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1、1,第六章 共形映射,从映射的角度研究解析函数,共形映射,分式线性映射,初等函数映射,2,z 平面内的任一条有向曲线C可用 z=z(t), atb 表示, 它的正向取为t增大时点z移动的方向, z(t)为一条连续曲线. 如果z (t0)0,at0b, 则表示z (t)的向量(把起点放取在z0. 以下不一一说明)与C相切于点z0=z(t0).,1 保形映射的概念,3,事实上, 如果通过C上两点P0与P的割线P0P的正向对应于t增大的方向, 则这个方向与表示,的方向相同.,当点P沿C无限趋向于点P0, 割线P0P的极限位置就是C 上P0处的切线. 因此, 表示,的向量与C相切于点z0=z(t0),
2、 且方向与C的正向一致.,z (t0),4,我们有 Arg z (t0)就是z0处C的切线正向与x轴正向间的夹角; 相交于一点的两条曲线C1与C2正向之间的夹角就是它们交点处切线正向间夹角,O,x,(z),z0,5,1.解析函数的导数的几何意义,映射w=f (z)将C映射成w平面内通过点z0的对应点w0=f (z0)的一条有向光滑曲线G : w=f z(t), atb .,又设C为z平面内通过点z0的一条有向光滑曲线: z=z(t), atb,且z0=z(t0), z (t0)0, at0b.,设函数w=f (z)在区域D内解析, z0为D内的一点, 且f (z0)0.,6,7,根据复合函数求
3、导法, 有w (t0)=f (z0)z (t0)0. 因此, 在G上点w0处也有切线存在, 且切线正向与u轴正向的夹角是Arg w (t0)=Arg f (z0)+Arg z (t0).,即,8,若原来的切线的正向与映射过后的切线的正向之间的夹角理解为曲线C经过w=f (z)映射后在z0处的转动角, 则 1)导数f (z0)0的辐角Arg f (z0)是曲线C经过w=f (z)映射后在z0处的转动角;,9,2)转动角的大小与方向跟曲线C的形状与方向无关. 所以这种映射具有转动角的不变性.,通过z0点的可能的曲线有无限多条, 其中的每一条都具有这样的性质, 即映射到w平面的曲线在w0点都转动了一
4、个角度Arg f (z0).,10,相交于点z0的任何两条曲线C1与C2之间的夹角, 在其大小和方向上都等同于经w=f (z)映射后C1与C2对应的曲线G1与G2之间的夹角, 所以这种映射具有保持两曲线间夹角与方向不变的性质.这种性质称为保角性.,y,11,称为曲线C在z0的伸缩率.,3),上式表明 |f (z)|是两象点间距离和两原象点间距离比值的极限，从而可视为映射w=f (z)在点z0处沿曲线C的伸缩率, 它与曲线 C 的形状及方向无关. 所以这种映射又具有伸缩率不变性.,12,上式可视为,若,若,若,13,例1 求w= f(z)=z3 在 z=0, z=i 处 的导数值,并说明几何意义
5、。,解： w= f(z)=z3在全平面解析， f (z)=3 z2。,在z=i 处具有伸缩率不变和保角性。,伸缩率为3，旋转角为 。,14,定理一 设函数w=f (z)在区域D内解析, z0为D内的一点, 且 f (z0)0, 则映射w=f (z)在z0具有两个性质: 1)保角性. 即通过z0的两条曲线间的夹角跟经过映射后所得两曲线间的夹角在大小和方向上保持不变。 2)伸缩率的不变性. 即通过z0的任何一条曲线的伸缩率均为|f (z0)|而与其形状和方向无关.,15,仅具有保角性和伸缩率不变性的映射称为第一类保角映射；而具有伸缩率不变性和保持角度绝对值不变而旋转方向相反的映射称为第二类保角映射
