保形变换
目录
1 解析函数导数的几何意义 3
2 保形变换 3
2.1 黎曼定理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 分式线性变换 4
3.1 分式线性变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2 四类特殊的分式线性变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3 分式线性变换保圆性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.4 有限圆周的对称点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.5 三点确定分式线性变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.6 求解指定圆到圆的分式线性变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4 初等函数的映照 7
4.1 幂函数变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2 指数函数变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.3 对数函数变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5 指定区域变换的求解 8
5.1 分式线性变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5.1.1 分式线性变换的对称点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5.1.2 分式线性变换的保形性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1
5.1.3 二角形区域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1 解析函数导数的几何意义
𝑤 = 𝑓 (𝑧) 𝐷 内解析,𝑧
0
𝐷, 𝑤
0
= 𝑓 (𝑧
0
), 𝑓
(𝑧) 0
𝐷 内过 𝑧
0
的一条简单光滑曲线
𝐶 : 𝑧(𝑡) = 𝑥 (𝑡) + 𝑖𝑦(𝑡), (𝑎 𝑡 𝑏), 𝑧(𝑡
0
) = 𝑧
0
那么
𝑧
(𝑡) = 𝑥
(𝑡) + 𝑖𝑦
(𝑡)
𝑓 (𝑧) 𝐶 映成 𝑤 平面内一条过 𝑤
0
的曲线 𝐶
1
𝑤(𝑡) = 𝑓 (𝑧)
𝑤
(𝑡) = 𝑓
(𝑧)𝑧
(𝑡)
考察 𝑧 = 𝑧
0
𝑤
(𝑡
0
) = 𝑓
(𝑧
0
)𝑧
(𝑡
0
)
那么
𝑎𝑟𝑔𝑤
(𝑡
0
) = 𝑎𝑟𝑔 𝑓
(𝑧
0
) + 𝑎𝑟𝑔𝑧
(𝑡
0
) 𝑎𝑟𝑔 𝑓
(𝑧
0
) = 𝑎𝑟𝑔𝑤
(𝑡
0
) 𝑎𝑟𝑔𝑧
(𝑡
0
)
也就是设映射后的曲线为 𝐶
1
, 对应点处切线的角度相差 𝑎𝑟𝑔 𝑓
(𝑧
0
) . 这相当于对图形的旋转
因此, 解析函数具有保角性, 即设两条都过 𝑧
0
的曲线 𝐶
1
, 𝐶
2
, 则在变换 𝑤 = 𝑓 (𝑧) 下得到两条像曲线 𝐶
1
, 𝐶
2
,
它们在 𝑓 (𝑧
0
) 的夹角和 𝑧
0
处的相同
考察导数的模
|
𝑓
(𝑧
0
)
|
= lim
Δ𝑧0
𝑤(𝑧
0
+ Δ𝑧) 𝑤(𝑧
0
)
Δ 𝑧
= lim
Δ𝑧0
Δ𝑤
Δ 𝑧
因此
|
