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多角形の内部へ写す積分公式(シュワルツ・クリストッフェル変換)はどう作るか

上半平面を多角形の内部へ写す等角写像には、閉じた式があります。

は実軸上の点で、それぞれが多角形の頂点に対応します。 はその頂点の内角。

リーマンの写像定理は写像の存在を言うだけで、式を与えませんでした。多角形に限れば、こうして書き下せます[1,4]

積分の中身は、べき関数を並べただけ。各因子が 1 つの頂点で角を折る働きをします。

各因子が角を作る

因子を 1 つだけにして、 とします。積分すると、べき関数になる。

は、原点での角を 倍にします。上半平面の開き が、開き の扇形へ縮む。

つまり因子 1 つで、実軸の折れ曲がりが 1 か所できる。因子を並べれば、折れ曲がりが の位置に並びます。

内角の合計

有界な 角形の内角は、合計が です。これを指数の言葉に直します。

外角の合計が である、という事実の言い換え。指数の和が になるので、 が大きいところで被積分関数が の程度に落ちます。

だから無限遠までの積分が収束し、多角形が有界に収まる。この和の条件は、閉じた多角形になるための条件です[1]

頂点を無限遠に置く

実軸上の点は 個ですが、 も境界の点として使えます。 ととると、その因子が定数に吸収されて消える。

因子が 1 つ減るので計算が楽になります。実軸上の点を 3 つまで自由に選べる自由度があるので、そのうち 1 つを に使う流儀がふつうです。

多角形の頂点そのものが無限遠にある場合もあります。半無限の帯や、開いた角の領域がその例。

例:半無限の帯

という半無限の帯を考えます。頂点は 2 つで、内角はどちらも

もう 1 つの頂点は無限遠にあり、内角は です。指数の和の条件は で満たされます。

を有限の 2 頂点に対応させると、被積分関数が次の形になります。

積分すると逆双曲余弦です[7] が、上半平面を半無限の帯へ写します。

逆に見れば で、帯を上半平面へ広げる写像。指数関数で帯を半平面へ写す話と同じ系統です[2,3]

例:長方形と楕円積分

長方形は 4 頂点で、内角がすべて です。指数はどれも

対応する実軸上の点を にとると、被積分関数がそろった形になります[1]

これは第 1 種の楕円積分です。 を動かすと、長方形の縦横比が変わる。

初等関数では書けません。長方形という単純な形が、すでに楕円積分を必要とします。

例:三角形

内角が の三角形へ写す場合を書きます。頂点のうち 1 つを無限遠に置く。

不完全ベータ関数や超幾何関数で表せます。正三角形なら

直角二等辺三角形なら です。角度をそろえるだけで指数が決まる。

パラメータ問題

公式には、実軸上の点 という自由度が残っています。角度を決めても、辺の長さが決まらない。

3 点までは自由に選べます。メビウス変換で上半平面を自分自身へ写して動かせるため。残りの 個は、辺の長さの条件から決まります。

この連立方程式は非線形で、一般には解析的に解けません。ふつうは数値的に求めます。

点が近づくと辺が短くなる、という単調な関係でもない。混み合った点の配置では、数値的にも不安定になります。

1 点動かすと、すべての辺の長さが同時に変わります。独立に調整できないところが、この問題の厄介なゆえん。

円板からの形

出発点を単位円板にとった形もあります。上半平面版とメビウス変換で結ばれています。

は単位円周上の点で、前頂点と呼ばれます。対称性の高い多角形では、こちらのほうが扱いやすい。

角形なら、前頂点を円周上に等間隔に置けます。積が の形にまとまり、式が短くなる。

外側へ写す形

多角形の外部へ写す公式もあります。指数の符号が変わり、無限遠に対応する点で 2 位の極が付く。

翼のまわりの流れのように、障害物の外側を扱う問題で使われます。内部と外部で、同じ枠組みが働く。

数値計算

実際の計算では、専用のアルゴリズムが使われます。積分そのものは特異点の近くで発散気味なので、変数変換で扱いやすくする。

パラメータ問題は、非線形方程式の求解として解きます。点が混み合うと収束が悪くなるので、その対策も必要になる。

多角形の格子生成や、電磁場の解析で実際に使われている手法です。理論の式が、そのまま計算の土台になっています。

使いどころ

段差のある流路の流れ、角のある導体まわりの電場、細い隙間を通る場。どれも多角形の領域です。

まず領域を上半平面へ戻し、そこで簡単な調和関数を書き、写像で持ち帰る[6]。角のある領域を直接扱うより見通しがよくなります[5]

角のところで場が強くなる、という現象も式から読めます。内角が より大きい張り出した角では、導関数が発散する。

よくある誤り

指数は内角そのものではありません。 の形に直します
内角の和の条件を外すと、多角形が閉じません
実軸上の点は 3 つまで自由に選べます。残りは辺の長さから決まる
パラメータ問題は一般に解析的に解けません。数値的に求めます
無限遠を頂点にとると、その因子は消えます。忘れると次数が合わない
分枝を決めてから積分します。べき関数は多価なので、選ばないと値が定まらない
長方形でも初等関数では書けません。楕円積分が現れます
外部へ写す場合は指数の符号が変わります。内部の式を流用できない

リーマンの写像定理は、写像があるとだけ言いました。多角形という条件を足すと、積分の形まで書き下せます。存在の定理と具体的な公式の、ちょうど間にある結果です。

参考文献

Schwarz-Christoffel mapping - Wikipedia
Conformal map - Wikipedia
Konforme Abbildung - Wikipedia(ドイツ語)
Riemann mapping theorem - Wikipedia
Carathéodory's theorem (conformal mapping) - Wikipedia)
Harmonic function - Wikipedia
Complex logarithm - Wikipedia
リーマンの写像定理は写像があるとだけ言い、式は与えませんでした。行き先を多角形に限ると書き下せます。べき関数の因子ひとつが頂点ひとつを折る、という仕組みから出発し、内角の和の条件が多角形の閉じる条件になることを見ます。半無限の帯では逆双曲余弦、長方形では楕円積分が現れ、四点の間隔と縦横比の対応は初等関数で書けません。残る自由度をどう決めるかがパラメータ問題で、一点動かすと辺の長さがまとめて変わる。円板からの形、外部へ写す形、数値計算での扱い、段差のある流路や角のある導体への応用まで。