複變函數:極限、連續與映射觀點

反演映射 1/z(the inversion map)

反演映射是 f(z) = 1/z,即倒數。用極式來看,若 z = r e^(i theta) 則 1/z = (1/r) e^(-i theta)。所以它做兩件事:把到原點的距離取倒(距離 r 的點去到距離 1/r),並沿實軸反射(角度變號)。遠處的點被拉近、原點附近的點被甩遠,而單位圓 |z| = 1 映到自身。

它的招牌性質是把直線與圓送到直線與圓——前提是你同意把直線看成「過無窮遠點的圓」。不過原點的圓映到另一個圓;過原點的圓映到一條直線;過原點的直線映到直線;不過原點的直線映到過原點的圓。要求像,就把 z = 1/w 代入曲線方程式再化簡。原點本身沒有像(你算不出 1/0),這正是為什麼這映射最好在黎曼球面上理解,在那裡 0 映到無窮、無窮映到 0。

反演在遠離原點處共形,並且是和平移、旋轉縮放一起、組裝出每一個莫比烏斯變換的基本積木之一。它保圓的魔法,使莫比烏斯映射成為搬動圓盤、半平面與圓弧的自然語言,也是物理與積分計算中許多巧妙變數代換背後的引擎。

在 f(z) = 1/z 下,鉛直線 Re(z) = 1/2 映到圓 |w - 1| = 1(一個過原點的圓),而單位圓外部 |z| > 1 映到去心內部 0 < |w| < 1。

反演把單位圓的內外對調,並把許多直線變成圓。

1/z 在 z = 0 處無定義,所以作為平面到平面的映射,它的定義域不含原點。添上無窮遠點(在黎曼球面上工作)即可修補:在那裡 1/z 對調 0 與無窮,成為整個球面上乾淨的一對一映射。

又稱
reciprocal mapinversion in the unit circle倒數映射反演