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Rouché 定理

主函数 f(z) 沿围道走出一圈像曲线;扰动 g(z) 给每个像点套上一根长度 |g| 的毛刺。只要毛刺够不着原点, f 与 f+g 在围道里的零点就一样多。

主函数 f(z)

变量 z

扰动 g(z)

变量 z
z 平面 · 围道
—
  • 围道 Γ 与游标
  • f 的零点(蓝,标序号)
  • f+g 的零点(琥珀)
w 平面 · f(Γ) + |g| 毛刺
—
  • 主曲线 f(Γ)
  • 毛刺:从 f 沿 ±f 方向长 |g|
  • 影子曲线 (f+g)(Γ) 始终困在管内

零点账本

—
围道内零点 N(f)—
围道内零点 N(f+g)—
绕圈数 wind(f∘Γ)—
安全余量 min(|f|−|g|)—

毛刺碰不到原点 ⇔ 围道上处处 |g| < |f| ⇔ 影子曲线 (f+g)(Γ) 无法逃出管子、也就无法挣脱绕圈数 —— 两个 N 必然相等。 把 g 的系数 slider 拉大,看它破防的瞬间与零点跳变。

1.0×
围道形状

Rouché 定理在说什么

围道 Γ 上处处 |g| < |f|, 则 f 与 f+g 在 Γ 内零点一样多(按重数)。

证明骨架 wind(f∘Γ) = wind((f+g)∘Γ) = N(辐角原理)
为什么 线段 f(z)→(f+g)(z) 从不过 0 ⇒ 两曲线同痕 ⇒ 绕圈数相同

直觉:管子的每个横截面是从 f 沿 ±f 方向(即"远离/冲向原点"方向)伸 |g| 长的毛刺。f+g 的值离 f 不超过 |g|,且横向偏移被辐角原理锁进同一叶 —— 影子永远逃不出管壁,也就永远数不出多余的零点。

本页两条独立管线对账:零点由网格扫描 + Newton 精修数出来;绕圈数由像曲线辐角累加出来。 毛刺碰原点的瞬间(|g|=|f| 破防),管壁塌陷,N(f+g) 立刻跳变 —— 条件一旦不成立,结论真的会失效。

怎么玩

  1. 默认 f=z⁴−3z+1, g=0.4z³。单位圆围道里两者都恰好 1 个零点 —— 安全余量 0.6,毛刺碰不到原点。
  2. 代数基本定理一屏证完。预设「ABT」:f=z⁵ 在圆心有五重零点;g=3+0.1z 再横,围道 |z|=1.6 上 |g|≤3.16 ≪ |f|=10.5 —— f+g 也恰好 5 个零点,且被管子锁在同一圈里。
  3. 拉扰动 slider 看破防。预设「eᶻ+0.1z」:f=exp(z) 无零点(管中影也 0 个);slider 拉到 2,毛刺碰原点,零点凭空多出一个 —— 前提一破,结论真的失效。
  4. 换围道形状。把围道缩到只含部分零点,或拖成 8 字让绕圈数带符号 —— 管子账本照样吻合。

毛刺为什么沿 ±f 方向画?

最危险的方向是冲向原点的方向:只要沿 −f 方向的毛刺都碰不到 0, 任何方向的扰动 g(|g| 不超过毛刺长)都碰不到。一根毛刺管住整个圆盘 —— 这就是"逐点 |g|<|f|"的几何真身。

和卷绕数页的分工

卷绕数页问"像曲线绕了几圈";本页把圈数当守恒量用 —— 扰动改不了圈数,所以也改不了零点个数。是同一台辐角引擎的两种活法。