分式线性函数的保形性与保交比性

1,保形性:

(1)\(w=z+b\),则对于任意的 \(z\),\(w’=1\ne 0\),是保形的;

(2)\(w=rz\),则 \(w’=r\ne 0\),也是保形的;

(3)\(w=e^{i\theta}z\),则有 \(w’=e^{i\theta}\ne 0\),也是保形的;

(4)\(w=\frac{1}{z}\),那么对于 \(z\ne 0\),\(w’=-\frac{1}{z^2}\ne 0\),是保形的。

对于 \(z=0\) 和 \(z=\infty\) 两点处的曲线的夹角,我们补充如下定义:

定义:两个曲线在扩充 \(w\) 平面 \(\infty\) 处的夹角 \(\theta\) 定义为 \(w=\frac{1}{z}\) 的原像在 \(z=0\) 处的夹角 \(\theta\);反之 \(z\) 平面上 \(\infty\) 处两曲线的夹角 \(\theta\) 定义为 \(w=\frac{1}{z}\) 在 \(w\) 平面原点处的像曲线的夹角。

这样定义的夹角,在 \(\infty\) 和 \(0\) 处自然是保形的。

综合以上几个结论,我们得到,分式线性函数是保形的。

2,保交比性:

(1)我们先定义四个点的交比:四个有顺序 的点 \(z_1,z_2,z_3,z_4\) 构成的比率\[\frac{z_4-z_1}{z_4-z_2}:\frac{z_3-z_1}{z_3-z_2}\]

称为这四个点的交比。若有一个点为 \(\infty\),则该点所在的项用 \(1\) 来代替。例如 \(z_1=\infty\),则交比为 \(\displaystyle\frac{1}{z_4-z_2}:\frac{1}{z_3-z_2}\)

(2)定理(分式线性函数的保交比性):在分式线性变换下,四点的交比不变。即若 \(\displaystyle w_i=\frac{az_i+b}{cz_i+d}, \quad 1\le i\le 4\),则

\[\frac{z_4-z_1}{z_4-z_2}:\frac{z_3-z_1}{z_3-z_2}=\frac{w_4-w_1}{w_4-w_2}:\frac{w_3-w_1}{w_3-w_2}\]

证明:设 \(\displaystyle w_i\frac{az_i+b}{cz_i+d}, \quad 1\le i\le 4\),则

\[w_i-w_j=\frac{az_i+b}{cz_i+d}-\frac{az_j+b}{cz_j+d}=\frac{(ad-bc)(z_i-z_j)}{(cz_i+d)(cz_j+d)}\]

所以\begin{align*}\frac{w_4-w_1}{w_4-w_2}:\frac{w_3-w_1}{w_3-w_2}&=\frac{\frac{az_i+b}{cz_i+d}-\frac{az_j+b}{cz_j+d}=\frac{(ad-bc)(z_4-z_1)}{(cz_4+d)(cz_1+d)}}{\frac{(ad-bc)(z_4-z_2)}{(cz_4+d)(cz_2+d)}}:\frac{\frac{(ad-bc)(z_3-z_1)}{(cz_3+d)(cz_1+d)}}{\frac{(ad-bc)(z_3-z_2)}{(cz_3+d)(cz_2+d)}}\\ &=\frac{z_4-z_1}{z_4-z_2}\cdot \frac{(cz_4+d)(cz_2+d)}{(cz_4+d)(cz_1+d)}:\left[\frac{z_3-z_1}{z_3-z_2}\cdot\frac{(cz_3+d)(cz_2+d)}{(cz_3+d)(cz_1+d)}\right]\\ &=\frac{z_4-z_1}{z_4-z_2}:\frac{z_3-z_1}{z_3-z_2}\end{align*}

所以分式线性函数保持交比不变。

如果确定了平面上三个点的像,那么就确定了唯一一个分式线性函数,我们有如下的定理。

(3)定理:设有分式线性函数将 \(z\) 平面上的三个点 \(z_1,z_2,z_3\) 依次变成 \(w_1,w_2,w_3\) ,则此分式线性函数就被唯一确定,并且

\[\frac{w-w_1}{w-w_2}:\frac{w_3-w_1}{w_3-w_2}=\frac{z-z_1}{z-z_2}:\frac{z_3-z_1}{z_3-z_2}\]

例1,求将 \(2,i,-2\) 对应变成 \(-1,i,1\) 的分式线性变换。

解:由上面的定理,

\begin{align*}&\frac{w+1}{w-i}:\frac{1+1}{1-i}=\frac{z-2}{z-i}:\frac{-2-2}{-2-i}\\ \Rightarrow&\frac{w+1}{w-i}:\frac{2}{1-i}=\frac{z-2}{z-i}:\frac{4}{2+i}\\ \Rightarrow&\frac{w+1}{w-i}=\frac{z-2}{z-i}\cdot\frac{2+i}{4}\cdot \frac{2}{1-i}=\frac{(1+3i)(z-2)}{4(z-i)}\\ \Rightarrow&\frac{w+1}{w-i}= \frac{(1+3i)(z-2)}{4(z-i)}\end{align*}

由关系式\[\frac{x}{y}=\frac{a}{b}\quad\Rightarrow \quad \frac{x}{x-y}=\frac{a}{a-b}\]

我们可以得到

\begin{align*}&\frac{w+1}{w-i}= \frac{(1+3i)(z-2)}{4(1-i)}\\ \Rightarrow&\frac{w+1}{(w+1)-(w-i)}= \frac{(1+3i)(z-2)}{(1+3i)(z-2)-4(z-i)}\\ \Rightarrow& \frac{w+1}{1+i}=\frac{(1+3i)(z-2)}{(1+3i)(z-2)-4(z-i)}\\ \Rightarrow&w=\frac{(1+3i)(z-2)(1+i)}{(1+3i)(z-2)-4(z-i)}-1\end{align*}

化简,得到 \[w=\frac{z-6i}{3iz-2}\]