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L11 · 로랑 전개, 특이점, 유수

Arfken 7판 11.5–11.7절 (로랑 전개, 특이점, 유수 계산과 유수정리)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 기하급수를 조립해 영역에 맞는 로랑 전개 만들고, 테일러 급수의 수렴 반지름 바로 쓰기
  2. 특이점을 제거 가능, $m$차 극, 진성 특이점으로 분류하기
  3. 상황에 맞는 공식을 골라 유수를 빠르게 구하기
  4. 유수정리로 폐곡선 적분을 계산하기
  5. 무한대에서의 유수로 검산하기
  6. 분지점을 찾고 분지절단을 정하기

0. 외워 둘 공식

로랑 전개(Laurent expansion): $a$ 둘레의 고리 영역(annulus) $r_1<|z-a|<r_2$에서

$$\begin{aligned}f(z)&=\sum_{n=-\infty}^{\infty}c_n(z-a)^n\\&=\underbrace{\cdots+\frac{c_{-2}}{(z-a)^2}+\frac{c_{-1}}{z-a}}_{\text{주부}}\\&\quad+c_0+c_1(z-a)+\cdots\end{aligned}$$

음의 거듭제곱 부분을 주부(principal part)라 합니다. $a$를 뺀 원판 $0<|z-a|<r$에서 전개했을 때의 $c_{-1}$이 $a$에서의 유수(residue) $\mathrm{Res}(f,a)$입니다.

계수 공식: 고리 안의 원 $|z-a|=\rho$에서 $c_n=\dfrac{1}{2\pi i}\displaystyle\oint\frac{f(z)}{(z-a)^{n+1}}\,dz$. 특히 $c_{-1}=\dfrac{1}{2\pi i}\displaystyle\oint f\,dz$입니다. 실제 계산에서는 이 적분 대신 아래 기하급수를 조립합니다.

테일러 전개(Taylor expansion): $f$가 $a$에서 해석적이면 음의 거듭제곱이 없고 $c_n=\dfrac{f^{(n)}(a)}{n!}$입니다. 수렴 반지름은 $a$에서 가장 가까운 특이점까지의 거리입니다.

재료전개쓰는 곳
$\dfrac{1}{z-b}$$-\dfrac1b\cdot\dfrac{1}{1-z/b}=-\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{z^n}{b^{n+1}}$$|z|<|b|$
$\dfrac{1}{z-b}$$\dfrac1z\cdot\dfrac{1}{1-b/z}=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{b^n}{z^{n+1}}$$|z|>|b|$
$e^{w},\ \sin w,\ \cos w$L01의 급수표에 $w=\frac1z$ 등을 대입$w$의 범위 전체
상황유수 공식
① 단순극$\mathrm{Res}(f,a)=\displaystyle\lim_{z\to a}(z-a)f(z)$
② $f=\dfrac{p}{q}$, $p(a)\ne0$, $q$가 $a$에서 단순 영점$\mathrm{Res}(f,a)=\dfrac{p(a)}{q'(a)}$
③ $m$차 극$\mathrm{Res}(f,a)=\dfrac{1}{(m-1)!}\displaystyle\lim_{z\to a}\frac{d^{m-1}}{dz^{m-1}}\Big[(z-a)^mf(z)\Big]$
④ 아무 경우나$0<|z-a|<r$에서의 로랑 전개의 $c_{-1}$
무한대$\mathrm{Res}(f,\infty)=-\big(\text{큰 }|z|\text{에서의 전개의 }c_{-1}\big)$

유수정리(residue theorem): $\displaystyle\oint_Cf(z)\,dz=2\pi i\sum_{C\text{ 안의 }a}\mathrm{Res}(f,a)$. 모든 유수의 합(무한대 포함)은 0입니다.

이 레슨의 관례

1. 로랑 전개 — 기하급수 조립

레시피
  1. 특이점의 위치를 표시하고, 전개할 영역(중심과 고리의 반지름)을 확인합니다.
  2. 유리함수는 부분분수로 쪼갭니다.
  3. 조각 $\dfrac{1}{z-b}$마다 영역을 봅니다. 영역에서 $|z|<|b|$이면 $b$를 묶어 내고(양의 거듭제곱), $|z|>|b|$이면 $z$를 묶어 냅니다(음의 거듭제곱). 0절 표의 두 줄입니다.
  4. 중심이 $a\ne0$이면 $w=z-a$로 바꾼 뒤 같은 일을 합니다.
  5. $e^{1/z}$처럼 초월함수가 섞이면 L01의 급수표에 대입하고, 필요한 차수까지 곱하거나 나눕니다.
  6. 테일러 급수(음의 거듭제곱이 없는 경우)의 수렴 반지름은 계산하지 않고 바로 씁니다. 중심에서 가장 가까운 특이점까지의 거리입니다. 예: $\frac{1}{1+z^2}$의 $z=0$ 중심 급수는 $\pm i$ 때문에 반지름이 1입니다. 실수 $x$만 보면 이유가 안 보이는 경우입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

테일러. L10의 코시 적분공식 $f(z)=\dfrac1{2\pi i}\displaystyle\oint\dfrac{f(\zeta)}{\zeta-z}d\zeta$를 씁니다. 경로는 원 $|\zeta-a|=\rho$이고 $z$는 그 안에 있으므로 $\big|\frac{z-a}{\zeta-a}\big|<1$, 기하급수로 풉니다.

$$\begin{aligned}\frac1{\zeta-z}&=\frac{1}{(\zeta-a)\Big(1-\frac{z-a}{\zeta-a}\Big)}\\&=\sum_{n\ge0}\frac{(z-a)^n}{(\zeta-a)^{n+1}}\end{aligned}$$

항별로 적분하면 $f=\sum c_n(z-a)^n$이고 $c_n=\dfrac1{2\pi i}\displaystyle\oint\dfrac{f(\zeta)\,d\zeta}{(\zeta-a)^{n+1}}=\dfrac{f^{(n)}(a)}{n!}$입니다(L10 도함수 공식). 원은 특이점에 닿기 직전까지 키울 수 있으므로 수렴 반지름이 "가장 가까운 특이점까지의 거리"가 됩니다.

