复变函数 · w = f(z)

域着色

域着色这样画复函数:给每个点z涂上代表f(z)的颜色,色相表示f(z)的辐角,明暗表示它的模。

本页的域着色

复函数w=f(z)w = f(z)把一个平面上的点送到另一个平面,它的图像要四维才放得下。域着色只留下zz所在的平面,给那里的每个点涂上代表f(z)f(z)的颜色。色相是这个值的辐角:默认色环里正实数是红色,辐角转一圈,颜色沿色环走一圈。明暗是它的模:接近0的值暗,模接近1的值是色环本色,大的值亮。嵌入屏就是这张对照表:ww平面压成一个圆盘,每个点涂它自己的颜色,圆心是0,边缘是∞。

零点是各种颜色汇成的暗点,极点是汇成的亮点。在mm重零点aa附近,函数近似c (z−a)mc\,(z-a)^m,所以辐角约为arg⁡c+marg⁡(z−a)\arg c + m\arg(z-a)。沿一个只圈住aa的小圆逆时针走一圈,颜色按色环的顺序走mm遍。在nn阶极点附近,函数近似c (z−b)−nc\,(z-b)^{-n},颜色倒着走nn遍。

红键让一点沿圈走一圈,数颜色转了几圈,正转减去反转。对有理函数

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).

数相乘,辐角相加。沿圈走一圈,圈里的点让arg⁡(z−a)\arg(z-a)增加整整一圈,圈外的点让它回到原值。所以颜色转的圈数等于圈里的零点数减去极点数,都按重数算。这就是辐角原理;只要函数在圈上和圈里除了圈里的极点处处解析,圈上又没有零点和极点,它就成立。圈里一个零点、一个极点合在一起,颜色净转0圈。

值得注意

  • e1/ze^{1/z}在0处是本性奇点,既不是零点也不是极点:在它附近,除了两端,每种颜色都出现无穷多次,辐角原理不适用。
  • 对于z\sqrt z、log⁡z\log z这类要选分支的函数,颜色可能会在割线处跳变,那是选法造成的;本页的函数单值,且在奇点以外连续,因此没有分支割线。颜色在零点、极点处汇聚,在本性奇点附近重复得越来越密。
  • 打开等辐角线时,在ff有限、不为0且f′≠0f' \ne 0的地方,它和等模环交成直角:两族线是log⁡f\log f的实部和虚部的等值线。在临界点处这套方格退化。

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