Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ТФКП Половинкин

.pdf
Скачиваний:
360
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
10.77 Mб
Скачать

§ 24.

Принцип сохранения области

 

 

 

151

Пусть w0 = f(z0 ).

По теореме 1

существует

круг B€(w 0 )

та­

кой, что B€(w 0 ) С f(G). Возьмем в круге B€(w 0 )

точку w1

на го­

ризонтальном радиусе правее w0 , т. е.

Re w1 > Re w0

(см. рис.

2б),

причем существует точка z1 Е G такая, что f(z 1 )

= w1 .

Тог~а

Ref(z1 ) = и(х1 1) > и(х00), что противоречит допущению. Сле­

довательно, допущение неверно.

2.Доказательство утверждения о минимуме следует из пер­

вой

части доказательства о максимуме,

так как min и(х, у) ==

= -

max ( -и(х, у)), а функция -u(x, у) также является гармоничес­

кой функцией.

11

Теорема 4 (О среднем для гармонической функции).

Пусть фунJСция и : ВR (а) --t

IR является гар.мониrчесх:ой в х:руге

ВR (а) и непрерьtвной на его за.мьtх:ании ВR (а).

Тогда справедлива

формула

 

 

211"

 

 

 

 

 

 

 

и(а) =

_!_

1

и(а+ Rei"') d<p.

(6)

 

21Г

 

о

 

 

Д о к аз а т е ль с т в о. По теореме 2 §4 существует регулярная

функция f: BR(a) ~С такая, что Ref(z) == и(z). Тогда по инте-

гральной формуле Коши для любой окружности 'Ур = {z liz- aJ =

== р}, где рЕ (O,R), имеем равенство

 

f(a)

= ~ (

!(() d(.

 

 

 

 

21rz

1'У (-а

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

Так как для всякой точки (

Е 1Р,

справедливо представление (

= а +

+ pei"', где О ~ <р ~ 21r,

то d( = ipei'P d<p, и после замены переменных

в интеграле получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

f(a) = ~ {21r f

(а+ peiv) ipei<P dr.p

= _!_

{21rf (а+ pei'P) d!p.

(7)

21Гl 1о

 

ре~~

 

 

21Г

1о

 

Выбирая в (7) действительные части, получаем равенство

 

и(а) =

 

1

21Г

 

 

 

2._

 

и(а+ pei"') d<p.

(8)

 

 

27r о

 

 

 

 

 

В силу непрерывности функции u(x, у) на круге BR(a) и в силу рав­ номерной по <р Е [0, 27r] непрерывности функции р ~ и(а+ pei"') при р Е (0, R], устреl\tляя р к R, по известной тeopeiVre l'латематического

анализа о переходе к пределу под знаком интеграла, получаем фор­

м:улу (6).

11

152

Е. С. Половинкин. Курс лекций по ТФКП

§25. Конформные отображения в С

Вданном параграфе сформулируем определение конформного отображения в произвольной области из С и объясним некоторые

геометрические свойства такого отображения.

1.Прежде всего, мы изучи:м геометрический смысл модуля и

аргу~1ента производной функции.

Пусть дана функция f : G -t С, определенная в области G С

С С. Пусть точка z0 Е G такова, что в ней существует производпая f' (z0 ) :/:. О. Обозначиi\1

w0 = f(z0 ),

 

дw = f(z)- f(z 0 ),

 

дz = z- z0

Тогда в силу определения производной имеем

 

 

 

 

 

дw = f'(z0)дz + а(дz),

 

 

(1)

где lim

a(~z) =О,

f'(z

0

) = их(х

0

, у

0

) + ivx(x

0

, у

0

).

дz--..+0

~z

 

 

 

 

 

 

РасСI\·Iотрим приращение функции дw по формуле (1), т. е. вос-

пользовавшись его приближенным представленнем через дифферен­

циал dw = f'(z0)дz (так как с точностью до членов более высокого

порядка малости, чем lдzl, имеет место приближенное равенство

дw::::: dw). Расписав дифференциал dw по компонентам, получаем

 

Дv

V

и

Ду

 

(i

 

Ду

 

 

(

ди)::::: (их

-vx)

(дх) =К·

Vx

-k )(дх)

'

(2)

 

 

 

 

Ux

 

 

 

х

х

 

[(

к

 

 

где К ~ lf'(z0 )/.

