ∣ である。h ≠ 0 h\ne0 h = 0 について∣ h ∣ |h| ∣ h ∣ で割り、h → 0 h\to0 h → 0 とするとF ′ ( z ) = f ( z ) F'(z)=f(z) F ′ ( z ) = f ( z ) を得る。
一意性について、F F F とF ~ \widetilde F F がともに原始関数ならば( F − F ~ ) ′ = 0 (F-\widetilde F)'=0 ( F − F ) ′ = 0 である。§E5.4 命題 4.3 をF − F ~ F-\widetilde F F − F へ適用すると、F − F ~ F-\widetilde F F − F は定数である。▨
9 演習
問題 9.1 (Green の証明と Goursat の証明). 命題 1.4 ではu , v u,v u , v の一階連続微分可能性をどこで用いるかを特定せよ。さらに、定理 3.1 の証明がf ′ f' f ′ の連続性を用いずに閉じる理由を述べよ。
解答. Green の定理を二つの実線積分へ適用するために、u , v u,v u , v の一階偏導関数の連続性を用いる。その後、
Cauchy–Riemann 方程式によって二つの面積分の被積分関数を0 0 0 にする。Goursat の証明は、一点z 0 z_0 z 0 での複素微分可能性から得る剰余評価を、直径と周長がともに半減する三角形列へ適用する。したがって必要なのはf ′ ( z 0 ) f'(z_0) f ′ ( z 0 ) の存在だけであり、f ′ f' f ′ の近傍での連続性ではない。▨