Δ𝑤
|
=
|
𝑓
(𝑧)
|
·
|
Δ 𝑧
|
, Δ𝑧 0
相当于对图形的缩放. 总结为
𝑎𝑟𝑔 𝑓
(𝑧
0
) = 𝑎𝑟𝑔𝑤
(𝑡
0
) 𝑎𝑟𝑔𝑧
(𝑡
0
),
|
Δ𝑤
|
=
|
𝑓
(𝑧)
|
·
|
Δ 𝑧
|
𝑎𝑟𝑔 𝑓
(𝑧
0
) 为变换 𝑓 (𝑧) 𝑧
0
旋转角,
|
𝑓
(𝑧
0
)
|
伸张系数
2 保形变换
保形变换即 𝑓
(𝑧) 0 的变换. 单叶函数满足这个条件
𝑤 = 𝑓 (𝑧) 为区域 𝐷 内的单叶函数, 𝑓
(𝑧) 0, 𝑧 𝐷
假设 𝑓
(𝑧
0
) = 0, 𝑔(𝑧) = 𝑓 (𝑧) 𝑓 (𝑧
0
), 𝑧
0
𝑔(𝑧) 的二级以上零点. 由单叶函数性质知 𝑧
0
𝑔(𝑧)
𝑓
(𝑧) 的孤立零点. 可以在 0 <
|
𝑧 𝑧
0
|
𝛿 小区域内使得 𝑔(𝑧) 𝑓
(𝑧) 都不为零. 𝑚 为边界上
|
𝑔(𝑧)
|
最小值, 可以取正数 𝑎 < 𝑚. 由儒歇定理得 𝑔(𝑧) + 𝑎 𝑔(𝑧) 零点级数和相等, 𝑧
0
并不是 𝑔(𝑧) + 𝑎 的零
. 然而由于 𝑓
(𝑧) 0,𝑔(𝑧) + 𝑎 的零点都是一级零点, 那么必然存在两个零点, 与单叶函数矛盾
定义保形变换的乘积: 𝑇
1
: 𝑣 = 𝑓 (𝑧), 𝑤 = 𝑔(𝑣), 则称 𝑤 = 𝑔( 𝑓 (𝑧)) 为变换 𝑇
1
, 𝑇
2
的乘积, 记为
𝑇
2
𝑇
1
: 𝑤 = 𝑔( 𝑓 (𝑧))
保形变换的乘积仍然是保形变换, 保形变换逆变换也是保形变换
2.1 黎曼定理
𝐷 𝑧 复平面上的一个单联通区域,𝐷 边界至少包含两个点, 则必存在单叶函数 𝜔 = 𝑓 (𝑧)
𝐷 变为 𝜔 平面的单位圆内区域 𝐷
1
:
|
𝜔
|
< 1. 若要求
𝑓 (𝑧
0
) = 𝜔
0
, 𝑎𝑟𝑔 𝑓
(𝑧
0
) = 𝛼
0
则把 𝐷 变成单位圆内区域的单叶函数 𝜔 = 𝑓 (𝑧) 是唯一的
注意此处 被看作一个点. 证明略
3 分式线性变换
3.1 分式线性变换
形如
𝑤 =
𝑎𝑧 + 𝑏
𝑐𝑧 + 𝑑
的变换, 称为分式线性变换. 𝑎𝑑 𝑏𝑐 , 𝑤 是常数. 由于可以通过反解得 𝑧(𝑤), 那么 𝑤 了奇点
𝑤 是单叶函数
𝑐 = 0 ,𝑤 =
𝑎
𝑑
𝑧 +
𝑏
𝑑
𝛼𝑧 + 𝛽.
𝐿 : 𝛼𝑧 + 𝛽
整线性变换 (无有限奇点, 只有 ) 奇点. 𝑐 0, 则只有唯一的有限奇点 𝑧 =
𝑑
𝑐
. 由于
lim
𝑧
𝑑
𝑐
𝑎𝑧 + 𝑏
𝑐𝑧 + 𝑑
= , lim
𝑧→∞
𝑎𝑧 + 𝑏
𝑐𝑧 + 𝑑
=
𝑎
𝑐
规定
𝑤(
𝑑
𝑐
) = , 𝑤 (∞) =
𝑎
𝑐
那么
𝑑
𝑐
是一级的唯一奇点, 是可去奇点
为了研究在奇点处的变换, 给出如下定义:
𝑡 =
1
𝑓 (𝑧)
𝑓 (𝑧) 奇点 𝑧
0
的一个邻域保形映照称 𝑡 = 0 的一个邻域, 则称 𝑤 = 𝑓 (𝑧) 将奇点 𝑧
0
的一个邻
域保形映照成 𝑤 = 的一个邻域
反之, 𝑡 =
1
𝑓 (1/𝜁 )
𝜁 = 0 一个邻域保形映照 𝑡 = 0 𝛾 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 的一个邻域, 则称 𝑤 = 𝑓 (𝑧)
𝑧 = 的一个邻域保形映照成 𝑤 =
1
𝛾
的一个邻域
按照该定义,𝑤 =
𝑎𝑧+𝑏
𝑐𝑧+𝑑
在奇点
𝑑
𝑐
的邻域也保形. 因而
分式线性变换 𝑤 =
𝑎𝑧+𝑏
𝑐𝑧+𝑑
确定一个从闭 𝑧 复平面到闭 𝑤 复平面的保形变换
3.2 四类特殊的分式线性变换
平移
𝑇 : 𝑤 = 𝑧 + 𝑏
旋转
𝑅 : 𝑤 = 𝑒
𝑖 𝜃
𝑧
相似
𝑆 : 𝑤 = 𝑟 𝑧, 𝑟 𝑅
