6.3 圆盘半平面与圆环的构造|数学物理方法

数学物理方法 · 6.3 圆盘半平面与圆环的构造
学习总目录

第六章 / 6.3

圆盘半平面与圆环的构造

教材150—154页

6.3 · 教材150—154页

12 边界算完以后,用一个内部点定侧

分式线性变换在扩充平面上一一对应,一条广义圆将球面分成两侧,映射把每一侧完整送到像圆的一侧。因此:先求边界,再选原域内部的一个点,看其像位于哪边。

也可以用有向边界:沿正向边界走时原域在左侧,像域仍在像边界的左侧。但图上容易看错,初学时内部测试点更稳妥。

教材例2的变换为

当实数时,分子分母的模都等于,所以实轴变成单位圆。原域是下半平面,它包含极点,其像为,所以像域是单位圆外部。若只在普通平面书写,应说明极点处不取有限值;在扩充平面中外部包含。

对一般解析函数,“边界加一个点”不自动证明满射与一一性;这里能这样做,是因为分式线性变换已有全局一一性定理。后面的幂函数、指数函数要先限制定义域。

6.3 · 教材150—154页

13 上半平面到单位圆:从距离关系看公式

取,,则

把上半平面一一映到单位圆内,且。原因很直观:上半平面的点到比到下方镜像点更近。代数上,

边界实轴两段距离相等,像在单位圆上。只转动目标圆盘,不改变模。若题目再给导数旋转角,就用它定。

特别常见的凯莱变换是

在处,局部旋转角为,伸缩系数为。本章原书习题7正是这类归一化问题。

图 6-5 上半平面变圆盘:边界与内部测试点
ReIm0Im z>0|w|<1ReIm0i → 02i → 1/301/3w=(z-i)/(z+i)实轴 → 单位圆周把 i 代入得到0,确定上半平面对应圆内;极点-i在源域之外。

源域内导数非零且一一,内部点i的像0确定圆内一侧。

6.3 · 教材150—154页

14 圆盘自映射:原书例3完整推导

要把变到,并把指定点送到0。单位圆关于的对称点为;0关于目标单位圆的对称点为。由保对称性,极点必须在。于是整理成

当时公式直接变成旋转,不用单独操作“无穷远极点”。圆周上,所以前面的常数必须模为1。

不仅边界正确,内外也能直接核对:

在处求导:

分母是正实数,因此指定的旋转角就是。原书要求角度时,取,得到。不要误把写成。

6.3 · 教材150—154页

15 偏心圆环变同心圆环:原书例4

两条圆为与。前者位于后者内部,原域取两圆之间。希望变成以0为中心、外半径1的圆环。

设原像分别映成0与。因为0、关于任意同心圆对称,所以必须同时关于原来的两个圆对称。圆心都在实轴上,可求实的:

设,两式化成、,得到,故为。

先设,则。0在小圆内,因此小圆的内部被送到无界一侧,小圆周对应目标外圆。用小圆上的定模:

可取

大圆上的映成模,所以像域为。交换0、的原像,则得到另一族

仍映成同一个半径比的圆环,但两条原边界的对应交换。这里不要求背数字;要会“共同对称点 → 零极点 → 定比例 → 判两条边界”。

图 6-6 偏心圆环变同心圆环
ReIm0|z-3|=9 与 |z-8|=160两圆之间的偏心环域ReIm0w=(z+24)/(3z)12/32/3<|w|<1原小圆成为像域外圆;零点与极点均不在原环域内。

原小圆内部含极点0,因此它的内部映到无界侧,小圆周对应目标外圆。

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。