로랑. 고리에서는 바깥 원과 안쪽 원 두 개로 코시 공식을 씁니다. 바깥 원에서는 위와 같은 전개로 양의 거듭제곱이 나옵니다. 안쪽 원에서는 $|\zeta-a|<|z-a|$라서 반대로 $(z-a)$를 묶어 내므로 음의 거듭제곱이 나옵니다. 0절 표의 두 줄이 바로 이 두 경우입니다.

기하급수로 조립해도 되는 이유. 로랑 전개는 유일합니다. 고리에서 수렴하는 $\sum c_n(z-a)^n$이 하나 있으면, 양변을 $(z-a)^{k+1}$로 나눠 원 위에서 적분할 때 $n=k$인 항만 남아 계수 공식이 나오기 때문입니다. 그래서 어떤 방법으로 구해도 계수는 같습니다.

덤: $\sum z^n$은 $|z|<1$에서만 수렴하지만 그 합 $\frac{1}{1-z}$은 $z=1$만 빼고 어디서나 해석적입니다. 급수로 정한 함수를 이렇게 더 넓은 영역으로 이어 가는 것을 해석적 연속(analytic continuation)이라 합니다.

예제 1-1 (영역마다 다른 전개) $f(z)=\dfrac{1}{(z-1)(z-2)}$

부분분수: 가리기로 $\dfrac1{z-1}$의 계수는 $\dfrac{1}{1-2}=-1$, $\dfrac1{z-2}$의 계수는 $\dfrac1{2-1}=1$.

$$f(z)=\frac{1}{z-2}-\frac{1}{z-1}$$

특이점은 $z=1,2$입니다. 그래서 원점 중심으로는 세 영역 $|z|<1$, $1<|z|<2$, $|z|>2$가 생깁니다.

(a) $|z|<1$: $|z|<1<2$이므로 두 조각 모두 "$z$가 작은" 쪽입니다.

$$\begin{aligned}\frac{1}{z-2}&=-\frac12\cdot\frac{1}{1-z/2}=-\sum_{n=0}^\infty\frac{z^n}{2^{n+1}}\\-\frac1{z-1}&=\frac{1}{1-z}=\sum_{n=0}^\infty z^n\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}f&=\sum_{n=0}^\infty\Big(1-\frac{1}{2^{n+1}}\Big)z^n\\&=\frac12+\frac34z+\frac78z^2+\cdots\end{aligned}$$

음의 거듭제곱이 없습니다. 이 영역에서 $f$는 해석적이라 그냥 테일러 급수입니다.

(b) $1<|z|<2$: $\frac1{z-2}$는 (a)와 같습니다($|z|<2$). $\frac1{z-1}$은 이제 $|z|>1$이므로 $z$를 묶어 냅니다.

$$-\frac{1}{z-1}=-\frac1z\cdot\frac{1}{1-1/z}=-\sum_{n=0}^\infty\frac{1}{z^{n+1}}$$ $$\begin{aligned}f=&\cdots-\frac1{z^3}-\frac1{z^2}-\frac1z\\&-\frac12-\frac z4-\frac{z^2}{8}-\cdots\end{aligned}$$

(c) $|z|>2$: 두 조각 모두 $z$를 묶어 냅니다.

$$\begin{aligned}\frac1{z-2}&=\frac1z\cdot\frac1{1-2/z}=\sum_{n=0}^\infty\frac{2^n}{z^{n+1}}\\f&=\sum_{n=0}^\infty\frac{2^n-1}{z^{n+1}}\\&=\frac{0}{z}+\frac{1}{z^2}+\frac{3}{z^3}+\frac{7}{z^4}+\cdots\end{aligned}$$

(d) $0<|z-1|<1$: $w=z-1$로 두면 $z-2=w-1$입니다.

$$\begin{aligned}f&=\frac{1}{w(w-1)}=-\frac1w\cdot\frac{1}{1-w}\\&=-\frac1w-1-w-w^2-\cdots\end{aligned}$$

정리: 같은 함수인데 $c_{-1}$이 (b)에서 $-1$, (c)에서 $0$, (d)에서 $-1$입니다. $z=1$의 유수는 $z=1$을 중심으로 한 (d)의 $c_{-1}=-1$입니다. (b)의 $-1$은 우연히 같을 뿐이고, (c)의 $0$은 "두 유수의 합 $-1+1$"입니다(5절).

예제 1-2 (진성 특이점) $e^{1/z}$, $0<|z|$

$e^w=\sum\frac{w^n}{n!}$에 $w=\frac1z$를 넣습니다.

$$\begin{aligned}e^{1/z}&=1+\frac1z+\frac{1}{2!\,z^2}+\frac{1}{3!\,z^3}+\cdots\\&=\sum_{n=0}^\infty\frac{1}{n!\,z^n}\end{aligned}$$

음의 거듭제곱이 끝없이 이어집니다. 따라서 $z=0$은 진성 특이점이고, $\mathrm{Res}(e^{1/z},0)=c_{-1}=1$입니다.

