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1、1,第六章 保形映射,这一章,我们从复平面间映射的角度来研究复变函数 保形映射,顾名思义是保持形状的映射. 人们利用保形映射成功地解决了流体力学与空气动力学、弹性力学、电磁学以及其他方面的许多重要问题，比如：1.网格的保形变换，用以计算船体表面积2.茹可夫斯基变换，设计机翼，减小空气阻力，增加浮力,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)为一条连续函数. 如果z( t0)0,at0b, 则我们用z( t0)表示C在点z0=z(t0)处的z(t)的切线(把起点放取在z0. 与,曲线的概念,3,事实上, 如果通过C上两点P0
2、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), 且方向与C的正向一致.,z (t0),4,因此,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 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: z=z(t), atb,
3、且z0=z(t0), z (t0)0, at0b. 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 .,6,根据复合函数求导法连锁规则, 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).,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
4、;,即Arg f (z0)= Arg w (t0)-Arg z (t0),7,2)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点都转动了一个角度Arg f (z0).,8,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,9,3) 称为C在z0的伸缩率.,上式表明 |f (z)|是两象点间距离和两原象点
5、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.,上式可视为,10,2. 保形映射的概念定义 设函数w = f (z)在z0的邻域内是一对一的, 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.,仅具有保角性和伸缩率不变性的映射称为第一类保形映射；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形映射。,例如 是
6、第二类保形映射。,11,几个初等函数所构成的保形映射,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,因而当z0时,所以, 在z平面内除去原点外, 由w=zn所构成的映射处处保形.,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.,12,13,例1 求w=z2把角形域0arg zp/4映射成何区域,14,O,(z),q0,O,(w),nq0,nq0,15,16,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
7、个三角形近似相似.,定理一的几何意义.,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 是保形的, 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内是一一的,且处处有f (z)0, 则映射w=f (z)是 D内的保形映射.,保形映射是把区域双方单值的映射成区域，在每一点保角，在每一点具有伸缩率不变性。,例如函数 在 不是保形的；,在 是保形的。,2. 指数函数 w = e z由于在z平面内w= e z 0。所以, 由 w = e z所构成的映射是0y2p上的保形映
8、射.,设z =x+iy, w =r e ij, 则w = e z =e x+iy =r e ij 推出 = e x ：z平面上垂直线x映射成w平面上圆周r；（x=0 单位圆周,x0 单位圆外）j = y： z平面上水平直线y映射成w平面上射线j 。,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,20,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.,21,6.1 几个初等函数的映射,22,线性变换,保持形状不
9、变,将圆(方)映成圆(方),23,24,如果补充反演映射的定义,则反演映射推广到扩充复平面,定理6.1 复反演映射具有将圆周映射成圆周的特性（保圆性）和保角性.,25,方程 a(x2+y2)+bx+cy+d=0 a=0表示直线,表示a0圆周代入x,y 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=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.,26,27,28,29,6.2 分式线性映射,分式线性映射,30,两个分式线性
10、映射的复合, 仍是分式线性映射. 例如,31,分式线性映射分解为一些简单映射的复合,分式线性映射分解为一些简单映射的复合,32,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:,下面讨论三种映射, 为了方便画图, 暂且将w平面看成是与z平面重合的.,33,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,34,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,(
11、z)=(w),z,w,a,35,z,w1,w,1,36,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=az+b在整个扩充复平面上是保形的,复反演映射iii)在整个扩充复平面上也是保形的,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.,37,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.,38,圆周的对称点
12、,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,3. 保对称性,39,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. 保对称性,40,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
13、于C 的对称点.,41,3 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.,42,定理6.3 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).,43,44,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
14、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.,45,推论：在分式线性变换下，交比(6.3.2)不变,46,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
15、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。,47,z1,z2,z,z3,w1,w2,w3,w1,w2,w3,w,w,48,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),49,解法一 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)6.3.1)式得所求的分式线性映射为,化简后即得,50
16、,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. 此可见, 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.,解法二 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=l要映成单位圆周|w|=1的圆心w=0,51,从而所求的分式线性映射具有下列形式:,其中k为常数.,52,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,53,即把实轴映射成|w|=1. 又因为上
17、半平面中的z=l映射成w=0, 所以(6.3.3)必将Im(z)0映射成|w|1.,54,例4 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.,故有,从而得所求的映射为,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(6.3.3)得,55,例5 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,56,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,57,由于z平面上单位圆
18、周上的点要映成w平面上单位圆周上的点, 所以当|z|=1,|w|=1. 将圆周|z|=1上的点z=1代入上式, 得,所以 |k|=1, 即k=eij. 这里j是任意实数.,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,58,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.,59,例6 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.
19、,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,60,例7 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|0映射成|z|1且满足z(2i)=0的映射易知为,61,62,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
20、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.,63,O,64,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.,65,映射的角形区如图所示,x,1,-i,i,-1,C1,C2,y,(z),O,C2,C1,O,u,v,(w),66,67,4 几个初等函数所构成的映射,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,因而
21、当z0时,所以, 在z平面内除去原点外, 由w=zn所构成的映射处处保形.,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.,68,69,例1 求把角形域0arg zp/4映射成单位圆|w|1 的 一个映射.,解 z=z4将所给角形域00. 又从上节的例2知, 映射,70,71,72,例3 求把下图中由圆弧C2与C3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.,73,a,O,(z),a,j0,(w),O,1,C1,C2,a,(z),O,-i,i,1,74,解 令C1,C2的交点z=i与z=-i分别映射成z平面中的z=0与z=
22、, 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.,75,2. 指数函数 w = e z由于在z平面内w= e z 0。所以, 由 w = e z所构成的映射是0y2p上的保形映射.,设z =x+iy, w =r e ij, 则w = e z =e x+iy =r e ij 推出 = e x ：z平面上垂直线x映射成w平面上圆周r；（x=0-单位圆周,x0 -单位圆外）j = y： z平面上水平直线y映射成w平面上射线j 。,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 w2
23、p.它们间的点是一一对应的.,76,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,77,由指数函数w = e z 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.,例4 求把带形域0Im(z)p映射成单位圆|w|1的 一个映射.,78,例4 求映射把如图所示的半带状域映成上半单位圆。,79,例5 求把带形域a0 的一个 映射.,80,例6 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.,81,O,u,v,(w),a-h,a,a+h,B
24、,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,82,解 不难看出, 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平面向左平移一个距离a:z1=z-a. 第二, 由映射z2=z12, 得到具有割痕-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.,83,
