复变函数.ppt
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1、复变函数课件现在学习的是第1页,共58页&1. 导数的几何意义导数的几何意义& 2. 共形映射的概念共形映射的概念第一节第一节 共形映射的概念共形映射的概念现在学习的是第2页,共58页定理定理7.1 (保域定理保域定理)设设w=f(z)在区域在区域D内解析且内解析且不恒为常数不恒为常数,则则D的象的象G=f(D)也是一个区域也是一个区域. 0|)(|0wzf证证 首先首先证明证明G的每一点都是内点的每一点都是内点.设w0G,则有一点z0D,使w0=f(z0).要证w0是G的内点,只须证明w*与w0充分接近时,w*亦属于G.即当w*与w0充分接近时,方程w*=f(z)在D内有解.为此,考察 f(
2、z)-w*=(f(z)-w0)+(w0-w*,)由解析函数零点的孤立性,必有以z0为心的某个圆C:|z-z0|=R,显然 f(z0)-w0=0,f(z)-w0在C上及C的内部(除z0外)C及C的内部全含于D,使得均不为零.因而在C上:7.1.17.1.1解析变换的保域性解析变换的保域性内的点w*及在C上的点z有|0*ww. |)(|0*0wwwzf对在邻域9/3/20223现在学习的是第3页,共58页因此根据儒歇定理因此根据儒歇定理, ,在在C的内部的内部*00*)()(wwwzfwzf与与f(z)-w0有相同零点的个数有相同零点的个数. .于是于是w*=f(z)在在D内有解内有解. . 由于
3、由于D是区域是区域, ,可在可在D内部取一条联结内部取一条联结z1,z2的折线的折线C:z=z(t) t1tt2,z(t1)=z1,z(t2)=z2.于是于是:)(:21ttttzfw就是联结就是联结w1,w2的并且完全含于的并且完全含于D的一条曲线的一条曲线. .从而从而, ,参照柯西积分定理的古莎证明第三步参照柯西积分定理的古莎证明第三步, ,可以找到可以找到 其次其次, ,要证明要证明G中任意两点中任意两点w1=f(z1),w2=f(z2)均可以用一均可以用一条完全含于条完全含于G的折线联结起来的折线联结起来. .(连通性)(连通性)一条连接一条连接w1,w2,内接于内接于 且完全含于且
4、完全含于G的折线的折线 1总结以上两点总结以上两点, ,即知即知G=f(D)是区域是区域. .9/3/20224现在学习的是第4页,共58页证证 因因f(z)在区域在区域D内单叶内单叶, ,必必f(z)在在D内不恒为常数内不恒为常数. .定理定理7.2 设设w=f(z)在区域在区域D内单叶解析内单叶解析, ,则则D的象的象G=f(D)也是一个区域.注注 定理7.1可以推广成这样的形式:“w=f(z)在扩充z平面的区域D内除可能有极点外处处解析(即为亚纯函数),且不恒为常数,则D的象G=f(D)为扩充z平面上的区域.注注 满足定理满足定理7.2和7.3的条件的解析变换的条件的解析变换w=f(z)
5、将将z0的一个充的一个充分小的邻域内变成分小的邻域内变成w0=f(z0)的一个曲边邻域的一个曲边邻域. .定理定理7.3 设函数设函数w=f(z)在点在点z0解析解析, ,且且f (z0)0,则则f(z)在在z0的一个邻域内单叶解析的一个邻域内单叶解析. .9/3/20225现在学习的是第5页,共58页P26 P26 光滑曲线的定义光滑曲线的定义7.1.27.1.2、解析函数导数的几何意义、解析函数导数的几何意义yx0C.0pp)(0tz)(0ttz 两曲线的夹角现在学习的是第6页,共58页)(, )( ttzz正向正向: t 增大时增大时, 点点 z 移动的方向移动的方向.如果如果规定规定:
6、 : tpp正正向向对对应应于于割割线线0pp0 , 那么那么增大的方向增大的方向. )()( 00同向同向与与ttzttz 平面内的有向连续曲线平面内的有向连续曲线C可表示为可表示为:zyx0C.0pp)(0tz)(0ttz 两曲线的夹角现在学习的是第7页,共58页)()()(lim0000tzttzttzt 当当 p, 0时时ppp0处切线处切线上上 0pC, 0)( 00 ttz如如果果的的向向量量那那么么表表示示)(0tz ).( 0tzzC 相相切切于于点点与与方向与方向与 C 一致一致.C.0pp)(0tz)(0ttz )(0tz yx0C沿沿两曲线的夹角现在学习的是第8页,共58