예제 1-3 $\dfrac{\sin z}{z^3}$, $0<|z|$ $$\begin{aligned}\frac{\sin z}{z^3}&=\frac{1}{z^3}\Big(z-\frac{z^3}{6}+\frac{z^5}{120}-\cdots\Big)\\&=\frac{1}{z^2}-\frac16+\frac{z^2}{120}-\cdots\end{aligned}$$

가장 낮은 차수가 $z^{-2}$이므로 2차 극입니다. $\frac1z$ 항이 없으므로 유수는 0입니다. 분모가 $z^3$이라 3차 극이라고 착각하기 쉽습니다.

예제 1-4 (중심 옮기기) $\dfrac{e^z}{(z-1)^2}$, $0<|z-1|$

$w=z-1$로 둡니다. $e^z=e^{1+w}=e\cdot e^w$입니다.

$$\begin{aligned}\frac{e\,e^w}{w^2}&=\frac{e}{w^2}\Big(1+w+\frac{w^2}{2}+\cdots\Big)\\&=\frac{e}{(z-1)^2}+\frac{e}{z-1}+\frac e2+\cdots\end{aligned}$$

2차 극이고 유수는 $e$입니다.

2. 특이점 분류

종류로랑 전개 ($0<|z-a|<r$)극한으로 판정
제거 가능한 특이점(removable singularity)음의 거듭제곱이 없음$\lim_{z\to a}f$가 유한
$m$차 극(pole of order $m$)음의 거듭제곱이 $c_{-m}(z-a)^{-m}$에서 끝남$\lim(z-a)^mf$가 0이 아닌 유한값
진성 특이점(essential singularity)음의 거듭제곱이 끝없이 이어짐어떤 $m$으로도 안 됨
분류 절차
  1. $e^{1/(z-a)}$, $\sin\frac{1}{z-a}$처럼 특이점 안쪽에 초월함수가 걸려 있으면 진성 특이점일 가능성이 큽니다. 로랑 전개로 확인합니다.
  2. $f=\dfrac{p}{q}$ 꼴이면 영점의 차수(order of zero)를 셉니다. 영점의 차수는 테일러 전개에서 처음으로 0이 아닌 항의 차수입니다. 예: $\sin z$는 1, $1-\cos z$는 2, $z^2\sin z$는 3, $e^z-1$은 1.
  3. $q$의 영점 차수가 $k$, $p$의 영점 차수가 $j$($p(a)\ne0$이면 $j=0$)일 때, $k>j$이면 $(k-j)$차 극, $k\le j$이면 제거 가능입니다.
  4. 헷갈리면 극한으로 확인합니다. $\lim(z-a)^mf$가 0이 아닌 유한값이 되는 $m$이 극의 차수입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

분자와 분모에서 $(z-a)$를 영점 차수만큼 묶어 냅니다: $p=(z-a)^j\,\tilde p$, $q=(z-a)^k\,\tilde q$, 단 $\tilde p(a)\ne0$, $\tilde q(a)\ne0$. 그러면

$$f=\frac pq=(z-a)^{j-k}\cdot\frac{\tilde p}{\tilde q}$$

$\tilde p/\tilde q$는 $a$에서 해석적이고 값이 0이 아니므로 테일러 전개가 $b_0+b_1(z-a)+\cdots$ ($b_0\ne0$)입니다. 그래서 로랑 전개의 맨 앞 항이 $b_0(z-a)^{j-k}$입니다. $k>j$이면 $(k-j)$차 극, $k\le j$이면 음의 거듭제곱이 없어서 제거 가능입니다. $\lim(z-a)^{k-j}f=b_0\ne0$인 것도 같은 식에서 나옵니다. 진성 특이점은 이런 꼴로 쓸 수 없는 경우입니다.

예제 2-1 $z=0$에서 분류하기
  1. $\dfrac{\sin z}{z}$: 분자·분모 모두 1차 영점, $k=j=1$. 제거 가능($\lim=1$).
  2. $\dfrac{1-\cos z}{z^4}$: 분자 2차($1-\cos z=\frac{z^2}{2}-\cdots$), 분모 4차. $4-2=2$차 극. 실제로 $\frac{1}{2z^2}-\frac1{24}+\cdots$.
  3. $\dfrac{1}{z^2\sin z}$: 분모가 $z^2\cdot(z-\cdots)$이라 3차 영점. 3차 극. 확인: $\lim z^3\cdot\frac{1}{z^2\sin z}=\lim\frac{z}{\sin z}=1$.
  4. $\sin\dfrac1z=\dfrac1z-\dfrac{1}{6z^3}+\dfrac1{120z^5}-\cdots$: 음의 거듭제곱이 끝없이 이어지므로 진성 특이점.

3. 유수 계산 공식과 쓰는 순서

쓰는 순서
  1. 2절로 극의 차수부터 정합니다.
  2. 단순극이고 $f=p/q$ 꼴 → ② $\dfrac{p(a)}{q'(a)}$. 가장 빠릅니다. $q$를 인수분해할 필요가 없습니다.
  3. 단순극이고 $(z-a)$ 인수가 이미 보이면 → ① 그 인수를 가리고 $z=a$를 넣습니다.
  4. 2차 극 → ③ ($m=2$): $(z-a)^2f$를 한 번 미분하고 $z=a$를 넣습니다.
  5. 3차 이상의 극, 진성 특이점, 또는 $\sin$·$e^z$가 섞여 미분이 지저분하면 → ④ 로랑 전개에서 $c_{-1}$만 읽습니다. 필요한 차수까지만 전개합니다.

지름길: 극이 $z=0$이고 $f$가 짝함수($f(-z)=f(z)$)이면 홀수 차수 항이 없으므로 $\mathrm{Res}(f,0)=0$입니다(예제 1-3).

