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等角写像とは?角を保ったまま形だけが変わり、ラプラス方程式も保たれる

正則関数による写像は、2 つの曲線が交わる角度を変えません。ただし の点に限ります。

長さは変わります。形もゆがみます。それでも交わる角だけは、もとのまま残る。この性質を等角と呼びます[1]

理由は微分の姿にあります。 を極形式で と書くと、 のごく近くで写像は 倍の拡大と の回転になる。どちらも角を変えません。

実の 2 変数写像なら、縦横で伸び方を変えたり、せん断を掛けたりできます。正則関数はそれができない。ヤコビ行列が、正の数と回転行列の積という特別な形に縛られています[2,3]

等角の定義

2 つの滑らかな曲線が点 で交わり、そこでの接線がなす角を とします。像の 2 曲線が で作る角が同じ で、向きも同じなら、 で等角。

角の大きさだけでなく、回る向きまで保つ点が大切です。向きが裏返るものは反等角と呼び、別扱いにします。

正則で ならば で等角になり、逆も成り立ちます。等角であることと、微分が消えない正則性が同じ意味になる。

なぜ角が保たれるのか

の近くで 1 次まで近似します。

主要部は を掛ける操作だけ。複素数を掛けるとは、回して伸ばすことでした。

曲線の接ベクトルは、どれも同じ を掛けられます。2 本の接ベクトルが同じだけ回るので、その差である交角は変わらない。

伸びる倍率も向きによりません。 という 1 つの数で決まるので、無限小の円は無限小の円へ写ります。だから局所的には相似変換に見える。

例: の局所的な姿

の導関数は です。原点以外では消えないので、そこでは等角。

での微分は なので、近くでは 倍に拡大するだけ。回転は入りません。

での微分は です。絶対値が 、偏角が なので、 倍して 度回す写像に見えます。

離れた点では話が別。大域的には正方形の格子が放物線の網へ変わりますが、どの交点でも直角は直角のまま残ります。

臨界点では角が何倍にもなる

の点を臨界点と呼びます。ここでは近似の主要部が消えるので、上の議論が効きません。

位の零点を持つ、つまり展開の最初の項が なら、角はちょうど 倍になります。

偏角が 倍になるので、交角も 倍。 のときだけ角が保たれる、という読み方もできます。

例: の原点

原点で交わる 2 本の半直線を、偏角 にとります。 で写すと偏角は

交角は から へ変わります。直角に交わる 2 本は、像では一直線に伸びる。

第 1 象限が上半平面へ広がるのも同じ話です。開き の扇が、開き の半平面になる。

向きを裏返す写像

共役をとる は、角の大きさを保ちますが向きを裏返します。反等角と呼ばれる類。

正則ではないので、等角写像の仲間には入りません。 の形をした写像はすべてこの型になります。

鏡映を偶数回合成すれば向きが戻るので、等角写像に化けます。反転と共役を組み合わせた写像がその例。

基本の等角写像

よく使う写像を並べます。どれも導関数が消えないか、消える点をはっきり把握できるものです。

平行移動 。全平面で等角。形も大きさも変えない
回転と拡大 。全平面で等角。 だけ回し、 倍に伸ばす
反転 。原点以外で等角。円と直線を円と直線へ写す
べき 。原点以外で等角。原点での角の開きを 倍にする
指数 。全平面で等角。帯を扇や半平面へ写す
対数 。原点以外で等角。扇を帯へ戻す

平行移動と回転と拡大の合成が 1 次関数 です。これに反転を組み合わせると、次のメビウス変換になります。

メビウス変換

分数の形をした写像です。

条件 は、写像がつぶれないための条件。導関数は なので、極を除いてどこでも消えません。

リーマン球面まで広げると、球面全体を球面全体へ写す等角写像になります。球面の自己同型はこれで尽きる[4]