6、。,定义6.1,16,2. 保形映射的概念 定义 设函数w = f (z)在z0的邻域内是一一的, 在z0具有保角性和伸缩率不变性, 则称映射w = f (z)在z0是保形的, 或称w = f (z)在z0是保形映射. 如果映射w = f (z)在D内的每一点都是保形的, 就称w = f (z)是区域D内的保形映射.,17,定理二 如果函数w =f (z)在 z0 解析, 且 f (z0)0, 则映射w=f (z)在 z0 是第一类保角映射, 而且Arg f (z0)表示这个映射在 z0的转动角, |f (z0)|表示伸缩率. 如果解析函数w=f (z)在 D内是一一映射， 且处处有f (z)
7、0, 则映射w=f (z)是 D内的保形映射.,18,保形映射是把区域双方单值地映射成区域，在每一点保角，在每一点具有伸缩率不变性。,例如函数 在 是第一类保角的；,在 是保形的。,19,在D内作以z0为其一个顶点的小三角形, 在映射下, 得到一个以w0为其一个顶点的小曲边三角形, 这两个三角形对应边长之比近似为|f (z0)|, 有一个角相等, 则这两个三角形近似相似.,定理一的几何意义.,20,21,6.2 共形映射的基本问题,问题一 对于给定的区域D和定义在D上的解析函数w=f(z),求像集G=f(D)，并讨论f(z)是否将D共形地映射为G； 问题二 给定两个区域D和G，求一个解析函数w
8、=f(z)，使得f(z)共形地把D映射为G。,22,保域性定理,设函数f(z)在区域D内解析，且不恒为常数，则像集合G=f(D)是区域。,边界对应原理,设区域D的边界D为简单闭曲线C，函数f(z)在闭区域DC上解析，且将C双方单值地映射为简单闭曲线。当z沿C的正向绕行时，相应的w的绕行方向定为的正向，并令G为以为边界的区域，则w=f(z)将D共形映射为区域G。,对于问题一，有以下定理（证明略）,23,对于问题二，有以下定理：,黎曼存在唯一性定理,设D和G是任意给定的两个单连域，它们的边界至少包含两点，则一定存在解析函数w=f(z)把D保形地映射为G。如果在D和G内再分别任意指定一点z0和w0，
9、并任给一实数0 （ -0 ），要求函数w=f(z)满足f(z0)=w0且argf (z0)0，则映射w=f(z)是唯一的。,定理肯定了满足给定条件的函数的存在唯一性，但没有给出具体求解办法。一般情况下，求解都会比较困难。,24,3 分式线性映射,分式线性映射,25,两个分式线性映射的复合, 仍是一个分式线性映射. 例如,26,也可将一般的分式线性映射分解为一些简单映射的复合,27,由此可见, 一个一般形式的分式线性映射是由下列三种特殊映射复合而成:,28,i)w=z+b. 这是一个平移映射. 因为复数相加可以化为向量相加, z沿向量b的方向平移一段距离|b|后, 就得到w.,下面讨论三种映射,
10、 为了方便, 暂且将w平面看成是与z平面重合的.,平移映射,29,ii) w=az, a0. 这是一个旋转与伸长(或缩短)的映射. 设 a=leia 将 z 先转一个角度a, 再将|z|伸长(或缩短) l倍后, 就得到 w.,O,(z)=(w),z,w,a,旋转与缩放映射,30,关于圆周的对称点,OPOP=r2, 证明：因为DOPT相似于DOPT. 因此,OP:OT=OT:OP, 即OPOP=OT2=r2.,P与P关于圆周C互为对称点,补充知识,31,z,w1,w,1,反演映射,32,1.保角性,分式线性映射的几何性质,33,而i)与ii)是平移，旋转和伸缩变换显然是保形的，所构成的复合映射w