안전장치: 극의 차수를 실제보다 크게 잡아도 ③은 맞는 값을 줍니다. 미분이 늘어날 뿐입니다. 차수가 확실하지 않으면 크게 잡으세요. 작게 잡으면 틀립니다.

왜 되나? (증명 스케치)

③ $m$차 극. $f=\dfrac{c_{-m}}{(z-a)^m}+\cdots+\dfrac{c_{-1}}{z-a}+c_0+\cdots$에 $(z-a)^m$을 곱하면 음의 거듭제곱이 사라집니다.

$$\begin{aligned}g(z)&=(z-a)^mf(z)\\&=c_{-m}+\cdots+c_{-1}(z-a)^{m-1}+\cdots\end{aligned}$$

$g$는 보통의 테일러 급수이므로 $(z-a)^{m-1}$의 계수 $c_{-1}$은 $\dfrac{g^{(m-1)}(a)}{(m-1)!}$입니다. $m$을 실제 차수보다 크게 잡으면 $g$ 앞쪽에 0인 계수가 붙을 뿐이라 결과가 같습니다(안전장치).

①은 $m=1$인 경우입니다: 미분 없이 $c_{-1}=g(a)=\lim(z-a)f$.

②: $q(a)=0$, $q'(a)\ne0$이면 $q(z)=q'(a)(z-a)+\frac{q''(a)}{2}(z-a)^2+\cdots$입니다. ①에 넣으면

$$\lim_{z\to a}\frac{(z-a)\,p(z)}{q'(a)(z-a)+\cdots}=\frac{p(a)}{q'(a)}$$

④가 정의이고, ①–③은 $c_{-1}$을 빨리 꺼내는 요령입니다. 막히면 언제나 로랑 전개로 돌아가면 됩니다.

예제 3-1 (단순극, ①과 ②) $f=\dfrac{e^z}{z^2+1}$의 $z=\pm i$

① 극한: $z^2+1=(z-i)(z+i)$이므로

$$\begin{aligned}\mathrm{Res}(f,i)&=\lim_{z\to i}(z-i)\frac{e^z}{(z-i)(z+i)}\\&=\frac{e^{i}}{2i}\end{aligned}$$

② $p/q'$: $p=e^z$, $q=z^2+1$, $q'=2z$.

$$\mathrm{Res}(f,i)=\frac{e^{i}}{2i},\qquad \mathrm{Res}(f,-i)=\frac{e^{-i}}{-2i}$$

두 유수의 합은 $\dfrac{e^i-e^{-i}}{2i}=\sin1$입니다. (L10 연습문제 D8의 답 $2\pi i\sin1$이 여기서 나옵니다.)

예제 3-2 (② 공식이 빛나는 경우)

(a) $\tan z=\dfrac{\sin z}{\cos z}$의 $z=\frac\pi2$: $p=\sin z$, $q=\cos z$, $q'=-\sin z$.

$$\mathrm{Res}\Big(\tan z,\frac\pi2\Big)=\frac{\sin(\pi/2)}{-\sin(\pi/2)}=-1$$

모든 극 $z=\frac\pi2+k\pi$에서 같은 방법으로 유수가 $-1$입니다.

(b) $\dfrac{1}{z^4+1}$의 극 $a$ (단, $a^4=-1$): $q'=4z^3$.

$$\mathrm{Res}=\frac{1}{4a^3}=\frac{a}{4a^4}=-\frac{a}{4}$$

분자·분모에 $a$를 곱해 $a^4=-1$을 쓰는 요령입니다. $a=e^{i\pi/4}$이면 $-\dfrac{e^{i\pi/4}}{4}=-\dfrac{1+i}{4\sqrt2}$. 인수분해했다면 훨씬 길어집니다.

예제 3-3 (③ 2차 극) $f=\dfrac{e^z}{z^2(z-1)}$

$z=0$은 2차 극입니다. $z^2f=\dfrac{e^z}{z-1}$을 한 번 미분합니다(몫의 미분).

$$\frac{d}{dz}\frac{e^z}{z-1}=\frac{e^z(z-1)-e^z}{(z-1)^2}=\frac{e^z(z-2)}{(z-1)^2}$$ $$\mathrm{Res}(f,0)=\frac{1}{1!}\cdot\frac{e^0(0-2)}{(0-1)^2}=-2$$

$z=1$은 단순극입니다. $(z-1)$을 가리고 $z=1$: $\mathrm{Res}(f,1)=\dfrac{e^1}{1^2}=e$.

예제 3-4 (④ 로랑이 더 빠른 경우)

(a) $\dfrac{1}{z^2\sin z}$의 $z=0$ (3차 극). ③으로 하려면 $\frac{z}{\sin z}$를 두 번 미분해야 합니다. 대신 $\frac1{\sin z}$를 전개합니다.

$$\begin{aligned}\frac{1}{\sin z}&=\frac{1}{z\big(1-\frac{z^2}{6}+\cdots\big)}\\&=\frac1z\Big(1+\frac{z^2}{6}+\cdots\Big)\end{aligned}$$ $$\frac{1}{z^2\sin z}=\frac{1}{z^3}+\frac{1}{6z}+\cdots\ \Rightarrow\ \mathrm{Res}=\frac16$$

(검산: ③으로 하면 $\frac{z}{\sin z}=1+\frac{z^2}{6}+\cdots$의 2계도함수가 $0$에서 $\frac13$이고, $\frac{1}{2!}\cdot\frac13=\frac16$으로 같습니다.)

