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儒歇定理

儒歇定理(Rouche's Theorem)是一個關於複平面內解析函式零點的重要定理。該定理的表述如下:

儒歇定理:如果沿著一條簡單閉曲線γ,對於所有的z,有條件`|f(z) - g(z)| < |f(z)|`成立,那么函数f和g在γ内部(不包括γ本身)的零点数目是相同的。这里的零点数目包括它们的重数。

為了證明這個定理,我們可以使用柯西積分公式和柯西積分定理。首先,考慮函式h(z) = f(z) / g(z),其中g(z) ≠ 0。如果h(z)在γ上及γ內部都沒有零點,那麼f(z)和g(z)在γ內部的零點數目必須相同。

為了計算零點數目,我們可以考慮積分:

\[ \frac{1}{2\pi i} \int_{\gamma} \frac{f'(z)}{f(z)} dz \]

這個積分的結果是f在γ內部的零點數目。如果f沿γ沒有零點,這個積分的結果是0。

儒歇定理的證明中,我們考慮函式\( f + t\varphi \),其中\( \varphi = g - f \)。沿著γ,我們有:

\[ |f + t\varphi| \geq |f| - |t\varphi| \geq |f| - |\varphi| > 0 \]

這意味著\( f + t\varphi \)沿γ沒有零點,因此我們可以考慮它的對數留數:

\[ N(t) = \frac{1}{2\pi i} \int_{\gamma} \frac{f'(z) + t\varphi'(z)}{f(z) + t\varphi(z)} dz \]

通過對t的變化,我們可以證明\( N(t) \)是t的連續函式,且\( N(0) = N(1) \),從而說明f和g在γ內部的零點數目相同。

這個定理在複分析中有廣泛的套用,特別是在研究級數和方程根的分布時。