Раскраска области определения в этой визуализации
Комплексная функция переводит точку одной плоскости в точку другой, поэтому для её графика нужны четыре измерения. Раскраска области определения оставляет только плоскость и окрашивает каждую точку по значению . 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 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 порядка функция ведёт себя как , поэтому её аргумент примерно равен . За один обход против часовой стрелки по малой окружности, содержащей только , цвета проходят круг раз в его порядке. Вблизи полюса порядка функция подобна , и цвета проходят оборотов в обратном направлении.
Красная клавиша обходит окружность один раз и считает обороты цвета: прямые минус обратные. Для рациональной функции
При умножении чисел аргументы складываются. При обходе окружности каждый увеличивается на полный оборот, если внутри, и возвращается к исходному значению, если 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 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 или , 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 конечна, отлична от нуля и выполнено . Два семейства — линии уровня действительной и мнимой частей . В критической точке эта сетка вырождается.
Связанные понятия
Дополнительные материалы: Википедия: Domain coloring (Английский); Elias Wegert, Gunter Semmler, “Phase Plots of Complex Functions: A Journey in Illustration”, Notices of the AMS 58(6), 768–780 (2011) (Английский).