(b) $z^2e^{1/z}$의 $z=0$ (진성 특이점). ①–③은 쓸 수 없습니다.

$$\begin{aligned}z^2e^{1/z}&=z^2\Big(1+\frac1z+\frac1{2z^2}+\frac{1}{6z^3}+\cdots\Big)\\&=z^2+z+\frac12+\frac{1}{6z}+\cdots\end{aligned}$$

$\mathrm{Res}=\dfrac16$. $z^2$과 곱해서 $\frac1z$이 되는 항, 곧 $\frac{1}{3!\,z^3}$만 찾으면 됩니다.

4. 유수정리로 폐곡선 적분

레시피
  1. 특이점을 모두 찾습니다($\tan z$처럼 무한히 많으면 경로 근처 것만).
  2. 경로 안에 있는지 판정합니다(L10의 5절).
  3. 안에 있는 점에서만 유수를 구합니다(3절의 순서).
  4. $\displaystyle\oint_Cf\,dz=2\pi i\sum_{\text{안}}\mathrm{Res}$.
  5. 경로가 유한한 특이점을 전부 감싸면 $-2\pi i\,\mathrm{Res}(f,\infty)$와 비교해 검산합니다(5절).
왜 되나? (증명 스케치)

① 작은 원으로 쪼개기. 경로 안의 특이점 $a_1,\dots,a_k$ 둘레에 작은 원을 그립니다. L10 7절의 상자(경로 쪼개기)에 따라 $\oint_C=\sum_j\oint_{|z-a_j|=\epsilon}$입니다.

② 작은 원 하나에서 항별 적분. $a_j$ 중심의 로랑 전개를 넣습니다. L10 예제 4-1에서 $\oint(z-a)^n\,dz$는 $n=-1$일 때만 $2\pi i$이고 나머지는 0입니다.

$$\oint_{|z-a|=\epsilon}\sum_n c_n(z-a)^n\,dz=2\pi i\,c_{-1}$$

③ 더하기. $\oint_C f\,dz=2\pi i\sum_j\mathrm{Res}(f,a_j)$. 유수는 "한 바퀴 적분에서 살아남는 유일한 계수"입니다. 0절의 계수 공식에 $n=-1$을 넣은 것과 같은 말입니다. (급수를 항별로 적분해도 되는 이유는 생략합니다.)

예제 4-1 $\displaystyle\oint\frac{e^z}{z^2(z-1)}\,dz$

유수는 예제 3-3에서 구했습니다: $\mathrm{Res}(f,0)=-2$, $\mathrm{Res}(f,1)=e$.

(무한대 유수 검산(5절)은 이 함수에는 쓰기 어렵습니다. $e^z$ 때문에 $z=\infty$가 진성 특이점입니다.)

예제 4-2 $\displaystyle\oint_{|z|=2}\tan z\,dz$
  1. 극: $\cos z=0$, 곧 $z=\frac\pi2+k\pi$.
  2. 안쪽 판정: $\frac\pi2\approx1.57<2$이므로 $\pm\frac\pi2$는 안, $\frac{3\pi}2\approx4.71>2$이므로 나머지는 밖.
  3. 유수: 예제 3-2에서 각각 $-1$.
  4. $\oint=2\pi i\,(-1-1)=-4\pi i$.
예제 4-3 $\displaystyle\oint\frac{dz}{z^4+1}$, 두 경로

극은 $z^4=-1$의 네 근 $e^{i\pi/4},\ e^{3i\pi/4},\ e^{5i\pi/4},\ e^{7i\pi/4}$이고, 모두 $|a|=1$입니다. 유수는 예제 3-2에서 $-\frac a4$입니다.

(a) $|z|=2$: 넷 다 안. 합은 $-\frac14\sum a=0$입니다($z^4+1$에 $z^3$ 항이 없으므로 근의 합이 0). 따라서 $\oint=0$. 검산(5절): 큰 $z$에서 $f\approx\frac1{z^4}$이라 $\mathrm{Res}(f,\infty)=0$. 맞습니다.

(b) $|z-i|=1$: 중심 $i$와의 거리를 잽니다.

$$\begin{aligned}\oint&=2\pi i\cdot\Big(-\frac14\Big)\big(e^{i\pi/4}+e^{3i\pi/4}\big)\\&=2\pi i\cdot\Big(-\frac14\Big)(i\sqrt2)=\frac{\pi}{\sqrt2}\end{aligned}$$

이 값은 L12에서 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^4+1}$의 답으로 다시 나옵니다.

5. 무한대에서의 유수 — 검산 도구

레시피
  1. $|z|$가 클 때 성립하는 전개를 만들고 $\frac1z$의 계수 $c_{-1}$을 읽습니다. $\mathrm{Res}(f,\infty)=-c_{-1}$입니다. 같은 값을 $-\mathrm{Res}\big(\frac{1}{w^2}f(\frac1w),\,0\big)$로 구할 수도 있습니다.
  2. 빠른 규칙: 큰 $z$에서 $f\approx\dfrac Az$이면 $\mathrm{Res}(f,\infty)=-A$입니다. $f$가 $\frac1{z^2}$보다 빨리 0으로 가면 $\mathrm{Res}(f,\infty)=0$입니다. 유리함수라면 분모 차수가 분자보다 정확히 1 크면 $A=$ 최고차 계수의 비, 2 이상 크면 0입니다.
  3. 특이점이 유한 개이면 (유한한 점의 유수 합) $+\ \mathrm{Res}(f,\infty)=0$입니다.
  4. 쓰는 곳: (가) 유수를 다 구한 뒤 합이 맞는지 검산. (나) 경로가 유한한 특이점을 전부 감쌀 때 $\oint f\,dz=-2\pi i\,\mathrm{Res}(f,\infty)$로 한 번에 계산.
왜 되나? (증명 스케치)

