複變函數 · w = f(z)

域著色

域著色這樣描繪複函數:給每個點z塗上代表f(z)的顏色,色相表示輻角,明暗表示模。

本頁的域著色

複函數w=f(z)w = f(z)把一個平面上的點送到另一個平面,它的圖像要四維才放得下。域著色只留下zz所在的平面,給每個點塗上代表f(z)f(z)的顏色。色相是這個值的輻角:預設色環裡正實數是紅色,輻角轉一圈,顏色沿色環走一圈。明暗是它的模:接近0的值暗,模接近1的值是色環本色,大的值亮。嵌入圖就是這張對照表:ww平面壓成圓盤,每個點塗自己的顏色,圓心是0,邊緣是∞。

零點是各種顏色匯成的暗點,極點是匯成的亮點。在mm重零點aa附近,函數近似c (z−a)mc\,(z-a)^m,所以輻角約為arg⁡c+marg⁡(z−a)\arg c + m\arg(z-a)。沿一個只圈住aa的小圓逆時針走一圈,顏色按色環順序走mm遍。在nn階極點附近,函數近似c (z−b)−nc\,(z-b)^{-n},顏色反著走nn遍。

紅鍵讓一點沿圓走一圈,數顏色轉了幾圈,正轉減去反轉。對有理函數

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).

數相乘,輻角相加。沿圓走一圈,若aa在圓內,每個arg⁡(z−a)\arg(z-a)增加整整一圈;若aa在圓外,便回到原值。所以顏色轉的圈數等於圓內零點數減去極點數,都按重數算。這就是輻角原理;只要函數在圓周上和內部除了內部的極點以外處處解析,圓周上又沒有零點和極點,它就成立。圓內一個零點、一個極點合計帶來0圈淨轉動。

值得注意

  • e1/ze^{1/z}在0處是本性奇點,既不是零點也不是極點:在它附近,除了兩端,每種顏色都出現無窮多次,輻角原理不適用。
  • 對於z\sqrt z、log⁡z\log z這類要選分支的函數,顏色可能會在割線處跳變,那是選法造成的。本頁的函數單值,且在奇點以外連續,因此沒有分支割線。顏色在零點、極點處匯聚,在本性奇點附近重複得越來越密。
  • 開啟等輻角線時,在ff有限、不為0且f′≠0f' \ne 0的地方,它和等模環交成直角:兩族線是log⁡f\log f的實部和虛部的等值線。在臨界點處這套格子退化。

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