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有趣的复平面变换


Geogebra画了几个复平面上的变换图形,感觉特别有意思,对非线性空间的变换又有了更加几何化的理解,先来看第一个:

1.

 

有趣的复平面变换_坐标轴

 在复平面的变换图形,下图展示的是一组平行于坐标轴的线段,经过f(z)变换后的图形,是不是很漂亮?

有趣的复平面变换_坐标轴_02

可以代数推导一下:

对于

有趣的复平面变换_坐标轴_03

有趣的复平面变换_坐标轴_04

所以,坐标轴x=0映射为负半轴,y=0映射为正半轴,原点仍在原点。

坐标网格分别映射为左右复平面上的弯曲抛物线,以x=a为例:

有趣的复平面变换_坐标轴_05

则 

有趣的复平面变换_坐标轴_06

有趣的复平面变换_坐标轴_07

在复平面上的轨迹是:

有趣的复平面变换_坐标轴_08

确实是一条抛物线。

用极坐标的方式可能更容易理解:

有趣的复平面变换_坐标轴_09

则:

可以想象一下变换模变为

有趣的复平面变换_坐标轴_10

,幅角扩大2倍的样子.

后续会不断更新新的复平面变换图形。

2.

有趣的复平面变换_坐标轴_11

平行于x轴的直线虚部不变,也就是幅角不变,映射为原点开始,幅角一定的射线。

平行于y轴的直线实部不变,虚部可变,映射为以

有趣的复平面变换_坐标轴_12

为半径的圆周。

虚部只对旋转有贡献,实部在决定点距离原点的位置!

有趣的复平面变换_坐标轴_13

上面是复平面到复平面的变换,下面图示的是

有趣的复平面变换_坐标轴_11

的模曲面方程,和上图有同样的信息,你能看出来吗?

有趣的复平面变换_坐标轴_15

有意思的是,上面所说的两个变换前后,互相垂直的线再变换后仍然是互相垂直的,这种变换也叫"保角变换",再复变函数里面,保角变换的特性是很强的特性,几乎等价于函数可微.

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