复变函数第六章课件.ppt

第六章 共形映射,第一节 共形映射的概念,第二节 分式线性映射,第三节 唯一决定分式线性映射的条件,第四节 几个初等函数所构成的映射,2,1.有向曲线的切向量z平面内的任一条有向曲线C可用z=z(t),atb如果z(t0)0,at0b,则表示z(t)的向量与C相切于点P0=z(t0).,z(t0),z(a),z(b),z(t0),1 共形映射的概念,P0,3,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.,O,x,y,z(t0),P0,P,z(t0+Dt),C,(z),4,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P0=z(t0),且方向与C的正向一致.如果我们规定这个向量的方向作为C上点P0处的切线的正向,则我们有Arg z(t0)就是P0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,5,2.解析函数的导数的几何意义 设函数w=f(z)在区域D内解析,z0为D内的一点,且f(z0)0.又设C为z平面内通过点z0的一条有向光滑曲线,它的参数方程是:z=z(t),atb,它的正向相应于参数t增大的方向,且z0=z(t0),z(t0)0,at0b.则映射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,它的参数方程是w=fz(t),atb 正向相应于参数t增大的方向.,6,根据复合函数求导法,有 w(t0)=f(z0)z(t0)0因此,在 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),O,x,y,O,u,v,z0,P0,r,z,P,Ds,C,(z),(w),G,w0,Q0,Q,w,r,Ds,G,7,即 Arg w(t0)-Arg z(t0)=Arg f(z0)(6.1.1)如果假定x轴与u轴,y轴与v轴的正向相同,而且将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(6.1.1)式表明: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;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.,8,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点都转动了一个角度Arg f(z0).,O,x,y,O,u,v,(z),(w),z0,w0,9,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,O,x,y,O,u,v,(z),(w),z0,w0,a,C1,C2,G1,G2,10,此极限值称为曲线C在z0的伸缩率.,11,(6.1.3)表明:|f(z0)|是经过映射w=f(z)后通过点z0的任何曲线C在z0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的不变性.,12,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.,13,3.共形映射的概念定义 设函数w=f(z)在z0的邻域内是一一对应的,在z0具有保角性和伸缩率不变性,则称映射w=f(z)在z0是共形的,或称w=f(z)在z0是共形映射.如果映射w=f(z)在D内的每一点都是共形的,就称w=f(z)是区域D内的共形映射.,14,定理二 如果函数w=f(z)在z0解析,且f(z0)0,且为一一映射，则映射w=f(z)在z0是共形的,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内处处有f(z)0,且为一一映射，则映射w=f(z)是D内的共形映射.,15,定理一的几何意义.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.,O,x,y,O,u,v,(z),(w),z0,w0,a,C1,C2,G1,G2,16,O,x,y,O,u,v,(z),(w),z0,w0,a,C1,C2,G1,G2,17,2 分式线性映射,分式线性映射的逆映射也是一个分式线性映射。,18,两个分式线性映射的复合,仍是一个分式线性映射.例如,19,可将一般的分式线性映射分解为一些简单映射的复合,20,一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:,暂且将w平面看成是与z平面重合的.,21,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.,O,(z)=(w),z,w,b,22,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,23,圆周的对称点,OPOP=r2,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,24,z,w1,w,25,1.保角性,26,而i)与ii)构成的复合映射w=az+b经过类似的处理后也可以看作是在整个扩充复平面上共形的,而分式线性映射是上述三种映射复合而构成的,定理一 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.,27,2.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.w=1/z具有保圆性.,28,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，将圆周映射为圆周;当a0,d=0，圆周映射成直线;当a=0,d0，直线映射成圆周；当a=0,d=0，直线映射成直线.映射w=1/z把圆周映射成圆周.映射w=1/z具有保圆性.,29,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.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.,30,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.,C,R,z0,z1,z2,z,G,31,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C 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.,32,3 唯一决定分式线性映射的条件,有四个常数a,b,c,d.但是,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.