給定系統

假設
的根都不在虛軸上,並且令
= 是
的根的實部為負數的個數,
= 是
的根的實部為正數的個數,
因此可得

將
以極座標型式表示,可得

其中
![{\displaystyle \rho (x)={\sqrt {{\mathfrak {Re}}^{2}[f(x)]+{\mathfrak {Im}}^{2}[f(x)]}}\quad (5)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f3342273646dc0f1235561b387b7af52e776938a)
且
![{\displaystyle \theta (x)=\tan ^{-1}{\big (}{\mathfrak {Im}}[f(x)]/{\mathfrak {Re}}[f(x)]{\big )}\quad (6)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f7b2086266668256c2065a93ae151bb2aba594d0)
根據(2)會發現

其中

若
的第i個根的實部為正,則(用y=(RE[y],IM[y])的表示法)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\theta _{r_{i}}(x){\big |}_{x=-j\infty }&=\angle (x-r_{i}){\big |}_{x=-j\infty }\\&=\angle (0-{\mathfrak {Re}}[r_{i}],-\infty -{\mathfrak {Im}}[r_{i}])\\&=\angle (-|{\mathfrak {Re}}[r_{i}]|,-\infty )\\&=\pi +\lim _{\phi \to \infty }\tan ^{-1}\phi ={\frac {3\pi }{2}}\quad (9)\\\end{aligned}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8b5b7395910dafa111cef24840a04b6f678dde27)
且
![{\displaystyle \theta _{r_{i}}(x){\big |}_{x=j0}=\angle (-|{\mathfrak {Re}}[r_{i}]|,0)=\pi -\tan ^{-1}0=\pi \quad (10)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a8a52bccf4aeb16d032d5a102c1ae9bc8b6bcd1f)
且
![{\displaystyle \theta _{r_{i}}(x){\big |}_{x=j\infty }=\angle (-|{\mathfrak {Re}}[r_{i}]|,\infty )=\pi -\lim _{\phi \to \infty }\tan ^{-1}\phi ={\frac {\pi }{2}}\quad (11)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/838372f37cf13c3c184a2477039b676104cb7a5f)
同樣地,若
的第i個根的實部為負,
![{\displaystyle {\begin{aligned}\theta _{r_{i}}(x){\big |}_{x=-j\infty }&=\angle (x-r_{i}){\big |}_{x=-j\infty }\\&=\angle (0-{\mathfrak {Re}}[r_{i}],-\infty -{\mathfrak {Im}}[r_{i}])\\&=\angle (|{\mathfrak {Re}}[r_{i}]|,-\infty )\\&=0-\lim _{\phi \to \infty }\tan ^{1}\phi =-{\frac {\pi }{2}}\quad (2)\\\end{aligned}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/de58d21c449a38a7a60691d0083d7d1d5a467d67)
且
![{\displaystyle \theta _{r_{i}}(x){\big |}_{x=j0}=\angle (|{\mathfrak {Re}}[r_{i}]|,0)=\tan ^{-1}0=0\,\quad (13)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f0af975bb9b398ec5e8cf3b476787d1db575c52d)
且
![{\displaystyle \theta _{r_{i}}(x){\big |}_{x=j\infty }=\angle (|{\mathfrak {Re}}[r_{i}]|,\infty )=\lim _{\phi \to \infty }\tan ^{-1}\phi ={\frac {\pi }{2}}\,\quad (14)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ec04aab88fc87619bb9b6771313b6b3e63ccb771)
由(9)至(11)式可知,若
的第i個根實部為正,則
,由(12)至(14)式可知,若
的第i個根實部為負,則
。因此

若定義

則可以得到以下的關係

結合(3)式及(17)式可得
且
因此,給定
次的方程
,只需要計算
,就可以得到根的實部為負的個數
,以及根的實部為正的個數
。
|
圖1
|
相對 的圖
|
配合(6)式及圖1,
相對
的圖,將
在區間(a,b)之間變化,其中
,而
,都是
的整數倍,若此變化會使函數
增加
,表示在從點a到點b的過程中,
從
「跳到」
的次數比從
「跳到」
的次數多一次。相反的,此變化會使函數
減少
,表示在從點a到點b的過程中,
從
「跳到」
的次數比從
「跳到」
的次數少一次。
因此,
是
從
跳到
的次數,減掉同函數從
跳到
的次數,兩者差的
倍。假設在
處,
有定義
|
圖2
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相對 的圖
|
若起始點是在不連續點(
, i = 0, 1, 2, ...),則因為公式(17)(
和
都是整數,因此
也是整數),其結束點也會在不連續點。此時可以調整指標函數(正跳躍和負跳躍的差值)的計算方式,將正切函數的X軸移動
,也就是在
上加
。此時的指標函數在各種
的係數組合下都有定義,就是在起始點(及結束點)連續的區間(a,b) =
內計算
,再在起始點連續的區間,計算
![{\displaystyle \tan[\theta '(x)]=\tan[\theta +\pi /2]=-\cot[\theta (x)]=-{\mathfrak {Re}}[f(x)]/{\mathfrak {Im}}[f(x)]\quad (19)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6e718d1233f9c08d6cb4344dae637f97bc9804db)
差值
是
從正跳躍和負跳躍的差值,若計算從
到
所產生的差值,即為相角正切的柯西指標,其相角為
或
,視
是否是
的整數倍而定。