第6章-保形映射课件.ppt(39页)
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- 映射 课件
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1、第6章 保形映射 对于解析函数而言,它所构成的映射,还必需作对于解析函数而言,它所构成的映射,还必需作一些具体的研究,因为这种映射在实际问题中是很有一些具体的研究,因为这种映射在实际问题中是很有用处的用处的.本章中先分析解析函数所构成的映射的特性,本章中先分析解析函数所构成的映射的特性,引出保形映射的概念;然后进一步研究分式线性函数引出保形映射的概念;然后进一步研究分式线性函数和几个初等函数所构成的保形映射的性质和几个初等函数所构成的保形映射的性质.在第在第1 1章中已经讲过,函数章中已经讲过,函数 在几何上可以在几何上可以看做是把看做是把 平面上的一个点集平面上的一个点集 (定义集合定义集合
2、)变到变到 平面上的一个点集平面上的一个点集 (函数值集合)的映射(或变(函数值集合)的映射(或变换)换).()wf zGwz*G1 保形映射的概念 C0PP0P Pt00()()z ttz tt 0P P0()z tt0()z tP0PPC0PC0P 如果规定:通过如果规定:通过 上两点上两点 与与 的割线,的割线,的正的正向对应于参数向对应于参数 增大的方向,那么这个方向与表示增大的方向,那么这个方向与表示的向量的方向相同的向量的方向相同.这里,这里,与与 分别为点分别为点 与与 所对应的复数所对应的复数.当点当点 沿沿 无限趋向于点无限趋向于点 时,割线时,割线 的极限位置就是的极限位置
3、就是 上上 处的切线处的切线.1平面内的一条有向连续曲线平面内的一条有向连续曲线 它的正向取为它的正向取为 增大的方向,增大的方向,为一连续函数为一连续函数.如果如果 ,那么表示,那么表示 的向量的向量(取为起点取为起点)与与 相切于点相切于点 .(),zz t:Ct00()0,z tt,t()z t0()z t0zC00()zz t因此,表示因此,表示0000()()()limtz ttz tz tt C00()zz tC的向量与的向量与 相切于点相切于点 ,且方向与,且方向与 的正向一致的正向一致.2)相交于一点的两条曲线)相交于一点的两条曲线 与与 正向之间的夹角正向之间的夹角就是就是
4、与与 在交点处的两条切线正向之间的夹角在交点处的两条切线正向之间的夹角.1c2c1c2c 如果规定这个向量的方向作为如果规定这个向量的方向作为 上点上点 处的切线的处的切线的正向,那么有:正向,那么有:1)就是在就是在 上点上点 处切线的正向与处切线的正向与 轴轴正向之间的夹角;正向之间的夹角;C0zC0Arg()z t0zx2解析函数的导数的几何意义解析函数的导数的几何意义 设函数设函数 在区域在区域 内解析,内解析,为为 内的一内的一点,且点,且 .又设又设 为为 平面内通过点平面内通过点 的一条有的一条有向光滑曲线,它的参数方程是:向光滑曲线,它的参数方程是:,它,它的正向为参数的正向为
5、参数 增大的方向,且增大的方向,且()wf zD0zD0()0fzCz0z(),zz tt 0000(),()0,.zz tz tt (1)辐角辐角 的几何意义的几何意义0Arg()fz 这样,映射这样,映射 就将曲线就将曲线 映射成映射成 平面内平面内通过点通过点 的对应点的对应点 的一条有向光滑曲线的一条有向光滑曲线 它的参数方程是它的参数方程是 ,方向为参数方向为参数 增大的方向增大的方向.()wf zCw00()wf z0z,(),wf z tt tx0yu0v图图 6.100C0z0w()wf z()0ofz 根据复合函数求导法,有根据复合函数求导法,有 因此,由前面的论断因此,由前