定理 在z平面上任意给定三个相异的点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).,33,证 设,将zk(k=1,2,3)依次映射成wk(k=1,2,3),即,因而有,及,34,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.(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.,35,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,36,z1,z2,z,z3,w1,w2,w3,w1,w2,w3,w,w,37,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.,38,O,39,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.,此点在第三象限的分角线C1上.由保角性知C2映射为第二象限的分角线C2.,40,映射的角形区如图所示,O,C2,C1,O,u,v,(w),41,例2 求将上半平面Im(z)0映射成单位圆|w|1的分式线性映射.,O,1,-1,x,y,l,O,1,-1,u,i,v,(z),(w),42,解法一 将上半平面看成半径为无穷大的圆域,实轴就是圆域的边界圆周.因为分式线性映射具有保圆性,因此它必能将上半平面Im(z)0映射成单位圆|w|1.由于上半平面总有一点z=要映成单位圆周|w|=1的圆心w=0,43,从而所求的分式线性映射具有下列形式:,其中k为常数.,44,反之,形如上式的分式线性映射必将上半平面Im(z)0映射成单位圆|w|1.因为当z取实数时,即把实轴映射成|w|=1.又因为上半平面中的z=映射成w=0,所以(6.3.2)必将Im(z)0映射成|w|1.,45,也可以在x轴上与在单位圆周|w|=1上取三对不同的对应点来求:解法二 在x轴上任意取定三点:z1=-1,z2=0,z3=1使它们对应于|w|=1上三点:w1=1,w2=i,w3=-1,则因z1z2z3跟w1w2w3的绕向相同,由(6.3.1)式得所求的分式线性映射为,即,46,注意:如果选取其他三对不同点,势必也能得出满足要求的,但不同于(6.3.3)的分式线性映射.把上半平面映射成单位圆的分式线性映射不是唯一的,而是有无穷多.这从(6.3.2)中的q可以任意取实数值即可明白.(6.3.3)就是取l=i,q=-p/2而得到的.如果以l=i,q=0代入(6.3.2),则,这也是一个把上半平面Im(z)0映射成单位圆|w|1,且将点z=i映射成圆心w=0的映射.,47,例3 求将上半平面Im(z)0映射成单位圆|w|1且满足w(2i)=0,arg w(2i)=0的分式线性映射.解 由条件w(2i)=0知,所求的映射要将上半平面中的点z=2i映射成单位圆周的圆心w=0.所以由(6.3.2)得,48,所求的映射为,49,例4 求将单位圆|z|1映射成单位圆|w|1的分式线性映射.,x,1,y,(z),O,O,u,v,(w),1,a,50,解 设z平面上单位圆|z|1内部的一点a映射成w平面上的单位圆|w|1的中心w=0.这时与,51,由于z平面上单位圆周上的点要映成w平面上单位圆周上的点当|z|=1,|w|=1.将圆周|z|=1代入上式,得,所以|k|=1,即k=eij.这里j是任意实数.,52,因此,将单位圆|z|1映射成单位圆|w|1的分式线性映射的一般表示式是,反之,形如上式的映射必将单位圆|z|1映射成单位圆|w|1.这是因为圆周|z|=1上的点z=eiq(q为实数)映射成圆周|w|=1上的点:,同时单位圆|z|1内有一点z=a映射成w=0.所以(6.3.5)必将单位圆|z|1映射成单位圆|w|1.,53,例5 求将单位圆映射成单位圆且满足条件w(1/2)=0,w(1/2)0的分式线性映射.解 由条件w(1/2)=0知,所求的映射要将z=1/2 映射成|w|1的中心.所以由(6.3.5)得,54,55,例6 求将Im(z)0映射成|w-2i|2且满足条件w(2i)=2i,arg w(2i)=-p/2的分式线性映射.解 容易看出,映射z=(w-2i)/2将|w-2i|2映射成|z|1,且满足z(2i)=0的映射易知为,56,57,2i,(z),O,(z),2i,(w),w=2(i+z),58,1.幂函数 w=zn(n2为自然数)在z平面内处处可导,它的导数是,当z0时,所以,在z平面内除去原点外,由w=zn所构成的映射处处共形.映射的特点是:把以原点为顶点的角形域映射成以原点为顶点的角形域,但张角变成了原来的n倍,4 几个初等函数所构成的映射,59,O,(z),q0,O,(w),nq0,w=zn,(z),(w),O,O,上岸,下岸,w=zn,60,例1 求把角形域00.又从上节的例2知,映射,61,(z),O,O,(z),1,(w),z=z4,62,例2 求把下图中由圆弧C1与C2所围成的交角为a的月牙域映射成角形域j0arg wj0+a的一个映射.,63,O,(z),1,64,解 先求出把C1,C2的交点i与-i分别映射成z平面中的z=0与z=,并使月牙域映射成角形域0argz a;再把这角形域通过映射w=exp(ij0)z转过一角度j0,即得把所给月牙域映射成所给角形域的映射.将所给月牙域映射成z平面中的角形域的映射是具有以下形式的分式线性函数:,其中k为待定的复常数.,65,66,例3 求把具有割痕Re(z)=a,0Im(z)h的上半平面映射成上半平面的一个映射.,O,u,v,(w),a-h,a,a+h,B,C,D,67,O,u,v,(w),a-h,a,a+h,B,C,D,O,(z1),C,B,D,ih,-h2,C,O,B,D,(z2),C,O,Bh2,D,(z3),O,(z4),C,B,D,-h,+h,z1=z-a,z2=z12,z3=z2+h2,w=z4+a,68,解 解决本题的关键显然是要设法将垂直于x轴的割痕的两侧和x轴之间的夹角展平.由于映射w=z2能将顶点在原点处的角度增大到两倍,所以利用这个映射可以达到将割痕展平的目的.首先,把上半z平面向左作一个距离为a平移:z1=z-a.第二,再应用映射z2=z12,便得到一个具有割痕-h2Re(z2)+,Im(z2)=0的z2平面.第三,把z2平面向右作一距离为h2的平移:z3=z2+h2,便得到去掉了正实轴的z3平面.,69,70,2.指数函数 w=ez 在z平面内 w=(ez)=ez0由w=ez所构成的映射是一个全平面上的共形映射.设z=x+iy,w=reij,则r=ex,j=y,(6.4.2)由此可知:z平面上的直线x=常数,被映射成w平面上的圆周r=常数;而直线y=常数,被映射成射线j=常数.带形域0Im(z)a映射成角形域0arg wa.特别是带形域0Im(z)2p映射成沿正实轴剪开的w平面:0arg w2p.它们间的点是一一对应的.,71,ai,O,x,y,(z),arg w=a,u,O,v,(w),2pi,O,x,y,(z),O,u,v,(w),w=ez,z=lnw,72,由指数函数w=ez所构成的映射的特点是:把水平的带形域0Im(z)a(ap)映射成角形域0arg wa.因此,如果要把带形域映射成角形域,常常利用指数函数.,73,例4 求把带形域00.而根据(6.3.4)又知:,