7、页000)()(zCztz上上点点为为起起点点为为的的方方向向若若规规定定 处切线的正向处切线的正向, 则有则有x 轴正向之间的夹角轴正向之间的夹角.处的切线的正向与上点就是00)(Arg .zCtzaC.0zyx0)(0tz )(Arg0tz 两曲线的夹角现在学习的是第9页,共58页2C1C正向之间与相交于一点的两条曲线21 .CCb之间的夹角之间的夹角. .)(Arg)(Arg0102tztz .0z),(:11tzzC ; )(:22tzzC ).()(02010tztzz 向向在在交交点点处处的的两两条条切切线线正正与与就就是是的的夹夹角角21 ,CC两曲线的夹角现在学习的是第10页,
8、共58页的的几几何何意意义义 )( Arg.10zf : , :0参参数数方方程程的的有有向向光光滑滑曲曲线线平平面面内内过过 zzC);(, )( ttzz正向正向: t 增大的方向增大的方向;, )( 00tzz 且且.,0)(0 ztzC0z.yx0)(z ,)(内内解解析析在在区区域域设设Dzfw )(0tz . 0)(,00 zfDz且且解析函数导数的几何意义现在学习的是第11页,共58页, 的有向光滑曲线的有向光滑曲线其参数方程为其参数方程为,)( ztzfw正向正向: t 增大的方向增大的方向.)( )( 00zfwwCzfw 平面内过平面内过映射成映射成将将映射映射C0z.yx
9、0)(z)(0tz yx0)(w0w. )(zfw 解析函数导数的几何意义现在学习的是第12页,共58页)()( ttzfw因因为为0)()(0tttwtw 所所以以, 0 ) (0处切线存在处切线存在上点上点即即w )(Arg)(Arg)(Arg000tztwzf )(Arg)(Arg)(Arg000tzzftw 或或处切线的倾角处切线的倾角在在0w 处切线的倾角处切线的倾角在在0zC的的转转动动角角映映射射后后在在经经曲曲线线定定义义为为0)(:zzfwC )()(00tzzf 解析函数导数的几何意义现在学习的是第13页,共58页2 1 1C说明说明: 转动角的大小与方向跟曲线转动角的大小
10、与方向跟曲线C的形状无关的形状无关.映射映射 w=f(z) 具有转动角的不变性具有转动角的不变性. .0w 映射映射经经)(zfw 1C1 )(Arg)(Arg)(Arg01010tztwzf 2C2 2C0z.)(Arg)(Arg)(Arg02020tztwzf 解析函数导数的几何意义现在学习的是第14页,共58页则有则有的夹角的夹角在在与与 021w 的夹角的夹角在在与与 021zCC结论结论:)(zfw 的夹角在其大小和方向上都等同于经过的夹角在其大小和方向上都等同于经过. 2121之之间间的的夹夹角角与与对对应应的的曲曲线线与与映映射射后后跟跟 CC方向不变的性质方向不变的性质, .
11、的的大大小小和和具具有有保保持持两两曲曲线线间间夹夹角角映映射射 )( zfw 之之间间与与的的任任意意两两条条曲曲线线相相交交于于点点210 CCz解析函数导数的几何意义)(Arg)(Arg)(Arg)(Arg01020102twtwtztz现在学习的是第15页,共58页的的几几何何意意义义)( . 20zf 000)()(lim)(0zzzfzfzfzz 因因为为,0 irezz 令令 Cyx0)(wyx0)(zs R)(0tz 0QQ0ww.)(zfw r0pp0zz.,lim000zzwwzz .0 ieww 现在学习的是第16页,共58页0000)()(zzzfzfzzww iire
12、e s )(0zf所以所以.lim0szz )(0lim izzerss的的伸伸缩缩率率在在称称为为曲曲线线 0zC结论结论: 的的后通过点后通过点是经过映射是经过映射 )( )(00zzfwzf 的形状及的形状及它与曲线它与曲线的伸缩率的伸缩率在在的任何曲线的任何曲线CzC , 0方向无关方向无关. 所以这种映射又具有所以这种映射又具有伸缩率的不变性伸缩率的不变性. ,)( iers现在学习的是第17页,共58页综上所述综上所述, 有有具具有有两两个个性性在在那那末末映映射射且且0)(,0)(zzfwzf 质质: (1) : (1) ; (2) ; (2) 伸缩率不变性伸缩率不变性. .定理
13、定理 , ,)(0内内一一点点为为内内解解析析在在区区域域设设函函数数DzDzfw 现在学习的是第18页,共58页部分缩小?哪一平面的哪一部分放大?转动角,并说明它将处的在试求映射zizzzzfw212)(2例7.1例7.1解解, 22)( zzf因因izzf21)(arg 转动角转动角,2 ,21处处故在故在iz izz21)22arg( )4arg( i 现在学习的是第19页,共58页)(zf 伸伸缩缩率率, 1)( zf当当,)1(222yx )(iyxz ,21,1的的圆圆内内缩缩小小半半径径为为为为中中心心故故在在以以 z,41)1(22时时即即 yx反之放大反之放大.21,1的的圆
