輻角原理、魯歇定理與映射性質

開映射定理(the open mapping theorem)

拿平面上任一小塊——比如一個開圓盤——把它推過一個解析函數。開映射定理保證結果仍是一個開集:一個真正二維的團塊,沒有那塊小塊突然塌縮上去的尖邊或被掐住的邊界。非常數解析函數可以拉伸、扭轉、彎折區域,但它絕不能把一個開集壓成一條曲線或單獨一點。進去開、出來也開。

敘述:若 f 在一個區域(連通開集)上解析且非常數,則對每個開子集 U,像 f(U) 是開的。為何如此:在使 f(z_0) = w_0 的點 z_0 附近,函數在局部看起來像 w_0 加上一個冪 (z - z_0)^m 乘以一個不為零的因子(m 是 f - w_0 在 z_0 處零點的階)。在局部取 m 次方根,f 在 z_0 附近的表現就像映射 z 映到 z^m 與一個共形坐標變換的複合——而 z 映到 z^m 是開映射(它把小圓盤映成小圓盤,纏繞 m 次)。故繞 z_0 的小圓盤映成含有繞 w_0 小圓盤的集合,這恰恰就是開性。輻角原理給出定量版本:對接近 w_0 的 w,方程 f(z) = w 在 z_0 附近恰有 m 個解,故接近 w_0 的值真的被取到。

這一條結構性事實幾乎免費地逼出最大模原理。若 |f| 在 z_0 有一個內部極大值,那麼 f(z_0) 會是像 f(U) 的一個邊界點——模最大的值,坐落在像團塊的外緣上。但開映射定理說 f(U) 是開的,故它內部沒有邊界點;因此 f(z_0) 不可能是像的內點,這便產生矛盾,除非 f 是常數。這定理也是解析函數在幾何上如此剛硬的原因。要害的限定就藏在字句裡:f 必須非常數——常數函數把一切映到單獨一點,那不是開的。

平方映射 f(z) = z^2 把開單位圓盤映成開單位圓盤(除 0 外覆蓋兩次)。即使它把圓盤對折到自身上,像仍是開集——不會在原本邊界上沒有邊的地方造出一條邊。

非常數解析映射把開集送到開集,即使它把它們對折。

非常數假設是要害:常數函數把每個集合塌縮為單獨一點,那不是開的。這定理也是解析映射所特有——一般的光滑映射、或僅僅連續的映射,不必是開映射。

又稱
open mapping property開映射性質