유한한 특이점이 모두 원 $|z|=R$ 안에 있다고 합시다. 이 큰 원 위에서는 큰 $|z|$의 전개 $f=\sum c_nz^n$을 항별로 적분할 수 있고, 4절의 상자처럼 $\frac1z$ 항만 남습니다.

$$\oint_{|z|=R}f\,dz=2\pi i\,c_{-1}$$

같은 원에 유수정리(4절)를 쓰면 $2\pi i\sum_{\text{유한}}\mathrm{Res}$입니다. 비교하면 $\sum_{\text{유한}}\mathrm{Res}=c_{-1}$이고, $\mathrm{Res}(f,\infty)=-c_{-1}$로 정의하면 모든 유수의 합이 0이 됩니다. 마이너스는 "$\infty$를 왼쪽에 두고 돌면 큰 원을 시계 방향으로 돈다"는 뜻입니다.

$w=\frac1z$ 공식: $dz=-\frac{dw}{w^2}$이고, $z$평면의 반시계 큰 원은 $w$평면의 시계 방향 작은 원이 됩니다. 두 마이너스가 상쇄되어 $\oint_{|z|=R}f\,dz=2\pi i\,\mathrm{Res}\big(\frac{1}{w^2}f(\frac1w),0\big)$. 그래서 $\mathrm{Res}(f,\infty)=-\mathrm{Res}\big(\frac1{w^2}f(\frac1w),0\big)$입니다.

예제 5-1

(a) $f=\dfrac{z^3}{z^4+1}$. 극 네 개 $a$에서 ② 공식: $\dfrac{a^3}{4a^3}=\dfrac14$. 합은 $1$입니다.

큰 $z$에서 $f=\dfrac1z\cdot\dfrac{1}{1+z^{-4}}=\dfrac1z-\dfrac1{z^5}+\cdots$이므로 $\mathrm{Res}(f,\infty)=-1$. 합 $1+(-1)=0$으로 맞습니다.

그래서 극을 모두 감싸는 $|z|=2$에서 $\displaystyle\oint_{|z|=2}\frac{z^3}{z^4+1}dz=2\pi i\cdot1=2\pi i$입니다.

(b) 예제 1-1의 $f=\dfrac{1}{(z-1)(z-2)}$. $\mathrm{Res}(f,1)=-1$, $\mathrm{Res}(f,2)=1$. 큰 $z$에서의 전개 (c)의 $c_{-1}=0$이므로 $\mathrm{Res}(f,\infty)=0$. 합이 0으로 맞습니다.

6. 분지점과 분지절단

Arfken 7판에서는 11.6절(특이점)에서 극과 함께 다룬다고 기억합니다(기억 기반, 미검증). L02 6절의 다가함수가 출발점이고, L12 5절의 열쇠구멍 적분에서 바로 씁니다.

레시피
  1. 다가 인수 찾기: $(z-b)^{\alpha}$ ($\alpha$가 정수 아님)나 $\ln(z-b)$ 꼴을 찾습니다. 분지점 후보는 각 $b$와 $\infty$입니다.
  2. 한 바퀴 시험: $b$ 둘레를 반시계로 한 바퀴 돌면 $\arg(z-b)$가 $2\pi$ 늘어납니다. 그래서 $(z-b)^\alpha$는 $e^{2\pi i\alpha}$배가 되고, $\ln(z-b)$에는 $2\pi i$가 더해집니다. 원래 값으로 돌아오지 않으면 $b$는 분지점(branch point)입니다.
  3. 인수가 여럿: 거듭제곱의 곱은 위상을 곱하고, 로그의 합은 $2\pi i$를 더합니다. 경로가 감싼 점의 인수만 바뀝니다.
  4. $\infty$ 시험: 유한한 분지점을 모두 감싸는 큰 원을 돕니다. 원래 값으로 돌아오면 $\infty$는 분지점이 아닙니다. ($w=\frac1z$로 바꿔 $w=0$을 시험해도 같습니다.)
  5. 분지절단(branch cut): 분지점끼리, 또는 분지점과 $\infty$를 잇는 선을 긋습니다. 절단선을 건너지 않는 모든 폐곡선에서 위상이 1이면 됩니다. 그러면 절단선 밖에서 함수가 값 하나로 정해지는 해석함수가 됩니다.
  6. 절단선의 위와 아래: 두 쪽의 값은 한 바퀴 위상만큼 다릅니다. 적분할 때는 위쪽 변과 아래쪽 변을 따로 계산합니다(L12 5절).

분지점은 극이 아닙니다. 유수도 로랑 전개도 없습니다. 경로가 분지점을 감싸거나 절단선을 건너면 유수정리를 그대로 쓸 수 없습니다.

왜 되나? (증명 스케치)

$z-b=\rho e^{i\varphi}$로 쓰고, 경로를 따라가며 $\varphi$를 끊기지 않게 바꿉니다. $b$를 감싸는 폐곡선을 한 바퀴 돌면 $\varphi$는 $2\pi$만큼 늘어난 채로 끝납니다. $b$를 감싸지 않으면 $\varphi$는 늘었다가 줄어서 처음 값으로 돌아옵니다.

그래서 $(z-b)^\alpha=\rho^\alpha e^{i\alpha\varphi}$는 감싼 점에 대해서만 $e^{2\pi i\alpha}$배가 되고, $\ln(z-b)=\ln\rho+i\varphi$는 $2\pi i$가 더해집니다. 인수가 여럿이면 감싼 인수의 위상만 곱해집니다. 큰 원은 유한한 점을 모두 감싸므로, 모든 인수의 위상을 곱한 것이 $\infty$의 시험이 됩니다.