11、=az+b在整个扩充复平面上是保形的,而分式线性映射是上述三种映射复合而构成的,因此有,定理6.5 分式线性映射在扩充复平面上是一一对应的, 且具有保角性。,34,2.分式线性映射的保圆性 映射w=az+b和w=1/z都具有将圆周映射成圆周的特性, （这里将直线看作是无穷大半径的圆）这种性质称作保圆性. 映射w=az+b显然具有保圆性, 下面说明w=1/z具有保圆性.,35,因此, 映射w=1/z将方程 a(x2+y2)+bx+cy+d=0 变为方程 d(u2+v2)+bu-cv+a=0。 当a0,d0：圆周映射为圆周; 当a0,d=0：圆周映射成直线; 当a=0,d0：直线映射成圆周； 当a
12、=0,d=0：直线映射成直线. 这就是说, 映射w=1/z把圆周映射成圆周. 或者说, 映射w=1/z具有保圆性.,36,根据保圆性, 在分式线性映射下, 如果给定的圆周或直线上没有点映射成无穷远点, 则它就映射成半径为有限的圆周; 如果有一个点映射成无穷远点, 它就映射成直线.,定理二 分式线性映射将扩充 z平面上的圆周映射成扩充w平面上的圆周, 即具有保圆性.,37,z1,z2是关于圆周C的一对对称点的充要条件是经过z1,z2的任何圆周G 都与C正交.,3. 保对称点性,38,定理三 设点z1,z2是关于圆周C的一对对称点, 则 在分式线性映射下, 它们的象点w1与w2 也是关于C的象曲线
13、G 的一对对称点.,证 设经过w1与w2的任一圆周G 是经过z1与z2的圆周G 由分式线性映射过来的. 由于G 与C正交, 而分式线性映射具有保角性, 所以G 与C (C的象)也必正交, 因此, w1与w2是一对关于C 的对称点.,39,本次课结束！,作业： P164 6.1, 6.2, 6.3,40,3 唯一决定分式线性映射的条件,分式线性映射,中含有四个常数a,b,c,d. 但是, 如果用这四个数中的一个去除分子和分母, 就可将分式中的四个常数化为三个常数. 所以, 上式中实际上只有三个独立的常数. 因此, 只需给定三个条件, 就能决定一个分式线性映射.,41,定理 在z平面上任意给定三个
14、相异的点z1,z2,z3, 在w平面上也任意给定三个相异的点w1,w2,w3, 则存在唯一的分式线性映射, 将zk(k=1,2,3)依次映射成wk(k=1,2,3).,42,43,由此得,这就是所求的分式线性映射. 如果有另外一个分式线性映射, 也把z平面上三个相异点z1,z2,z3依次映射成w平面上的三个相异点w1,w2,w3, 则重复上面的步骤, 消去常数后, 最后得到的仍然是(6.3.1)式. 所以(6.3.1)式是由三对相异的对应点唯一确定的分式线性映射.,44,45,现在研究, 在给定两个圆周C与C, 在圆周上分别取定三个点, 必能找到一个分式线性映射将C映射成C . 但是这个映射会
15、将C内部映射成什么呢?. 如果在C内任取一点z0, 而点z0的象在C的内部, 则C的内部就映射成C的内部; 如果z0的象在C的外部, 则C的内部就映射成C的外部. 或者在C上取定三点z1,z2,z3, 它们在C的象分别为w1,w2,w3. 如果C依z1z2z3的绕向与C依w1w2w3的绕向相同, 则C的内部就映射成C的内部, 否则映射成C的外部。,46,z1,z2,z,z3,w1,w2,w3,w1,w2,w3,w,w,47,现讨论在z平面内两个圆包围的区域的映射情况. 根据前面的讨论可知: (I)当二圆周上没有点映射成无穷远点时, 这二圆周 的弧所围成的区域映射成二圆弧所围成的区域; (II)当二圆周上有一个点映射成无穷远点时, 这二圆 周的弧所围成的区域映射成一圆弧与一直线所 围成的区域; (III)当二圆周交点中的一个映射成无穷远点时, 这 二圆周的弧所围成的区域映射成角形区域.,48,O,49,解 所设的两个圆弧的交点为-i与i, 且相互正交. 交点-i映射成无穷远点, i映射成原点. 因此所给的区域经映射后映射成以原点为顶点的角形区域, 张角等于p/2.,