+
倒数
𝐼 : 𝑤 =
1
𝑧
3.3 分式线性变换保圆性
分式线性变换可以分解为上述四类特殊的分式线性变换的乘积, 其中平移, 旋转, 似变换保持图形形状
不变
若将直线视为半径无穷大的圆, 那么就有定理
分式线性变换把圆周变成圆周
只需要证明对于倒数变换成立即可. 设圆或直线方程为
𝐴(𝑥
2
+ 𝑦
2
) + 𝑚𝑥 + 𝑛𝑦 + 𝐶 = 0
代入 𝑥
2
+ 𝑦
2
= 𝑧𝑧, 𝑥 =
𝑧+𝑧
2
, 𝑦 =
𝑧𝑧
2
得到
𝐴𝑧𝑧 + 𝐵𝑧 + 𝐵𝐵 + 𝐶 = 0
作变换 𝑤 =
1
𝑧
得到
𝐴
𝑤𝑤
+
𝐵
𝑤
+
𝐵
𝐵
+ 𝐶 = 0
两边乘以 𝑤𝑤 得到
𝐶𝑤𝑤 + 𝐵𝑤 + 𝐵𝑤 + 𝐴 = 0
得到了圆的方程, 即证. 关于圆和直线有如下定理
若分式线性变换的有限奇点在原像圆周上, 变为直线; 反之若有限奇点不在原像圆周, 则变
有限圆
这是因为奇点被映照成 , 而解析点被映照为有限点
3.4 有限圆周的对称点
𝐶 :
|
𝑧 𝑧
0
|
= 𝑅, 如果有限点 𝑧
1
, 𝑧
2
在梓圆心 𝑧
0
出发的同一条射线上, 并且
|
𝑧
1
𝑧
0
| |
𝑧
2
𝑧
0
|
= 𝑅
2
𝑧
1
, 𝑧
2
各自到圆心 𝑧
0
距离的乘积为 𝑅
2
, 则称 𝑧
1
, 𝑧
2
关于圆周 𝐶 对称. 对称点需要注意
1. 圆心 𝑧
0
对称
2. 对称点一个在圆外, 一个在圆内
3. 圆周上的点与自己对称
关于对称点有引理
𝑧
1
, 𝑧
2
关于圆周 𝐶 对称 过点 𝑧
1
, 𝑧
2
的任何圆周与原圆周 𝐶 直交
利用分式线性变换的保角性, 可以证明
分式线性变换将关于原像圆周 𝐶 对称的两点映照成关于像圆周 𝐶
1
对称的两个点
3.5 三点确定分式线性变换
任意 𝑧 平面三个互不相同的点 𝑧
1
, 𝑧
2
, 𝑧
3
, 𝑤 平面三个互不相同的点 𝑤
1
, 𝑤
2
, 𝑤
3
, 则存在唯一的
式线性变换 𝑤 = 𝑓 (𝑧) 使得
𝑓 (𝑧
1
) = 𝑤
1
, 𝑓 (𝑧
2
) = 𝑤
2
, 𝑓 (𝑧
3
) = 𝑤
3
𝑤 满足如下方程
𝑤 𝑤
1
𝑤 𝑤
2
·
𝑤
3
𝑤
2
𝑤
3
𝑤
1
=
𝑧 𝑧
1
𝑧 𝑧
2
·
𝑧
3
𝑧
2
𝑧
3
𝑧
1
若有某个 𝑤 𝑧 是无穷, 将其对应的因子换为 1 即可
有推论: 若有两点 𝑤(𝑧
1
) = 𝑤
1
, 𝑤 (𝑧
2
) = 𝑤
2
, 则分式线性变换可以表示为
𝑤 𝑤(𝑧
1
)
𝑤 𝑤(𝑧
2
)
= 𝑘
𝑧 𝑧
1
𝑧 𝑧
2
其中 𝑧 为复常数
3.6 求解指定圆到圆的分式线性变换
首先找到原像的一个点其对应像, 有原像的对称点变到像的对称点, 这样就找到了两对对应关系 ,
可以通过两点式给出分式线性变换的形式
𝑤 𝑤(𝑧
1
)
𝑤 𝑤(𝑧
2
)
= 𝑘
𝑧 𝑧
1
𝑧 𝑧
2
再利用其他条件
求解 𝑘
. 如利用
原像边界一定变到像边界上
可以给出 𝑘 的模, 再利用导数得到 𝑘 的辐角
如求解分式线性变换将上半平面变为单位圆内区域, 并使得 𝜔(𝑧
0
) = 0, 𝑎𝑟𝑔𝑤
(𝑧
0
) = 𝜑
0
首先找对称点
𝑧
0
0 𝑧
0
可以写出两点式
𝑤 0
1
= 𝑘
𝑧 𝑧
0
𝑧 𝑧
0
𝑤 = 𝑘
𝑧 𝑧
0
𝑧 𝑧
0
映射将边界映射为边界, 因此 𝑧 平面上的 实轴被映射为 𝑤 平面上的单位圆, 取模长得到
|
𝜔
|
=
|
𝑘
|
𝑧 𝑧
0
𝑧 𝑧
0
|
𝑘
|
= 1 𝑘 = 𝑒
𝑖 𝜃
再求其导数
𝑤
= 𝑘
𝑧
0
𝑧
0
(𝑧 𝑧
0
)
2
在取辐角
𝑎𝑟𝑔𝑤