Из выражения (2)

следует, что линейное относи­

тельно дz отображение d1v = f'(z0)дz является суперпозицией двух

отображений: растяжения с коэффициентом К= lf'(z)1 >О и ор­

0

тогонального преобра.зования плоскости (так как очевидно, что по­

следняя I\Iатрица в равенстве (2) ортогональна).

В частности, так как ldwl = lf'(z0)llдzl, то образом окружности

'Yr !':. {z jlz- z0 1= r} радиуса r >О (на которой ID.zl = r) при ото-

бражении f будет окружность 'У= {w jlw- w 1= Kr} радиуса Kr

0

с точностью до o(lдzl) (см. рис. 1).

Полученное свойство отображения f называют свойством сохра­

нения О'Х;ружности в .мало.м, причем коэффициент линейного растя­

жения в точке z0 равен

 

 

 

К= lf'(z0)1

=

lim lдwl.

(3)

 

 

lдzl---+0 lдzl

 

Кроме того из формулы (2)

тllfкже следует,

что отображение f

сохраняет углы между кривыми, выходящими из точки z0 , так как

§ 25. Конформные отображения в С

153

каждая из них повернется на один и тот же угол. Поясним это более

подробно.

у

v

z'

2

/2

о

 

 

х

о

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1

 

 

 

 

Пусть функция f: G --t

С регулярна в пекотором круге Br(z0 )

и пусть в этом круге f'(z) i=- О.

Пусть w0 = f(z0 ).

Рассмотрим

два гладких контура г12

С Br(z0 ),

проходящие

через точку

z0

(см. рис. 1), т. е. представимые в виде

 

 

 

 

Tk = {z

1

z = zk(t), t

Е [t0

- д,t0

+д]}, б> О, k Е 1,2,

(4)

~

 

 

 

 

 

--

 

причем z~(t) i=-

О и z1 (t0 ) = z2 (t0 )

= z0 .

 

 

 

 

Тогда функция f отображает контуры Гk, k Е 1, 2,

в кривые

 

1k = {w 1 w = wk(t) D. f(zk(t)),

t Е [t0 - б,t0 +б]}.

(5)

Тогда в силу очевидной формулы

 

 

 

 

w~(t) = f'(zk(t))z~(t), Vt Е [t0

- д, t0 +б],

k Е 1,2,

(6)

получаем, что w~ (t) i=- О, Vt,

т. е. кривые гZ являются гладкими кон­

турами.

 

 

 

 

 

 

 

 

Угол между кривыми г1

и 12 в точке z0 по определению есть угол

между касательными векторами z~ (t0 ) и z~(t0). Соответственно, угол между кривыми тi и г2 в точке w0 есть угол между векторами w~ (t0 )

и w~(t0). При этом из формулы (6) при t = t 0

получаем

 

w~(t0) = f'(z0)z~(t0),

 

 

откуда следует равенство

 

 

Arg w~(t0 ) = аrgгл /'(z0 ) + Arg z~ (t0 ),

Vk Е 1, 2.

(7)

Из формулы (7) следует, что каждый касательный вектор z~(t0)

контура Tk при отображении f поворачивается на один и тот же угол

аrgгл /'(z0 ). То есть угол между двумя кривыми, выходящими из точки z0 , сохраняется при регулярном отображении/, если f'(z0 ) i:-

=1 О. Это свойство называется свойством сохраиеиия углов.

154

Е. С. Половинкин. Курс лекций по ТФКП

Заметим, что длины приведеиных выше контуров Tk и Tk вычи­

сляются через криволинейные интегралы первого рода по формулам

l(-yk) = jldzj,

l(-rk) = l.ldwl = jlf'(z)lldzj,

~k

~k

~k

т. е. мы еще раз видим,

что величина 1/'(z)lявляется коэффициен­

том линейного растяжения в точке z при отображении f.

Приведем другой пример, демонстрирующий свойство модуля

производной функции как коэффициента линейного растяжения.