6、面的论断1)得知,在)得知,在 上点上点 处也有处也有切线存在,切线存在,且切线的正向与且切线的正向与 轴正向之间的夹角是轴正向之间的夹角是000()()()0w tfzz tu000Arg()Arg()Arg()w tfzz t0wx 如果假定图如果假定图6.2中中 轴与轴与 轴轴,轴与轴与 轴的正向相轴的正向相同,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向之间的夹角理解为曲线 经过经过 映射后在映射后在 处处的转动角,那么(的转动角,那么(1)式表明:)式表明:1)导数)导数 的辐角的辐角 是曲线是曲线 经经过过 映射后
7、在映射后在 处的转动角处的转动角.uyvC()wf z0z0()0fz0Arg()fzC()wf z0z000Arg()Arg()Arg()w tz zf t(1)2)转动角的大小与方向跟曲线)转动角的大小与方向跟曲线 的形状与方向的形状与方向无关无关.C 现在假设曲线现在假设曲线 与与 相交于点相交于点 ,它们的参数方,它们的参数方程分别是程分别是 与与 ,;并且;并且 .1C2C0z1()zz t2()zz tt 01020102000()(),()0,()0,zz tz tz tz ttt 20102010Arg()Arg()Arg()Arg()w tw tz tz t 即即 (2)1(
8、)ww t 又设映射又设映射 将将 与与 分别映射为相交于点分别映射为相交于点 的曲线的曲线 及及 ,它们的参数方程分别是,它们的参数方程分别是 与与 ,由(,由(1)式)式.有有()wf z1C2C00()wf z122(),ww tt 10102020Arg()Arg()Arg()Arg()w tz tw tz t 上式两端分别是上式两端分别是 和和 以及以及 与与 之间的夹角,之间的夹角,因此,(因此,(2)式表明:)式表明:相交于点相交于点 的任何两条曲线的任何两条曲线 与与 之间的夹角,在之间的夹角,在其大小和方向上都等同于经过其大小和方向上都等同于经过 映射后跟映射后跟 与与 对应
9、的曲线对应的曲线 与与 之间的夹角之间的夹角.所以这种映射具有保持所以这种映射具有保持两曲线间夹角的大小与方向不变的性质两曲线间夹角的大小与方向不变的性质.这种性质称为这种性质称为保角性保角性.()wf z121C2C1C2C0z1C2C121C2C120z0w()wf z0()0fzxy0uv0图图 6.2 设设 ,且用,且用 表示表示 上的上的点点 与与 之间的一段孤长,之间的一段孤长,表示表示 上的对应点上的对应点 与与 之间的孤长之间的孤长.由由00,iizzrewweSC0zz0ww()0000()()iiiwwf zf zeSezzzzreSr()f z0z0|()|fz (2)函
10、数)函数 在在 的点导数的模的点导数的模 的几何的几何意义意义00|()|limzzfzS00lim1,lim1zzzzSrC0z 得得 .注意:注意:这个极限值称为曲线这个极限值称为曲线 在在 的的伸缩率伸缩率.因此上式表明:因此上式表明:是经过映射是经过映射 后通过点后通过点 的任何曲的任何曲线线 在在 的伸缩率,它与曲线的伸缩率,它与曲线 的形状及方向无关的形状及方向无关.所以这种映射又具有伸缩率的不变性所以这种映射又具有伸缩率的不变性.0|()|fz()wf zCC0z0z 3保形映射的概念保形映射的概念 定义:定义:凡是有保角性和伸缩率不变性的映射称为凡是有保角性和伸缩率不变性的映射
11、称为保角映射,或者更确切地称为第一类保角映射保角映射,或者更确切地称为第一类保角映射.定理:定理:如果函数如果函数 在在 处解析,且处解析,且 ,那么映射那么映射 在在 点是保形映射,而且点是保形映射,而且 表表示这个映射在示这个映射在 的转动角,的转动角,表示伸缩率表示伸缩率.0()0fz()wf z0z0Arg()fz0|()|fz0z()wf z0z 例:例:求求 在在 的转动角及伸缩率的转动角及伸缩率.2()f zz0zi 解:解:()2fzz()2f iiArg()Arg222f iik0|()|2fz2 分式线性映射分式线性映射 分式线性映射是保形映射中比较简单的但又很重分式线性映
