6.2 分式线性变换的基本工具|数学物理方法

数学物理方法 · 6.2 分式线性变换的基本工具
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第六章 / 6.2

分式线性变换的基本工具

教材146—150页

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07 四个系数,为什么只有三个自由度

分式线性变换,也叫莫比乌斯变换,写成

四个系数同时乘同一个非零数,函数不变,所以只有三个复参数的自由度。行列式条件保证变换不退化成常数。

若,极点是,且。若,就是整线性变换,。反解时把收集成

因此反变换也是同类函数。有限普通点处

做题要达到: 看见分式后能立刻找零点、极点、无穷远的像,能反解,能检查是否退化。

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08 为什么它保形:把复杂式子拆成简单动作

时,将式子整理为

从右往左读动作:先平移,再取倒数,再乘非零常数,最后平移。每个动作都是扩充复平面上的一一保形变换,所以复合仍然保形。这个拆法也解释了为什么它们的复合仍属于分式线性变换。

这里讲证明的用途是帮你构造变换,尤其是“先把某个边界点送到无穷远,把圆拉成直线”。第一轮需要会拆分、会用,不必背四个系数的所有中间代数。

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09 保圆性中的“圆”包含直线

圆与直线统一写成广义圆方程

非退化时;对应直线,对应通常的圆。代入并乘,得到

仍是同一种方程。平移、旋转、伸缩显然也保持广义圆,所以分式线性变换把广义圆变成广义圆。

最有用的判据:原边界含有变换的极点,像边界就通过无穷远,因此是一条直线。 否则像为通常的圆。保圆性只管边界的形状,暂时不管圆内、圆外。

实际求像边界有两种方法:选原边界三个点算像,以三个像点确定圆或直线;或者把反变换代回边界方程。前者快,后者方便精确写出圆心与半径。

图 6-3 倒数映射:过极点的圆变直线
z 平面w=1/zReIm0|z-1|=1ReIm0Re w>1/2极点0边界 Re w=1/2边界经过极点时成为直线;再用内部点确定像域在哪一侧。

原圆内对应 Re w>1/2;0在边界上,圆内的函数处处有定义。

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10 圆对称:一个公式解决“另一个点在哪里”

关于直线的对称就是镜面对称。关于圆,对称点满足“同一条从圆心发出的射线、距离乘积为”。写成公式是

圆心与互为对称,圆周上的点与自己对称。单位圆的公式尤其常用:。这里有共轭! 它与儒可夫斯基变换里出现的代数倒数不是同一概念。

教材先证明:过一对对称点的广义圆,与给定圆正交;再利用保圆、保角把正交性送到像平面,得到“对称点映成关于像圆的对称点”。这就是保对称性。

为什么需要讲这段几何证明?因为当你知道某点映成0,便能通过对称关系快速定位映成的点,构造圆盘自映射和同心圆环映射。第一轮会用公式和结论即可;切线幂定理那一步属于证明细节。

图 6-4 圆对称点 1/共轭z 与同像倒数点 1/z 的区别
ReIm0z1/共轭z1/z圆对称:同一射线两距离乘积为1代数倒数:角度反号例:z 的辐角30°;圆对称点仍为30°,1/z 的辐角为 -30°。

橙点用于分式线性保对称性;灰点用于儒可夫斯基同像条件,不能混淆。

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11 三点确定一个变换:按固定次序写交比

给定互不相同的与互不相同的,唯一的分式线性变换由

确定。别靠记忆随意交换其中一对:左右必须采用同一顺序。该式把第一点变为0、第二点变为、第三点变为1,左右于是是同一个标准化坐标。

含时应取极限。例如时右边的最后一个比值趋于1;不是把每个出现的因子都当普通数删除。

若只规定,直接设

再用第三点定,通常比代四个系数省事。若要求,则

检验习惯:每次都把三个指定点代回去。 这比重新检查交比的代数可靠。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第六章整理;正文印刷页142—166上部,章末习题166—168。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第六章含20道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月22日。