过z0的一条射线上。我们有|z1?z0||z2?z0|?R2因此,z1及z2是关于圆C的对称点。
定理4 如果分式线性函数把 z平面上圆C映射成 w平面上的圆C',那么它把关于圆C的对称点z1及z2映射成关于圆C'的对称点w1及w2。
证明:过w1及w2的任何圆是由过z1及z2的圆映射得来的。由引理4.1,过z1及z2的任何圆与圆C直交,从而由分式线性函数的保形性,过w1及w2的任何圆与圆
C'直交。再利用引理4.1,w1及w2是关于圆C'的对称点。
例:考虑扩充w平面上的一个圆|w|=R。分式线性函数
w?z?z1, z?z2把z1及z2映射成关于圆w|=R的对称点0及?,把扩充z平面上的曲线
|z?z1|?R, z?z2映射成为圆w|=R。由定理1、4知,上式表示的一个圆,z1及z2是关于它对称点。
3、两个特殊的分式线性函数:
(1)试求把上半平面Imz>0保形映射成单位圆盘|w|<1的分式线性函数。 这种函数应当一方面把Imz>0内某一点z0映射成w=0,一方面把Imz=0映射成|w|=1。由于线性函数把关于实轴Imz=0的对称点映射成为关于圆|w|=1的对称点,所求函数不仅把z0映射成w=0,而且把z0映射成w??。因此这种函数的形状是:
w??z?z0, z?z0其中?是一个复常数。其次,如果z是实数,那么
|w|?|?||z?z0|?|?|?1, z?z0于是??ei?,其中?是一个实常数。因此所求的函数应是
w?ei?z?z0, z?z0由于z是实数时,|w|=1,因此它把直线Imz=0映射成圆|w|=1,从而把上半平面Imz>0映射成|w|<1或|w|>1,又因为当z?z0时,|w|=0<1,因此这个函数正是我们所要求的。
注解1、圆盘|w|<1的直径是由通过z0及z0的圆在上半平面的弧映射成的; 注解2、以w=0为心的圆由以z0及z0为对称点的圆映射成的; 注解3、w=0是由z?z0映射成的。
(2)试求把单位圆|z|<1保形映射成单位圆盘|w|<1的分式线性函数。 这种函数应当把|z|<1内某一点z0映射成w=0,并且把|z|=1映射成|w|=1。不难看出,与z0关于圆|z|=1的对称点是
11,和上面一样,这种函数还应当把z0z0映射成w??。因此这种函数的形状是:
w??z?z0z?z0??1,
z?1/z01?zz0其中?,?1是一个复常数。其次,如果|z|=1时,那么
1?zz0?zz?z0z?z(z?z0),
于是
|w|?|?1||z?z0|?|?1|?1, 1?zz0因此?1?ei?,其中?是一个实常数。所求的函数应是
w?ei?z?z0, 1?zz0由于当|z|=1时,|w|=1,因此它把圆|z|=1映射成圆|w|=1,从而把|z|<1映射成|w|<1或|w|>1,又因为当z?z0时,|w|=0<1,因此这个函数正是我们所要求的。
注解1、圆盘|w|<1的直径是由通过z0及
1的圆在|z|<1内的弧映射成的; z0注解2、以w=0为心的圆由以z0及注解3、w=0是由z?z0映射成的。 4、最大模原理、施瓦茨引理:
1为对称点的圆映射成的; z0最大模原理及施瓦茨引理也是解析的基本性质之一,它在复变函数论中有大量应用。
定理1 如果函数w=f(z)在区域D内解析,并且|f(z)|在D内某点达到最大值,那么f(z)在D内恒等于常数。
证明:由定理3,假定f(z)在D内不恒等于常数,那么D1?f(D)是一个区域。设|f(z)|在z0?D达到最大值。显然,w0?f(z0)?D1,而且w0必有一个充分小的邻域包含在D1内。于是在这个邻域内可以找到一点w'满足|w'|?|w0|。从而在D内有一点z'满足w'=f(z')以及|f(z)|?|f(z0)|,这与所设矛盾。因此f(z)在D内恒等于常数。
