Комплексные функции · w = f(z)

Раскраска области определения

Раскраска области определения изображает комплексную функцию, присваивая каждой точке z цвет значения f(z): оттенок показывает аргумент, яркость — модуль.

Раскраска области определения в этой визуализации

Комплексная функция w=f(z)w = f(z) переводит точку одной плоскости в точку другой, поэтому для её графика нужны четыре измерения. Раскраска области определения оставляет только плоскость zz и окрашивает каждую точку по значению f(z)f(z). Оттенок показывает аргумент: в стандартном цветовом круге положительные вещественные числа красные; за полный оборот угла цвета проходят круг один раз. Яркость показывает модуль: значения вблизи 0 тёмные, значения с модулем около 1 имеют цвета круга, большие значения светлые. Малое изображение служит легендой: плоскость ww сжата в диск, каждая точка своего цвета, 0 в центре и ∞ на краю.

Нуль — тёмная точка, в которой сходятся все цвета, полюс — светлая. Вблизи нуля aa порядка mm функция ведёт себя как c (z−a)mc\,(z-a)^m, поэтому её аргумент примерно равен arg⁡c+marg⁡(z−a)\arg c + m\arg(z-a). За один обход против часовой стрелки по малой окружности, содержащей только aa, цвета проходят круг mm раз в его порядке. Вблизи полюса порядка nn функция подобна c (z−b)−nc\,(z-b)^{-n}, и цвета проходят nn оборотов в обратном направлении.

Красная клавиша обходит окружность один раз и считает обороты цвета: прямые минус обратные. Для рациональной функции

f(z)=c (z−a1)m1⋯(z−b1)n1⋯,arg⁡f=arg⁡c+∑miarg⁡(z−ai)−∑njarg⁡(z−bj).f(z) = c\,\frac{(z-a_1)^{m_1}\cdots}{(z-b_1)^{n_1}\cdots},\qquad \arg f = \arg c + \sum m_i \arg(z-a_i) - \sum n_j \arg(z-b_j).

При умножении чисел аргументы складываются. При обходе окружности каждый arg⁡(z−a)\arg(z-a) увеличивается на полный оборот, если aa внутри, и возвращается к исходному значению, если aa снаружи. Число оборотов цвета равно числу нулей внутри минус число полюсов внутри, с учётом их порядков. Это принцип аргумента. Он верен для функции, аналитической внутри и на окружности, кроме полюсов внутри, при отсутствии нулей и полюсов на самой окружности. Один нуль и один полюс внутри вместе дают ноль оборотов.

На что обратить внимание

  • В точке 0 у e1/ze^{1/z} существенно особая точка: ни нуль, ни полюс. Вблизи неё каждый цвет, кроме двух крайних, встречается бесконечно много раз; принцип аргумента неприменим.
  • Цвет может скачком меняться на разрезе функции вроде z\sqrt z или log⁡z\log z, для которой выбрана ветвь. Здесь функции однозначны и непрерывны вне своих особых точек, поэтому разрезов ветвления нет. Цвета сходятся в нулях и полюсах и повторяются всё чаще вблизи существенно особой точки.
  • Если включены линии фазы, они пересекают кольца модуля под прямым углом там, где ff конечна, отлична от нуля и выполнено f′≠0f' \ne 0. Два семейства — линии уровня действительной и мнимой частей log⁡f\log f. В критической точке эта сетка вырождается.

Связанные понятия