共形映射(conformal mapping)
想像在一張橡皮膜上印滿細小的正方形網格,再把膜拉伸、彎折成新的形狀。共形映射是這樣一種形變:無論它如何扭曲整體圖景,都在微小尺度上保持角度不變:每個小正方形被旋轉、被改變大小,卻絕不被剪切——它仍是正方形。這種保角性質,正是導數非零的解析函數所為,也是把一個形狀棘手的物理問題化為形狀容易者的橋樑。
精確地說,在 f 解析且 f'(z) 不為零的點處,映射 w = f(z) 是共形的。在那裡 f 局部地像乘以複數 f'(z):它把每個方向旋轉 f'(z) 的輻角、把每段長度按 f'(z) 的模縮放,對所有方向都一樣,這正是曲線間夾角得以保持的緣由。在 f' = 0 處映射不再共形,角度可能被加倍乃至更糟。其核心應用倚仗一個你已知的事實:調和函數在共形變量替換下仍調和,於是複雜區域上拉普拉斯方程的解,可由簡單區域上的解拉回得到。
這是二維勢論的經典引擎。要在一個形狀彆扭的域中求靜電勢、理想流體流動或穩態溫度,你把這彆扭區域共形地映到一個簡單區域——半平面或圓盤——那裡的答案已知,在那裡求解,再映回去。莫比烏斯變換把圓盤與半平面互相映射;茹科夫斯基映射把一個圓變成翼型,是經典機翼理論的根基。黎曼映射定理許諾基本上任何單連通區域都能映到圓盤,儘管求出那顯式映射可能很難。
映射 w = z^2 把上半平面送到整個平面,並在原點處把角度加倍,因為它的導數 2z 在那裡為零——故它除 z = 0 外處處共形。遠離原點處,一個由垂直線構成的小十字在映射後仍保持垂直;在原點處,邊界的直角張開成一條直線,正是 f' = 0 所警示的角度加倍。
在 f' 不為零處共形;在那些 f' 為零的點,角度不再被保持。
共形意味著保角,而非保形或保距:一個小正方形仍是正方形,但一個大區域可被拉伸、彎折到面目全非。而共形性恰在 f'(z) = 0 的點失效,所以在信賴那保角圖景之前,務必先核對導數。