注解1、此定理表明,在一个区域内不恒等于常数的解析函数,其模不可能在这个区域内达到最大值;
注解2、此定理的结论具有非常明确的物理意义。
系1设D是一个有界区域,其边界为有限条简单闭曲线C。设f(z)在D及其边界组成的闭区域D上连续,在D内解析,并且不恒等于常数。设M是|f(z)|在D上的最大值,即f(z)在D上的最大模,那么f(z)在边界C上而且只在边界
C上达到最大模。
证明:显然。
引理1设f(z)是在开圆盘|z|<1内的解析函数。设f(0)=0,并且当|z|<1时,|f(z)|<1。在这些条件下, (1)当|z|<1时,|f(z)|?|z|; (2)|f'(0)|?1;
(3)如果对于某一个复常数z0(0?|z0|?1),|f'(z0)|?|z0|,或者如果|f'(0)|=1,那么在|z|<1内
f(z)??z,
其中?是一个复常数,并且|?|?1。
证明:由于f(0)=0,f(z)在|z|<1内有泰勒级数
f(z)??1z??2z2?...??nzn?...?zg(z),
其中g(z)??1??2z?...在|z|<1内解析。因为当|z|<1时,|f(z)|<1,所以对于
|z|=r(0 |g(z)|?|由最大模原理,当|z|?r时,仍然有 f(z)1|?, zr1|g(z)|?, r令r?1,我们就得到:当|z|<1时 |g(z)|?1, 于是当0<|z|<1时, |即 f(z)|?1, z|f(z)|?|z| 由于f(0)=0,当z=0时,上式成立,我们就得到引理中的结论(1);(2)的结论也显然成立。结论成立。 设在某一点z0(0?|z0|?1),|f'(z0)|?|z0|。那么,|g(z)|在z0达到它的最大模。或者设|f'(0)|=1,那么我们有|g(0)|=| f'(0)|=1,即在|g(z)|在0达到它的最大值1。因此,由极大模原理,在|z|<1内g(z)??,其中?是一个模为1的复常数。 注解1、此引理表明,设f(z)在|z|<1内解析。设在映射w=f(z)下,|z|<1的象在|w|<1内,并设f(0)=0,那么 (1)|z| (3)如果某一z0(0?|z0|?1)和它的象的模相等,或者|f'(0)|=1,那么 f(z)??z,其中?是一个复常数,并且|?|?1。 注解2、施瓦茨引理在复变函数论的发展历史上,曾因和比伯巴赫猜想有关而受到广泛关注。 5、实例: 在解决某些实际问题以及数学理论问题时,我们往往要把有关解析函数的定义域保形映射成较简单的区域,以便进行研究及计算,我们下面给出几个实例。 例1、求作一个单叶函数,把半圆盘|z|<1,Imz>0保形映射成上半平面。 解:因为圆及实轴在-1及+1直交,所以作分式线性函数 w'?z?1, z?1把-1及+1分别映射成w'平面上的0及?两点,于是把|z|=1及Imz=0映射成w'平面上在原点互相直交上面的两条直线。 由于分式线性函数中的系数是实数,所以z平面上的实轴映射成w'平面上的实轴;又由于z=0映射成w'=-1,半圆的直径AC映射成w'平面上的负半实轴。 显然圆|z|=1映射成w'平面上的虚轴;又由于z=i映射成w'?yDi?1??i,半i?1AOBCxB(?1)A(0)D(?1)A(0)B(1)COD(?i)CCz?平面w'?平面w?平面圆ADC映射成w'平面上的下半虚轴。 根据在保形映射下区域及其边界之间的对应关系,已给半圆盘映射到w'平面上的的区域,应当在周界ABC的左方,因此它是第三象限??argw'? ?2。