$\alpha$가 정수이면 $e^{2\pi i\alpha}=1$이라 분지점이 아닙니다. $\alpha$가 음의 정수이면 극입니다.

예제 6-1 $\sqrt z$와 $\sqrt{z^2-1}$

(a) $\sqrt z=z^{1/2}$. $0$ 둘레 한 바퀴: $e^{2\pi i\cdot\frac12}=e^{i\pi}=-1$. 부호가 바뀌므로 $0$은 분지점입니다. 큰 원도 $0$ 하나만 감싸므로 역시 $-1$이고, $\infty$도 분지점입니다. 절단선은 $0$에서 $\infty$까지 가는 반직선입니다. 주가지(L02)는 음의 실축을, L12의 열쇠구멍은 양의 실축을 자릅니다.

(b) $\sqrt{z^2-1}=\sqrt{z-1}\,\sqrt{z+1}$.

절단선 위아래의 값($-1<x<1$). 위쪽에서는 $z-1=(1-x)e^{i\pi}$, $z+1=(1+x)e^{i0}$입니다.

$$\begin{aligned}\text{위:}\ &\sqrt{1-x}\,e^{i\pi/2}\cdot\sqrt{1+x}=i\sqrt{1-x^2}\\\text{아래:}\ &\sqrt{1-x}\,e^{-i\pi/2}\cdot\sqrt{1+x}=-i\sqrt{1-x^2}\end{aligned}$$

아래쪽은 $z-1=(1-x)e^{-i\pi}$이기 때문입니다. 부호가 반대입니다.

큰 $|z|$에서는 이 가지가 $z\sqrt{1-z^{-2}}$이고, L01의 이항급수로

$$\sqrt{z^2-1}=z-\frac{1}{2z}-\frac{1}{8z^3}-\cdots$$

입니다. $c_{-1}=-\frac12$이므로 $\mathrm{Res}(\sqrt{z^2-1},\infty)=\frac12$입니다(5절, 연습문제 E4).

7. 자주 하는 실수

8. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy와 수치 경로적분으로 검산했습니다.

A. 로랑 전개

A1. $\dfrac{1}{z(z-1)}$, $0<|z|<1$

답$-\dfrac1z-1-z-z^2-\cdots$ — $-\frac1z\cdot\frac1{1-z}$.

A2. $\dfrac{1}{z(z-1)}$, $|z|>1$

답$\dfrac1{z^2}+\dfrac1{z^3}+\dfrac1{z^4}+\cdots$ — $\frac{1}{z^2}\cdot\frac{1}{1-1/z}$. $c_{-1}=0$이고 이는 두 유수 $-1$, $+1$의 합입니다.

A3. $\dfrac{1}{z(z-1)}$, $0<|z-1|<1$

답$\dfrac1{z-1}-1+(z-1)-(z-1)^2+\cdots$ — $w=z-1$, $\frac1w\cdot\frac{1}{1+w}$. 유수 $1$.

A4. $\dfrac{1}{(z+1)(z-3)}$, $1<|z|<3$ (앞쪽 몇 항)

답$\cdots+\dfrac{1}{4z^2}-\dfrac{1}{4z}-\dfrac1{12}-\dfrac{z}{36}-\dfrac{z^2}{108}-\cdots$ — $\frac14\big(\frac1{z-3}-\frac1{z+1}\big)$. $\frac1{z-3}$은 3을 묶어 내고, $\frac1{z+1}$은 $z$를 묶어 냅니다.

A5. $z^3e^{1/z}$, $0<|z|$. 특이점 종류와 유수

답$z^3+z^2+\dfrac z2+\dfrac16+\dfrac1{24z}+\dfrac{1}{120z^2}+\cdots$. 진성 특이점, 유수 $\dfrac1{24}$ — $\frac{1}{4!\,z^4}$에 $z^3$을 곱한 항.

A6. $\dfrac{e^z}{z^3}$, $0<|z|$. 극의 차수와 유수

답$\dfrac1{z^3}+\dfrac1{z^2}+\dfrac1{2z}+\dfrac16+\dfrac{z}{24}+\cdots$. 3차 극, 유수 $\dfrac12$.

A7. 수렴 반지름만 바로 쓰세요. (a) $\dfrac{1}{z^2+4}$의 $z=1$ 중심 테일러 급수 (b) $\tan z$의 $z=0$ 중심 테일러 급수

답(a) $\sqrt5$ (b) $\dfrac\pi2$ — (a) 특이점 $\pm2i$까지의 거리 $|1\mp2i|=\sqrt5$. (b) 가장 가까운 극 $\pm\frac\pi2$.

B. 특이점 분류

B1. $\dfrac{e^z-1}{z}$의 $z=0$

답제거 가능 — 극한 1. 분자·분모 모두 1차 영점.

B2. $\dfrac{1}{z(e^z-1)}$의 $z=0$

답2차 극 — $e^z-1$이 1차 영점이라 분모 전체는 2차 영점. $\lim z^2f=1$.

B3. $\cos\dfrac1z$의 $z=0$

답진성 특이점 — $1-\frac{1}{2z^2}+\frac{1}{24z^4}-\cdots$. 유수는 0입니다(홀수 차수 항이 없음).

B4. $\dfrac{z^2-1}{(z-1)^3}$의 $z=1$

답2차 극 — 약분하면 $\frac{z+1}{(z-1)^2}$. 분자의 1차 영점이 하나를 지웁니다.

B5. $\dfrac{1}{1-e^z}$의 모든 특이점과 종류, 유수

답$z=2\pi ik$ ($k$는 정수)에서 단순극, 유수는 모두 $-1$ — $q=1-e^z$, $q'=-e^z=-1$.