円と直線を、円と直線へ写す性質があります。直線を無限遠点を通る円と見なせば、円は円へ写るという 1 つの規則にまとまる。

指数関数の写す先

へ写します。絶対値が 、偏角が

縦の直線 一定は、半径 の円へ写ります。横の直線 一定は、原点から出る半直線へ。

だから縦横の格子が、同心円と放射状の直線の網に変わる。直交する 2 つの族が、また直交する 2 つの族になります。

例:帯を上半平面へ

という高さ の帯を考えます。 で写すと、偏角が から までを動く。

つまり像は上半平面。帯の下の辺が正の実軸へ、上の辺が負の実軸へ移ります。

逆向きの写像は で、上半平面を帯へ戻します。角度の情報が高さに、大きさの情報が横位置に変わる。

帯の高さを ではなく にすると、像は原点を抜いた平面全体になります。高さが を超えると重なりが起きて、1 対 1 でなくなる。

べき関数で角を開く

は原点での角の開きを 倍にします。 は正の実数でよい。

開き の扇形を半平面へ写したければ、 ととる。 なら で、 が第 1 象限を上半平面へ広げます。

逆に とすれば角が半分になります。上半平面が第 1 象限へ折り込まれる。

分枝を選ばないと一価にならない点に注意が要ります。扇形を切り開いた領域で 1 つの分枝を固定してから使う。

ジューコフスキー変換

翼のまわりの流れを扱うときに使われる写像です。

導関数は なので、 が臨界点。そこでは角が 倍になり、なめらかな円周が鋭い後縁へ折れます。

原点中心の単位円は、実軸上の線分 へつぶれる。中心をずらした円をとると、像が翼の形になります。

円が臨界点 を通るように半径を選びます。そこだけ角が 倍になり、 度が 度に開いて後縁の鋭い先が生まれる。

円のまわりの流れは手で書けるので、写像で引き戻せば翼のまわりの流れが得られます。等角写像が実際の設計に使われた例です。

シュワルツ・クリストッフェル変換

多角形の内部へ写す写像には、積分の形の公式があります。

は実軸上の点で、多角形の頂点に対応します。 が頂点の内角。

各因子が で角を開く働きをします。べき関数で角を変える仕組みを、頂点ごとに並べた形です。

ラプラス方程式が保たれる

等角写像がよく使われるいちばんの理由は、調和性が保たれることにあります。

が調和で が正則なら、 もまた調和。合成の計算をすると、ラプラシアンに が掛かる形になるためです。

なら右辺は です[5]。だから難しい形の領域での境界値問題を、円板や半平面の問題へ移して解ける。

境界の条件も、境界どうしが対応していれば移ります。解いてから写像で戻せば、もとの領域での解になる。

応用の形

静電場の電位、定常状態の温度、渦のない流れの速度ポテンシャル。どれもラプラス方程式に従います。

複雑な形の導体のまわりの電位を、円のまわりの電位に置き換えて解く。角のある領域では、べき関数で角を伸ばして扱いやすくする。

流体では、円柱まわりの流れという解ける問題から出発します。典型はジューコフスキー変換で、円を翼の形へ移します。

リーマンの写像定理

どこまで自由に形を変えられるか、という問いに答える定理があります。

複素平面全体でない単連結領域は、どれも単位円板へ等角に、しかも 1 対 1 に写せます。領域の形がどれだけ入り組んでいても関係ありません。

平面全体だけが例外です。有界な像へ写す正則関数は、リウヴィルの定理から定数になってしまうため。

写像は 1 つに決まりません。中心へ送る点を 1 つ選び、そこでの微分の偏角を決めると、そこで初めて一意になります。自由度は 3 つ[6]

証明は存在を言うだけで、写像を書き下す方法は与えません。具体的な形が分かるのは、多角形や扇形のような限られた場合だけです。

よくある誤り

角が保たれるのは の点だけ。臨界点では開き方が変わります
保たれるのは角であって長さではありません。図形の大きさも形も変わります
等角は向きまで含めて保ちます。共役をとる写像は大きさだけ保つ
局所的な性質です。離れた 2 点の関係については何も言いません
1 対 1 とは限りません。 はどこでも等角ですが、周期があるので単射ではない
リーマンの写像定理は平面全体には使えません。単連結でも例外になります
は分枝を決めないと一価になりません。切れ目を入れてから使います
調和性は保たれますが、勾配の大きさは 倍だけずれます

角を保つという 1 つの条件が、正則性とぴったり重なります。複素微分可能という代数の条件と、角度を変えないという幾何の条件が、同じものの表と裏になっている。

参考文献

Conformal map - Wikipedia
Konforme Abbildung - Wikipedia(ドイツ語)
Cauchy-Riemann equations - Wikipedia
Möbius transformation - Wikipedia
Harmonic function - Wikipedia
Riemann mapping theorem - Wikipedia
長さは変わり、形もゆがみます。それでも交わる角だけは残る。複素数を掛けることが回して伸ばすことだ、という一点から出てきます。微分が消える臨界点では角がちょうど n 倍に開くこと、平行移動から反転、メビウス変換、指数と対数、べき関数までの基本の写像、円を翼の形へ運ぶジューコフスキー変換、多角形へ写すシュワルツ・クリストッフェルの積分。ラプラス方程式が保たれるので、難しい形の領域を円板の問題に置き換えられます。最後にリーマンの写像定理と、写像を一つに決める三つの自由度まで。