6.1.1 单叶解析函数的映射性质

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第六章 保形映射 第一节 单叶解析函数的映射性质 1、一般概念:

解析函数所确定的映射是保形映射。它是复变函数论中最重要的概念之一,与物理中的概念有密切的联系,而且对物理学中许多领域有重要的应用。

如应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、磁场、电场与热场理论以及其他方面的许多实际问题。不但如此,20世纪中亚音速及超音速飞机的研制促成了从保形映射理论到拟保形映射理论的发展。

我们主要研究单叶解析函数的映射性质。设函数w=f (z )在区域内解析,并且在任意不同点,函数所取的值不同。那么我们就称它为区域的单叶解析函数,简称即为单叶函数。 注解1、单叶函数是确定一个单射的解析函数。

例1、函数α+=z w 及z w α=是z 平面上的单叶解析函数它们把z 平面映射成w 平面,其中α是复常数,并且对于第二个映射0≠α。 例2、z e w =在每个带形

,2Im π+<

内单叶解析,并且把这个带形映射成z 平面上除去从原点出发的一条射线而得的区域,,其中a 是任意实常数。

注解2、上面的例子把z 平面上的区域映射成w 平面上的区域。 引理 1.1 设函数f (z )在0z z =解析,并且)(00z f w =。设...)3,2,1(0)(,0)(...)('')('0)(0)1(00=≠====-p z f z f z f z f p p ,

那么0)(w z f -在0

z

有p 阶零点,并且对充分小的正数ρ,存在着一个正数μ,使得当

μ<-<||00w w 时,w z f -)(在ρ<-<||00z z 内有p 个一阶零点。

证明*:0)(w z f -在0z

有p 阶零点是显然的。由于f (z )不恒等于零,可以作出以0z

为心的开圆盘ρ<-|:|0z z D ,其边界为C ,使得f (z )在

C D D ⋃=上解析,并且使得0)(w z f -及f’(z )除去0z z =外在D 上无其他

零点。那么

,0|)(|min 0>=-∈μw z f C

z

取w ,使μ<-<||00w w 。现在应用儒歇定理,比较f (z )-w 及0)(w z f -在内D 的零点的个数。由于

),())(()(00w w w z f w z f -+-=-

而当C z ∈时

,0|||)(|00>->≥-w w w z f μ

可见f (z )-w 及0)(w z f -在D 内的零点个数同为p (每个n 阶零点作n 个零点)。

最后只须证明f (z )-w 在D 内的每个零点1z 都是一阶的。这是因为

0w w ≠,所以0z z ≠,而0]'

)([0

≠-≠z z w z f 。

定理1.1、设函数f (z )在区域D 内单叶解析,那么在D 内任一点,

.0)('≠z f

证明:反证之。假定,0)(',00=∈z f D z ,那么由引理1.1,可得出与单叶相矛盾得结论。

注解1、如果一个函数在区域D 内单叶解析,那么它的导数在D 内任意一点不等于零;

注解2、反之,这个定理的逆定理不成立,例如z e w =的导数在z 平面上任意一点不为零,而这个函数在整个z 平面上不是单叶的。 定理1.2设函数w=f (z )在0z z =解析,并且0)('0≠z f ,那么f (z )在0z 的一个邻域内单叶解析。

定理1.3设函数w=f (z )在区域D 内解析,并且不恒等于常数,那么

)(1D f D =是一个区域,即f 确定从D 到1D 的一个满射。

证明*:先证明1D 是开集,即证明任一点10D w ∈是1D 的内点。设D z ∈0,并且00)(w z f =。由引理1.1,可以找到一个正数μ,使得对于任何满足μ<-||01w w 的复数1w ,我们有D z ∈1,使得11)(w z f =。因此开圆盘

μ<-||0w w 包含在1D 内,即0w 是1D 的内点。

其次我们证明1D 的连通性,即证明在1D 内任意不同两点1w 及2w 可以用在1D 的一条折线连接起来。我们有D z z ∈21,,使得

2211)(,)(w z f w z f ==。由于D 是一个区域,在D 内有折线

)()(b t a t z z ≤≤=

连接1z 及2z ,在这里)(),(21b z z a z z ==。函数w=f (z )把这条折线上每一条线段映射成1D 内一条光滑曲线,从而把这折线映射成1D 内连接1w 及

2w 的一条光滑曲线Γ:

)())((b t a t z f w ≤≤=

另一方面,由于Γ是1D 内的一个紧集,根据有限覆盖定理,它可以被

1D 内有限个开圆盘所覆盖,从而在1D 内可以作出连接1w 及2w 的折线1Γ。

注解:如果w=f (z )在区域D 内单叶解析,那么根据定理1.3,它把区

域D 双射成区域)(1D f D =。于是f (z )有一个在1D 内确定的反函数

)(w z ϕ=。

定理1.4 最大模原理:

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1.5 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1.3,假定f (z )在D 内不恒等于常数,那么)(1D f D =是一个区域。设|f (z )|在D z ∈0达到最大值。显然,100)(D z f w ∈=,而且0w 必有一个充分小的邻域包含在1D 内。于是在这个邻域内可以找到一点w'满足|||'|0w w >。从而在D 内有一点z'满足w'=f (z')以及|)(||)(|0z f z f >,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1.1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。

定理1.6 设函数f (z )在区域D 内单叶解析,并且)(1D f D =,那么w=f (z )有一个在1D 内单叶解析的反函数)(w z ϕ=,并且如果)(,0010w z D w ϕ=∈,那么

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