Возьмем вектор-функцию вида

и=и(х,у), (х, у) Е G,

такую, что и, v Е Cl(G) ,

{v = v (х, у) '

 

 

 

 

 

причем ее якобиан

д

 

и

х

 

 

 

J(x, у) =

 

 

 

 

 

 

vx

 

Как известно из математического анализа (см., например, §44 в [3]),

такая вектор-функция отобразит измеримое по Жордану множество

G с IR2 на измеримое множество G*, мера Жордана которого удо­

влетворяетравенству

mG* = Jla IJ(x,y)jdxdy.

(8)

В случае, когда функции и, v суть компоненты регулярной функ­

ции/, т. е.

области G,

f(z) = и(х,у) + iv(x,y), где и,v Е C 1 (G) и f'(z) =/=О на

в силу условий Коши-Римана получаем

 

и

 

 

 

2

 

J(x,y)=

vx

 

 

 

 

 

 

 

=и;+ v~ = l/'(z)l >О.

 

 

х

 

 

 

 

 

Поэтому формула (8) принимает вид

 

 

 

2

(9)

 

 

mG* = Jla lf'(z)jdxdy,

т. е. величина l/'(z)l2 является коэффициентом растяжения площа­

дей в точке z при отображении f.

2. На основе указанных геометрических свойств производной

функции введем понятие конформного отображения.

Определение 1. Отображение f: Br(z0 ) --t С называется 'IСО'Н­

фор.мнъt.м в mo'Ч'ICe z0 Е С, если его компоненты и(х, у), v(x, у) диф­

ференцируемы в точке z0 = х0 + iy0 , а линейное отображение

 

du = их(х0, y0 )Lix + иу(х0, у0)6.у,

 

{ dv = v"(x0 , у0)~х + vy(x0 , у0)~у,

(lO)

§25. Конформные отображения в С

155

представляет собой композицию растяжения и поворота относи­ тельно точки О.

Теорема 1. Отображеиие f

к:оифор.мно в то'Чк:е z0

Е <С тогда

и то.лъх;о тогда, к:огда фун.х;ци.я

f диффереицируе.ма в

то'Чк:е z0· и

f'(z0 ) =1= О.

 

 

До к а з а т е л ь с т в о. То, что дифференцируемая функция f,

укоторой f'(z0 ) -:/:-О, конформна в точке z0 (по определению 1), было

показано в начале этого параграфа. Допустим обратное. Пусть ото­

бражение f конформнов точке z0 == х0 +iy0 . Тогда по определению 1

выражение (10) принимает вид

du) == /( (

cos ()

sin ()) (дх),

К > О,

(11)

(dv

- sin ()

cos ()

ду

 

 

откуда следует, что их =

к cos (), Uy == к sin е,

vx == sin (),

Vy ==

== К cos О, т. е. выполнены условия Коши-Римана, в результате чего

функция f дифференцируема в точке z

0

и l/'(z)1 ==К =1= О.

11

 

0

 

Определение 2. Отображение f : G -+ С называется к:оифор.м­ иы.м в области G С С, если оно однолистно на области G и кон­

формно в каждой точке из области G.

За.ме'Чаиие l. В силу теоремы Гурса (см. замечание 1 § 7) из того,

что функция дифференцируема в каждой точке области следует, что

она непрерывно дифференцируема в этой области, т. е. регулярна. Поэтому и в силу теоремы 1 функция, осу1цествляющая конформное

отображение области <С в комплексну1о плоскость <С является регу­

лярной в данной области.

Обобщим понятие конформного отображения на случай расши­

ренной комплексной плоскости С.

Отметим, что определенное выше понятие конформности отобра­

жения в конечной точке включает в себя два геометрических свой­ ства таких отображений: свойство сохранения углов и свойство со­

хранения окружностей в малом. Мы хотели бы определить кон­

формность отображения в бесконечно удаленной точке оо, опираясь

на эти же геометрические свойства, по крайней мере, на свойство

сохранения углов.

Для этого необходимо ввести понятие угла между кривыми в бес­

конечности. Отметим следующие два свойства стереографической

проекции <С на сферу Римана S (см. §2).