14、圆外外放放大大半半径径为为为为中中心心以以 z,缩缩小小现在学习的是第20页,共58页经点经点z0的两条有向曲线的两条有向曲线C1,C2的切线方向所构成的的切线方向所构成的角称为角称为两曲线在该点的夹角两曲线在该点的夹角. .Ox(z)z01C2C定义定义7.1 若函数若函数w=f(z)在点在点 的邻域内的邻域内有定义有定义,且在点且在点 具有具有:(1)伸缩率不变性伸缩率不变性;(2)过过 的任意两曲线的夹角在的任意两曲线的夹角在变换变换w=f(z)下下,既保持大小既保持大小,又又z0z0z0保持方向保持方向;则称函数则称函数w=f(z)在点在点 是是保角的保角的,或称或称w=f(z)在点在
15、点 是是保角变换保角变换. 如果如果w=f(z)在区域在区域D内处处都是保角的,则称内处处都是保角的,则称w=f(z)在区域在区域D内是内是保角的保角的,或称,或称w=f(z)在区域在区域D内是内是保角保角变换变换.z0z0保角变换保角变换现在学习的是第21页,共58页转动角的大小与方向跟曲线转动角的大小与方向跟曲线C的形状与方向无关的形状与方向无关. . 所所以这种映射具有转动角的不变性以这种映射具有转动角的不变性. . 通过通过z0点的可能的曲线有无限多条点的可能的曲线有无限多条, , 其中的每一条都具有其中的每一条都具有这样的性质这样的性质, , 即映射到即映射到w平面的曲线在平面的曲线
16、在w0点都转动了一个角度Arg f (z0).OxyOuv(z)(w)z0w0现在学习的是第22页,共58页相交于点相交于点z0的任何两条曲线的任何两条曲线C1与C2之间的夹角之间的夹角, ,在其大在其大小和方向上都等同于经小和方向上都等同于经w=f (z)映射后C1与与C2对应的曲线对应的曲线1与与2之间的夹角之间的夹角, ,所以这种映射具有保持两曲线间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。yOxOuv(z)(w)z0w0C1C21211222121现在学习的是第23页,共58页定理定理7.4 7.4 如如w=f(z
17、)在区域在区域 D内解析内解析, ,则它在导数不则它在导数不为零的点处是保角的为零的点处是保角的. .推论推论7.5 7.5 如如w=f(z)在区域在区域D内单叶解析内单叶解析, ,则称则称w=f(z)在区域在区域D内是保角的内是保角的.总结上述讨论,我们有以下结论:例例1 1求求w= f(z)=z3 在在 z=0, z=i 处的导数值处的导数值, ,并说明几何意义并说明几何意义。解解 w= f(z)=z3在全平面解析在全平面解析, 。 21333ifiie )在z=i 处具有伸缩率不变和保角性。处具有伸缩率不变和保角性。伸缩率为伸缩率为3,旋转角为旋转角为 。 2)00,0ff zz3=z
18、在处显然不具有保角性。23)(zzf现在学习的是第24页,共58页定义定义7.2 如果如果w=f(z)在区域在区域D内是单叶且保角的内是单叶且保角的, ,则称此变换则称此变换w=f(z)在在D内是内是共形的共形的, ,也称它为也称它为D内的内的共形映射共形映射. . )(1wfz).)(,( )()(000)(1010GzfwDzwfzf7.1.3 单叶解析变换的共形性单叶解析变换的共形性定理定理7.6 设设w=f(z)在区域在区域D内单叶解析内单叶解析. .则则 (1)w=f(z)将D共形映射成区域共形映射成区域G=f(D). (2)反函数反函数 在区域在区域G内单叶解析内单叶解析, ,且且
19、证 (1)由推论7.2,G是区域,由推论7.5及定义7.2,w=f(z)将D共形映射成G. (2)由定理6.11, ,又因w=f(z)是D到G的单叶满变换,因而是D到G的一一变换.)(0)(00Dzzf于是于是, ,当当 时时, , ,即反函数即反函数 在在区域区域G内单叶内单叶. .故故0zz 0ww )(1wfz现在学习的是第25页,共58页.000000111)()(zzwwwwzzwwwfwfvuxxxxxxyxyxuvvuvvuu22| |)( , 0| )( |22Dzzfivuxx由假设f(z)=u(x,y)+iv(x,y)在区域D内解析,即在D内满足C.-R.方程ux=vy,u
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