12、射是保形映射中比较简单的但又很重要的一类映射,它是由要的一类映射,它是由来定义的,其中来定义的,其中 均为常数均为常数.()(0)azbwL zadbcczd,a b c d 现在先来讨论几种特殊的情况现在先来讨论几种特殊的情况.为方便,暂且将为方便,暂且将平面看成是与平面看成是与 平面重合的平面重合的.wz 这是一个这是一个平移变换平移变换,因为复数相加可以化为向量,因为复数相加可以化为向量相加,所以在映射相加,所以在映射 之下,之下,沿向量沿向量 (即复数(即复数 所表示的向量)的方向平行移动一段距离所表示的向量)的方向平行移动一段距离 后,就后,就得到得到 .wzbzb|bwb 这是一个
13、这是一个旋转旋转与与伸长伸长(或缩短或缩短)的映射的映射.事实上事实上,设设 ,那么那么 .因此因此,把把 先转一个角先转一个角度度 ,再将再将 伸长伸长(或缩短或缩短)到到 倍后倍后,就得到就得到 .,iizre ae()iwr e z|z|awwzbi).,0waz aii).1wziii).这个映射可以分解为这个映射可以分解为为了要用几何方法从为了要用几何方法从 作出作出 ,我们来研究所谓关于,我们来研究所谓关于一已知圆周的一对对称点的概念一已知圆周的一对对称点的概念.111,wwwzzw 设设 为以原点为中心,为以原点为中心,为半径的圆周为半径的圆周.在以圆心在以圆心为起点的一条半直线
14、上,如果有两点为起点的一条半直线上,如果有两点 与与 满足关系满足关系式式那么就称这两点为关于这圆周的那么就称这两点为关于这圆周的对称点对称点.设设 在在 外,从外,从 作圆周作圆周 的切线的切线 .P2OP OPrCPTCrPPPC事实上事实上 ,因此,因此 ,即即 ,规定:无穷远点的对称点是圆,规定:无穷远点的对称点是圆心心 .OPTTPO:OP OTOT OP22OP OPOTrOTTPOPPPPOP由由 作作 的垂线的垂线 与与 交于交于 ,那么,那么 与与 即互为即互为对称点对称点.xy1z2z0r图图 6.3 如果设如果设 ,那么,那么 ,从,从而而 .由此可知,由此可知,与与 是
15、关于单位圆周是关于单位圆周 的对称点,的对称点,与与 是关于实轴的对称点是关于实轴的对称点.因此,要从因此,要从 作出作出 ,应先作,应先作出关于圆周出关于圆周 与与 的对称点的对称点 ,然,然后再作出关于实轴与后再作出关于实轴与 对称的点对称的点.即得即得 .izre111iwezr11iwwer1|1w z 1/wz1wz|1z 1wwz|1z z1w1ww1ww1图图 6.4xy0z 首先讨论映射首先讨论映射iii).根据第根据第1章,关于数章,关于数 的的四则运算知四则运算知,这个映射将这个映射将 映射成映射成 ,也就是说也就是说,当当 时,时,.如果把如果把 改写成改写成 ,可知当可
16、知当时,时,.由此可见,在扩充复平面上映射由此可见,在扩充复平面上映射iii)是一一对)是一一对应的应的.又因为又因为 1wzz 0wz 0w1zww 0z 2211()wzz 1wzzw 以上讨论了如何从以上讨论了如何从 作出映射作出映射i),),ii),),iii)的对)的对应点应点 .下面分别讨论这三种映射的性质下面分别讨论这三种映射的性质.1wz0z z 所以除去所以除去 与与 外外,映射映射 是保角的是保角的.0,zz 0w当当 时,时,.至于在至于在 与与 是否保角问题就关系到如何是否保角问题就关系到如何理解两条曲线在无穷远点处交角的涵义问题理解两条曲线在无穷远点处交角的涵义问题.
17、0z z z 1wz 如果规定:两条伸向无穷远的曲线在无穷远处的交如果规定:两条伸向无穷远的曲线在无穷远处的交角,等于它们在映射角,等于它们在映射 下通过原点的两条像曲线的下通过原点的两条像曲线的交角,那么这映射在交角,那么这映射在 处是保角的处是保角的.w 1zw0z 1wz1wz1zw 再由再由 知在知在 处映射处映射 是保角的,也就是保角的,也就是说在是说在 处映射处映射 是保角的是保角的.所以,映射所以,映射 在扩充复平面上是处处保角的在扩充复平面上是处处保角的.其次,再对其次,再对i)与)与ii)进行讨论)进行讨论.显然,这个映射在显然,这个映射在扩充复平面上是一一对应的扩充复平面上
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