1) Угол между любыми двумя гладкими кривыми, пересекающи­ мися в пекоторой конечной точке из <С, при стереографической про­

екции переходит в равный ему угол между образами данных кривых

на сфере Римана S.

156

Е. С. Половинкин. Курс лекций по ТФКП

2) Отображение плоскости С на плоскость С, осуществляемое

u

1

ф

u

функциеи w =

-, при стереогра

 

ическои проекции соответствует по-

 

z

 

 

вороту сферы Римава на угол 1Г вокруг диаметра сферы с концами

вточках, являющихся образами точек +1 и -1 из С.

Всилу этих свойств под углом между двумя неограниченными кривыми в точке оо следует понимать угол между образами этих

кривых (при стереографической проекции) на сфере Римава в верх­

ней точке Р, если эти образы имеют в точке Р касательные. Этот угол, в свою очередь, совпадает с углом в точке нуль на плоскости С

между новыми кривыми, получаемыми из данных кривых при ото­

бражении w == 1/z плоскости С на себя.

Приведеиные выше соображения порождают следующие опреде­

ления.

о

Определение 3. Пусть функция f: BR(oo)--+ С имеет в точке z0 = оо устраниму1о особую точку. Скажем, что отображение f кон-

формнов точке оо, если отображение g(z) 6 f (;),доопределенное

по непрерывности в нуле, конформно в точке нуль.

Определение 4. Пусть точка z0 Е С является особой точкой

функции /,но не является устранимой особой точкой. Скажем, что

отображение f конформнов точке z если отображение g(z) == 1

0 , f(z),

доопределенное в точке z0 по непрерывности, конформнов точке z0 .

За.ме'Чание 2. Отметим, что в определении 4 особая точка может

быть только полюсом 1-го порядка, так как иначе нарушается од­ нолистность в малом, т. е. в л1обой проколотой окрестности особой

точки.

У пр а ж н е н и е 1. Докажите справедливость замечания 2. Теперь мы можем ввести понятие отображения, конформного в

области из расширенной плоскости С в расширенную плоскость С.

Определение 5. Отображение f : G --+ С называется 'I'ЬО'Нфор.м­ 'Н'Ы.М в области G С С, если оно однолистно на области G и кон­

формнов каждой точке из области G.

Рассмотрение конкретных классов конформных отображений,

получаемых с помощью элементарных функций, проделаем в сле­

дующих трех параграфах.

§26. Дробио-линейные отображения

Вэтом параграфе изучим свойства дробио-линейных отображе­ ний, важнейшего класса конформнь1х отображений плоскости С на

себя.

§26.

Дробио-линейные отображения

157

Определение 1. Функция (или отображение) вида

 

 

az + Ь

(1)

 

w== cz + d '

 

 

где коэффициенты

а, Ь, с, d Е С и ad- Ьс =Р О, называется

дробно­

линейной фунr.;цией (или отобра;жение.м).

 

Доопределим функцию w из (1) на бесконечности по непрерыв­ ности в <С:

1) если с == О, то полагаем

w(oo) == оо,

(2')

2) если с "# О, то полагаем

 

w(oo) = ~' w ( -~) = оо.

(2)

Таким образом, функция (1), (2) отображает С в <С.

В случае, когда с == О, получаем линейную функцию, свойства

которой считае:м хорошо известными из курса линейной алгебры и

аналитической геометрии. Поэтому, как правило, полагаем, что с =Р

=1 о.

Теорема 1. Дробио-линейпая фунr.;ция (1), (2) отобра;жает рас­

ширенну1о r.;о.мплеr.;сную плос~осrпъ С на всю расширеиную r.;о.м­ плеr.;сную nлocr.;ocrnъ С ~онфор.мно.

До к а з а т е л ь с т в о. 1. Докажем однолистность функции (1),

(2)на плоскости С. Из <lJормул (1), (2) элементарными вычислени­

ями l\1ожно выразить z через w, в результате чего получаем, что

существует обратное отображение вида

z==

-dw+b

(3)

cw- а

 

 

z(oo) == d z (~) = 00. (4)

с '

Таки~1 образом, отображение (1), (2) однолистно отображает плос­ кость <С на всю плоскость <С, причем, так как определитель

-d ь

= ad- Ьс =Р О,

 

с

то обратное отображение (3), (4) также является дробно-линейным. 2. Докажем конформность функции (1), (2) в каждой точке z0

плоскости <С.

