共形映射與莫比烏斯變換

角度與定向的保留

站在兩條曲線相交的一點,量一量它們之間的夾角——也就是它們切線方向之間的角度。現在施加一個共形映射,看看兩條像曲線相交處。令人驚訝的事實是:它們以完全相同的角度相交,而且朝同一方向轉(左轉仍是左轉)。這正是共形性的核心:導數不為零的解析映射是一個等角且保定向的映射。輸入什麼角度,輸出就是相同的角度。

理由可用一行清楚說明。設一條曲線通過 z_0,其切線方向的角為 alpha。在 f 之下,像曲線的切線方向的角變成 alpha + arg f'(z_0):映射對每一個方向都加上相同的額外旋轉 arg f'(z_0),因為在 z_0 附近映射的作用就是乘以單一複數 f'(z_0)。若第二條曲線以角 beta 進入,其像以 beta + arg f'(z_0) 離開。差值 (beta + arg f'(z_0)) - (alpha + arg f'(z_0)) = beta - alpha 不變。共同的旋轉相消,因此兩曲線間的夾角被保留。又因為旋轉 arg f'(z_0) 是普通旋轉(不是反射),角的方向感——它的正負、它的旋向——也被保留。

這正是解析映射與其相似物的分野。共軛映射 z -> z-bar 同樣保留每個角的大小,但它翻轉定向(它是一次鏡像反射):逆時針的角變成順時針。這類「保角度大小但不保旋向」的映射稱為反共形(anticonformal)或間接共形。真正的共形映射同時保留大小與旋向——而這份對定向的忠實,正是「解析」而非僅僅「實可微」的幾何指紋。

在 f(z) = e^z 之下,水平線 y = c 與鉛直線 x = a 在 z 平面中以直角相交。它們的像分別是一條由原點出發、角度為 c 的射線,以及一個半徑為 e^a 的圓;該射線與該圓同樣以直角相交。互相垂直的直線格網映射成互相垂直的射線與圓的格網。

互相垂直的格線映射成互相垂直的射線與圓——角度及其旋向都被保留。

在 f'(z) = 0 之處保留性失效;那裡角度被相乘,而非保留。因此「處處共形」真正的意思是「解析且 f' 處處不為零」。

又称
preservation of angles保角性