从复数乘法到代数基本定理——拓扑角度看复变

从复数乘法到代数基本定理——拓扑角度看复变然而 以复数作为变量的函数 复变函数 在复平面上是无法画出曲线的 因为复变函数本质上是复平面到自身的变换

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作者 | 刘洋洲

来源 | 转自知乎专栏《万物皆数也》,“数学英才”获授权转载,在此感谢!





多项式函数的函数图像相信大家都有所了解:一次函数是直线,二次函数是抛物线……然而这都是在实数域上的讨论。本文尝试可视化多项式在复平面上的作用,从而给出代数基本定理更为直观的理解,让我们一起领略复数世界的奇妙现象。

复数ABC

关于复数的知识我在前面的文章有过论述(从复数到分形——Julia集、Mandelbort集简介,点击链接查看文章),具体细节可以参考此文。下面我们简要叙述一下关于复数的基本知识。
复数
是2维的数,其全体构成是复平面
,这是认识复数最方便的几何对象。我们中学接触的实数域上的连续函数,都可以在坐标系下画出曲线;然而,以复数作为变量的函数——复变函数,在复平面上是无法画出曲线的,因为复变函数本质上是复平面到自身的变换。

复数的加法(
)是平移变换,乘法(
)是旋转和伸缩变换。欧拉公式(
)十分直白地体现了复数乘法的特性:

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即模长
相乘,辐角
相加。

幂函数

对于函数
,用欧拉公式去表示,
其几何意义很显然:将模长变成原来的n次方,辐角扩大为n倍。



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上图这是平方函数
对于复平面的作用,我们看到原来的正交的网格变成了彼此正交的抛物线(即所谓的共形变换),请读者自行证明。



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这个变换直观上看就好像是将复平面沿负实半轴剪开,然后绕着原点环抱,形成双层结构(如下图)。
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双层结构对于平方根函数
,即平方函数的反函数有重要的意义,它形象生动地解释了为什么平方根有两个,即


因为它们位于不同的层——分支。这样一来,平方根函数(其实不是严格意义上的函数,准确地来说是多值函数)变成一个真正的(单值)函数了。数学家将这一思想推广,这样的曲面被称为黎曼曲面。这些曲面在三维空间表示不可避免产生自交,但这并不影响我们的判断。

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当我们围绕支点(上图原点)正向旋转,当我们处于这样的空间:原地旋转6圈才能回到起点,这听起来就像是科幻小说。

多项式函数

为了看清多项式函数对于复平面的作用,我们不妨以代数基本定理的视角观察,即把多项式函数分解为一次因式的乘积:

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允许
,即重根的情况。这样一来,多项式函数
可以视为对复平面逐次进行乘积变换。为方便讨论,我们不妨令多项式函数的首项系数
.

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表示恒等映射,即


  • 时,复平面沿着
    方向平移了
    个单位;


  • 时,如下图,设

    是多项式的两个零点,即


    是复平面上其他任意一点
    . 两个橙色向量恰好就代表着复数
    .





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这两个复数相乘
,其模长即是两复数模长乘积,关键在
辐角:两辐角之和
.

这有什么奇怪呢?确实,这就是我们在前文铺垫的复数乘积的几何意义,没什么特别的。但是,如果我们让上图点
沿着包围

的绿色大圆转一圈,你会发现,
的辐角增加了
——两圈!这相当于绕着两个零点各转了一圈。

如果我们只是在某个点周围转圈如下图,情况则会稍加不同:当
绕着
正向旋转一周时,复数





的辐角
始终在一个很小的范围变化,即
,辐角

并没有贡献。

从复数乘法到代数基本定理——拓扑角度看复变

特别地,让
两点逐渐重合
,函数就退化为重根的情形:


这与我们讨论过的平方函数是一回事。

让我们回到非重根的情形。多项式的像
在每个根
局部,和复平面上一点局部类似,此时绕着某个根
旋转,和绕一次函数
的效果是一样的,辐角的增加都是
;然而当闭曲线充分远离全体根,
的拓扑特性开始显现,从而实现原像复平面转1周,像
上就会转
周,同理可得,对于
而言会转
周。

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我们发现辐角增加的圈数与根的个数一一对应,而这恰恰是复变函数中对于辐角定理的洞见:

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我们忽略方框中的积分,只看左右两侧的表达式:
表示函数沿着曲线
转动所增加的辐角,其中

分别表示 在
的内部的零点和极点的个数,而我们考虑的是多项式函数,不存在极点,即
,所以对于多项式函数的辐角定理:


即辐角的增加与零点数一致。
而辐角定理恰恰蕴含代数基本定理:一元
次代数方程在复数域有
个根

所以我们只要证明:任意一元
次多项式,沿半径充分大的圆的辐角增量一定是
,于是一定有
个零点。而根据儒歇定理(Rouche’s theorem),多项式函数的辐角变化,当圆充分大时,只取决于最高次幂
(其他较低次幂的项与之相比微不足道)
,而幂函数的辐角增量和次数
相关,从而一举完成了代数基本定理的证明。

需要注意的是,本文并不是要去证明代数基本定理,否则有循环证明之嫌:
因为我们画的各种曲面


,本就是基于多项式的分解。
不过,相信这样的分析不是徒劳的。

数学易于知,却难于感。感,就是具备人类可以接受信息的形式;知,就是通过逻辑推理得到正确结果的过程——一个是感性,一个是理性。艺术是可感而难知,如何让数学像艺术一样让可感亦可知,令人驻足欣赏,不是一件容易的事情。这也是我学习数学的动力和写作的初衷。










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