= 𝑎𝑟𝑔𝑘 + 𝑎𝑟𝑔
𝑧
0
𝑧
0
(𝑧 𝑧
0
)
2
𝑧 = 𝑧
0
处则有
𝜑
0
= 𝑎𝑟𝑔𝑘 + 𝑎𝑟𝑔
1
𝑧
0
𝑧
0
= 𝑎𝑟𝑔𝑘 +
𝜋
2
𝑘 = 𝑒
𝑖 ( 𝜑
𝜋
2
)
就得到了所求的变换
𝑤 = 𝑒
𝑖 ( 𝜑
𝜋
2
)
𝑧 𝑧
0
𝑧 𝑧
0
4 初等函数的映照
初等函数在其单叶性区域上确定的变换是保形变换
4.1 幂函数变换
𝑤 = 𝑧
𝑛
其单叶性区域为以 0 为原点, 夹角不超过
2 𝜋
𝑛
的角域
𝛼 < 𝑎𝑟𝑔𝑧 < 𝛽, 𝛽 𝛼 <
2
𝜋
𝑛
并将该区域变为角域
𝑛𝛼 < 𝑎𝑟𝑔𝑤 < 𝑛𝛽
幂函数将角域变为顶角不一样的角域
4.2 指数函数变换
指数函数 𝑤 = 𝑒
𝑧
将条形域变为角域
𝑎 < 𝐼𝑚𝑧 < 𝑏 𝑎 < arg 𝑤 < 𝑏
其单叶性区域为 𝑏 𝑎 < 2𝜋
4.3 对数函数变换
对数函数 𝑤 = 𝐿𝑛𝑧 将角域变为条形区域
𝑎 < 𝑎𝑟𝑔𝑧 < 𝑏 𝑎 + 2𝑛𝜋 < 𝐼𝑚𝑤 < 𝑏 + 2𝑛𝜋, 0 𝑎 < 𝑏 2𝜋
𝑛 取决于取第几个分支
5 指定区域变换的求解
5.1 分式线性变换
求解指定区域的变换重要的是找到一个合适的分式线性变换. 分式线性变换是将一个圆变为另一个圆.
想将一个圆变为一条直线, 则需要将圆上一点变为
5.1.1 分式线性变换的对称点
在利用分式线性变换时要注意利用圆的对称点. 如将偏心圆环
𝐶
1
:
|
𝑧 3
|
= 9, 𝐶
2
:
|
𝑧 8
|
= 16
变为以 0 为圆心的同心圆环, 并使其外半径为 1. 此处应注意到
0 同时为两个圆的圆心
, 因此 0 关于
外圆和内圆都对称
𝑧
1
0, 𝑧
2
, 𝑧
1
, 𝑧
2
也关于两个圆都对称. 由于两圆心在实轴上, 因而 𝑧
1
, 𝑧
2
为实数. 由对称点
定义列出方程
|
𝑧
1
3
|
·
|
𝑧
2
3
|
= 9
2
|
𝑧
1
8
|
·
|
𝑧
2
9
|
= 16
2
解得
(𝑧
1
, 𝑧
2
) = (0, 24) 𝑜 𝑟 (𝑧
1
, 𝑧
2
) = (24, 0)
不妨就取 0 0, 24 , 由两点式可以给出分式线性变换
𝑤 = 𝑘
𝑧
𝑧 + 24
由于 24 , 𝑧 24 走向圆环内部首先碰到 𝐶
2
,𝑤 走向圆环内部首先碰到
|
𝑤
|
= 1, 因此 𝐶
2
被映照为单位圆. 由模长可以给出 𝑘 的模长 (此处取特殊点计算较为方便)
|
𝑘
|
= 2
此外就没有约束了, 因此就可以给出线性变换之一
𝑤 = 2𝑒
𝑖 𝜃
𝑧
𝑧 + 24
5.1.2 分式线性变换的保形性
分式线性变换是保形变换, 即几个点处各个直线转过的角度相等. 如图
由此可以判断
变换前后区域的对应关系
. 需要注意的是一定要是过同一个一个点的才行
5.1.3 二角形区域
任意两个相交的圆弧所围的区域称为二角形区域. 利用分式线性变换可以将二角形区域变为角域, 做法为
将二角形的一个顶点 𝑧
1
变为 , 另一个顶点 𝑧
2
变为 0
这样就可以将两个圆弧变为两条直线, 而形成一个角. 再利用保形性判断角域位置即. 通常会再取
一点与 𝑧
2
形成一条直线, 通过变换前后这条直线的位置可以确定变换的角度, 辅助判断角域的位置
一些 特殊的 二角形区域也可以通过分式线性变换变为角域. 有多特殊呢? 嘿嘿, 比如
复平面去掉两根射线 1 𝑥 , 𝑥 1
取分式线性变换使得 1 , 1 0, 不妨取
𝑤 =
𝑧 + 1
𝑧 1
考察 0 的位置:𝑤(0) = 1 仍然在实轴上, 因而该分式线性变换将实轴变为实轴. 因此去掉的两条射线就变
为了正实轴, 所求区域就变为了 2𝜋 角域