 

 

 

 

 

1. Пусть z0 =Р -~, z0

# оо. Тогда

 

 

 

 

с

 

 

 

 

w' (z ) ==

a(cz0

+ d) - с(Ь + az0 )

ad- Ьс

:ро.

(5)

--- 2

о

 

(czo + d)2

(cz0 + d)'

 

 

158 Е. С. Половинкин. Курс лекций по ТФКП

2. Пусть z0

= -~. Так как

lim w(z) = оо, то рассмотрим функ-

 

с

Z~ZO

 

цию

 

 

 

 

g(z) ~ _1__ cz+d

 

w(z)

o.z + Ь'

 

g'(zo) = Ьс- ad =

с2 =1 О.

 

(az0

+ Ь)2

сЬ- ad

Это значит, что q)ункция g конфорrv1на. в точке z0 , откуда по опре­

делению 4 § 25 функция w(z) конформна в точке z0 = -~.

 

= оо.

 

 

 

 

 

с

3. Пусть z0

Тогда

lim w(z) = ~. Исследуеrvt на. конформ-

 

 

 

 

z~оо

с

 

 

ность функцию

 

 

 

~ w (!) = а+Ь(

 

 

 

g(()

 

 

 

 

 

(

с+ d(

 

в точке ( 0 = О.

Вычисляя производную в этой точке

 

1 ( /" ) =

 

Ьс - ad = Ьс -

ad -1- О.

 

g

(с+ d(o)2

с2

 

1

получаеrv1, что функция g конформна в нуле.

Отсюда по определе­

нию 3 § 25 функция w(z) конформна в точке оо.

Итак, по определениям 1-5 §25 функция (1), (2) конформно ото-

бражает плоскость С на всю плоскость С.

 

11

У пр а ж н е н и е

1.

Докажите,

что если функция f: С--+ С

конформно отображает плоскость С на плоскость С, то функция f является дробно-линейной.

Отметим следующее круговое свойство дробно-линейных отобра­

жений.

Теорема 2. При дробно-линейно.м отображении (1), (2) образом

любой ох;руж·носrпи или пря.мой является ох;ружностъ или пря.мая.

Д о к аз а т е ль с т в о. Для линейного отображения (т. е. при

с= О)

а =1 О,

(6)

w = az + Ь,

круговое свойство, приведеиное в формулировке теоремы, очевидно, справедливо, так как из линейной алгебры известно, что линейное

отображение на плоскости IR2 сводится к суперпозиции преобра.зова­

ния подобия, поворота и переноса, при которых окружности перехо­

дят в окружности, а прямые в прямые.

В общем случае (при с =1 О) представим отображение (1) в виде

w = ~ + -o.d + Ьс .

1

с

с

cz + d'

т. е. функцию (1) представим в виде суперпозиции трех отображе-

ний:

'l.V = Q + {3t,

t =!

( = cz + d.

(7)

 

('

 

 

§26. Дробио-линейные отображения

159

В формулах (7) два отображения являются линейными, и, как уже

отмечали выше, они обладают круговым свойством. Осталось дока-

зать, что отображение t == .!. также обладает круговым свойством.

(

Зададим произвольную окружность т в плоскости ( == ~ +iТJ. Она

задается уравнением 2-го порядка

(8)

где А, В, С, D - действительные числа, удовлетворяющие условиям

.~4 ~О, В2

+ С2 > 4AD. В случае,

когда .~4 ==О, уравнение (8)

задает

прямую.

Так как ~2

+ rJ 2

 

 

')

 

-

~ ==

1

-

 

1

-

 

== ICI-

== ((,

2(( + (), ТJ ==

i ((- (), то

уравнение (8) можно переписать в виде

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

с)

(

+

с)-

+ D == О.

 

(9)

 

А(( +

2 +

2i

2 - 2i

(

 

Отображение t ==

! преобразует окружность (9)

в кривую, урав­

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нение которой имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

А +

(

в

с)-

+

с)

t +

О.