C. 유수 구하기

C1. $\dfrac{z+1}{z^2-2z}$의 모든 유수

답$z=0$: $-\dfrac12$, $z=2$: $\dfrac32$ — $z(z-2)$에서 가리기.

C2. $\dfrac{e^{iz}}{(z-i)^2}$의 $z=i$

답$\dfrac{i}{e}$ — 2차 극. $(e^{iz})'=ie^{iz}$에 $z=i$: $ie^{-1}$.

C3. $\dfrac{z}{(z-1)^2(z+1)}$의 모든 유수와 무한대 유수

답$z=1$: $\dfrac14$, $z=-1$: $-\dfrac14$, $\infty$: $0$ — $\frac{d}{dz}\frac{z}{z+1}=\frac{1}{(z+1)^2}$. 큰 $z$에서 $f\approx\frac1{z^2}$이라 합이 0으로 맞습니다.

C4. $\dfrac{1}{\sin z}$의 $z=\pi$, $\cot z$의 $z=k\pi$

답$-1$, $1$ — $\frac{1}{\cos\pi}=-1$, $\frac{\cos k\pi}{\cos k\pi}=1$.

C5. $\dfrac{1}{z^3(z+1)}$의 모든 유수

답$z=0$: $1$, $z=-1$: $-1$ — $\frac{1}{1+z}=1-z+z^2-\cdots$에서 $z^2$의 계수. 합 0으로 검산.

C6. $z\cos\dfrac1z$의 $z=0$

답$-\dfrac12$ — $z\big(1-\frac{1}{2z^2}+\cdots\big)=z-\frac{1}{2z}+\cdots$.

C7. $\dfrac{1}{z^2\sinh z}$의 $z=0$

답$-\dfrac16$ — $\frac1{\sinh z}=\frac1z-\frac z6+\cdots$. 예제 3-4와 부호만 다릅니다.

C8. $\dfrac{1}{z(e^z-1)}$의 $z=0$

답$-\dfrac12$ — $\frac{1}{e^z-1}=\frac{1}{z(1+\frac z2+\frac{z^2}6+\cdots)}=\frac1z-\frac12+\frac{z}{12}-\cdots$.

D. 유수정리

D1. $\displaystyle\oint_{|z|=3}\frac{z+1}{z^2-2z}\,dz$

답$2\pi i$ — C1의 두 유수 합 $1$.

D2. $\displaystyle\oint_{|z|=1}\frac{dz}{z^2\sin z}$

답$\dfrac{\pi i}{3}$ — $z=0$만 안($\pm\pi$는 밖), 유수 $\frac16$.

D3. $\displaystyle\oint_{|z|=4}\cot z\,dz$

답$6\pi i$ — $0,\ \pm\pi$가 안($\pi\approx3.14<4$), $\pm2\pi$는 밖. 유수 각 1.

D4. $\displaystyle\oint_{|z|=1}z^2e^{1/z}\,dz$

답$\dfrac{\pi i}{3}$ — 예제 3-4(b)의 유수 $\frac16$.

D5. $\displaystyle\oint_{|z|=2}\frac{dz}{(z-1)^2(z+3)}$

답$-\dfrac{\pi i}{8}$ — $z=-3$은 밖. $z=1$에서 $\frac{d}{dz}\frac1{z+3}=-\frac{1}{16}$.

D6. $\displaystyle\oint_{|z|=5}\frac{z^3}{(z-1)(z-2)(z-3)(z-4)}\,dz$

답$2\pi i$ — 극 넷이 모두 안. 큰 $z$에서 $f\approx\frac1z$이라 $\mathrm{Res}(f,\infty)=-1$, $\oint=-2\pi i\cdot(-1)$. 하나씩 구하면 $-\frac16+4-\frac{27}2+\frac{32}3=1$로 같습니다.

E. 분지점과 분지절단

E1. $z^{1/3}(z-1)^{2/3}$의 분지점과, 가장 짧은 분지절단

답분지점 $0$, $1$. $\infty$는 아님. 절단은 선분 $[0,1]$ — $0$ 둘레 $e^{2\pi i/3}$, $1$ 둘레 $e^{4\pi i/3}$, 큰 원 $e^{2\pi i/3}e^{4\pi i/3}=e^{2\pi i}=1$.

E2. $\ln\dfrac{z-1}{z+1}$의 분지점과 분지절단

답분지점 $\pm1$, 절단 $[-1,1]$ — $\ln(z-1)-\ln(z+1)$. $1$ 둘레 $+2\pi i$, $-1$ 둘레 $-2\pi i$, 큰 원에서 합 0이라 $\infty$는 분지점이 아님.

E3. $\sqrt{z(z-1)(z-2)}$에서 $\infty$는 분지점입니까? 절단선을 하나 제시하세요.

답예. 절단 예: $[0,1]$과 $[2,\infty)$ — 큰 원에서 $(-1)^3=-1$. $0$과 $1$을 함께 감싸면 $(-1)^2=1$이라 $[0,1]$로 묶을 수 있고, 남는 $2$는 $\infty$와 잇습니다.

E4. $\displaystyle\oint_{|z|=2}\sqrt{z^2-1}\,dz$ (절단 $[-1,1]$, 큰 $|z|$에서 $\sqrt{z^2-1}\approx z$인 가지)

답$-\pi i$ — 예제 6-1에서 큰 $|z|$ 전개의 $c_{-1}=-\frac12$. 원 $|z|=2$ 밖에는 특이점이 없으므로 $\oint=2\pi i\,c_{-1}=-2\pi i\,\mathrm{Res}(f,\infty)$.

9. 다음

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