6.6 儒可夫斯基变换与割线域|数学物理方法

数学物理方法 · 6.6 儒可夫斯基变换与割线域
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第六章 / 6.6

儒可夫斯基变换与割线域

教材160—164页

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24 星号内容为什么值得学

儒可夫斯基变换

把圆变椭圆、把圆盘内外变成线段割开的平面,能处理前面分式线性加幂不方便的裂缝边界。若课程不考星号内容,第一轮至少掌握一一性、椭圆参数式和割平面三个结论;复杂的多步裂缝例题可以第二轮复做。

这不表示“和习题无关”:原书习题11的径向割缝、斜向割缝都需要类似的“把裂缝拉直或打开”的思路。

注意本书归一化有,对应焦点。有的教材用,对应焦点,两套结果不能直接混用。

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25 一一性由互为倒数决定

若且两个点非零,则

所以两个不同点同像,当且仅当。因此单位圆内部的非零部分和单位圆外部都各自一一,因为同一区域里不可能同时含有一对互为倒数的不同点。

导数为

仅在为零,它们恰在单位圆边界。0是简单极点,在球面意义下映成;普通平面叙述时须从圆盘内去掉0。

别把改成。 前者来自代数同像条件,后者是单位圆对称点,两种关系用途不同。

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26 圆变椭圆,射线变双曲线

令,写,得到

固定,是椭圆,半轴

所以所有椭圆焦点相同,都是。时系数为负,原圆逆时针走一圈,像椭圆顺时针走;时像椭圆逆时针走。这种方向变化不违反局部保角,原圆作为“圆盘内部边界”或“外部边界”的正向本来就不同。

当时,,椭圆压成线段。当或,椭圆越来越大。

固定非轴向的,消去得到

射线的一段对应一条双曲线的部分分支。原来的圆与射线正交,像椭圆与双曲线也正交。轴向角度需回到参数式看,不能在分母为0时套这个式子。

图 6-11 儒可夫斯基映射把圆变成共焦椭圆
z 平面:r=2ReIm0J(z)=(z+1/z)/2ReIm0-11椭圆半轴 A=1.25,B=0.75;焦点±1。半径r与1/r给同一椭圆,像曲线走向相反。蓝线为割线。

r>1:像椭圆逆时针;椭圆焦点固定±1。

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27 像域和反函数:根号前的正负号怎么选

单位圆上,线段被上下两段半圆各覆盖一次。圆盘内部和外部则分别一一映到去掉的扩充平面;普通平面中外部不含时,像也不含。

更具体地,

因此上半单位圆内部变到下半平面;上半平面中的单位圆外部变到上半平面。这个符号式比记图可靠。

反解二次方程得

两根乘积为1。对割平面,选解析分支,满足当。则外部反函数为,内部反函数为。

“满足”是函数分支的条件;直接把每个数值交给主平方根,跨到负实方向可能选错。第一轮能用“所求根模大于1或小于1”检查分支,就已经抓住关键。

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28 带竖直裂缝的上半圆外域:原书例5逐步走

原域是,再删去。先令

原来的上半圆周变成;整个上半圆外域原本会变成上半平面。裂缝上的像为

所以删去的射线变成。

再令。上半平面被平方成正轴割平面,竖直裂缝又变成负轴上的射线。于是

第三步令。这两条被删去的射线合在一起变成:负射线映为,正射线映为,无穷远的边界极限对应1。

最后选的平方根,,便得到上半平面。可以整理成

教材给出一个含根号的紧凑式;实际使用时要连同上述连续分支一起读。把各层主平方根直接相乘相除,不能自动保留正确分支。 例如处最终应取的根,可作为检验。

图 6-12 裂缝变换的四步区域账本
① 上半圆外域,删去y≥22i② J(z):上半平面带裂缝3i/4J③ 平方:删去两条实轴射线-9/160④ 1+9/(16w₂):正轴切口0最后选正轴切口的平方根 → 上半平面。橙色粗线表示被删去的射线。

平方后删去(-∞,-9/16]与[0,∞),下一步才把两条切口接到同一条正轴。

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29 余弦的映照:用已经会的三步解释

教材最后指出

可以拆成、、。对,第一步得到,第二步得到沿正实半径割开的单位圆内部,且不含0。

儒可夫斯基先把整个去心单位圆一一变成;被删去的正实半径又映成。因此最终像域是

这段的用途是教你分解熟悉的初等函数,而非另外死记余弦的区域表。第一轮能写出三步及各自的域,便已达到本段的主要目标。

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。