 

(10)

 

- + -

t

 

- -

-

Dtt ==

 

 

 

2

2i

 

 

2

2i

 

 

 

 

 

Очевидно, что уравнение (10) в случае, когда D 1= О, также является

уравнением окружности, а. в случае, когда D == О, является уравне­

нием прямой.

11

Зa.мett.taнue 1. При дробио-линейном отображении окружности

или прямой нетрудно уточнить, что же конкретно будет в образе:

окружность или прямая. Для этого достаточно посмотреть на точку

z0 == - ~, для которой w (z0 ) == оо. Если точка z0 лежит на исходной

с

кривой, то образом будет прямая, в противном случае образом будет

окружность.

Из средней школы известно по­

нятие точки, симметричной данной

точке относительно прямой. Расши­

рим это понятие на случай окружно-

сти.

Определение 2. Пусть на плос­

кости IR2 дана. окружность г ради­

уса R с центром в точке А (см. рис. 1).

Точки М и lv/* называются сим­

метричными относительно окружно-

сти г, если они лех<ат на одном луче,

справедливо равенство

у

lvf*

о

х

Рис. 1

выходящем из центра А, и

IAl\1I·IAlvl*l == R2

(11)

160

Е. С. Половинкин. l(ypc лекций по ТФКП

Переходя

на язык комплексных чисел, получаем, что точки

z0 , z0 Е С являются симметричными относительно окружности т==

= {z liz- ai = R}, если справедливо равенство

z* -а==

R2

-

.

(12)

о

-

 

 

 

 

z0

-

а

 

 

Так как в Q)Opl\Iyлe (12) при z0 -+ а получаем z0 -+ оо, то будем счи­

тать, что точки а и оо также являются симl\1етричными относительно

окружности 'У= {z liz- ai = R}.

Теорема 3. При вся'К:ом дробно-линейном отобра;жении (1), (2)

пара то'Ч.е'К:, си.м.метри-чнъtх относительно не'К:оторой о'К:ру;жно­

сти или прямой, переходит в пару то-че'К:, си.м.метри-чных отно­

сительно образа этой 'К:ривой.

Заме-чание 2. В силу сходства получа.еl\1ЫХ свойств дробио­

линейных отображений, связанных как с окружностями, так и с nрямыми, для краткости изложения в q)ормулировках теорем будем

окружностью называть не только окружности, но также и прямые.

Для доказательства теореl\1Ы 3 нам потребуется следующая

Лемма 1. То-ч'К:и z0 и z0 .я.вл.яюrпся симметри-чными относи­

тельно данной о'К:ружности т rпогда и толь'К:о тогда, 'К:огда любая

о'К:ру;жность Г, проходящая -через rтlО'Ч'К:и z0 и z0, пересе'К:ает о'К:ру;ж­

ность 1 под пря.мъtм углом.

Д о к а з а т е л ь с т в о.

у

 

 

 

 

Необходимость.

Пусть точки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z0 и z0

симметричны относи­

 

 

 

 

 

 

тельно окружности т ради­

 

 

 

 

 

 

уса R с центром в точке а.

 

 

 

 

 

 

Пусть

Г

произвольная

 

 

 

 

 

 

окружность, проходящая че­

 

 

 

 

 

 

рез точки z0 и z0 (см. рис. 2).

 

 

 

 

 

 

Проведем через точку а ка­

 

 

 

 

 

 

сательную прямую L к окруж­

 

 

 

 

 

 

ности Г.

При этом обозначиl'л

 

 

 

 

х

 

через (

точку касания окруж-

о

 

 

 

 

 

 

Рис. 2

 

 

ности Г, т. е. (Е ГnL.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По теореме о касательной и

секущей получаеl\1, что 1(- al2 ==

lz

 

0

- al·lz - а!. Отсюда и из опре­

 

 

 

 

 

0

 

 

деления 2 о симметричных точках (равенство (12)) получаем, что

1(- al = R, т. е. точка ( лежит на окружности т' т. е. точка ( есть точка пересечения окружностей 1 и Г. Так как радиус [а,(] окружно­

сти т перпендикулярен касательной l к окружности т, проведеиной