共形映射與莫比烏斯變換

莫比烏斯變換的不動點

當一個映射把平面攪動一番時,它原地不動的那些點幾乎道盡了映射的行為方式。變換的不動點是滿足 f(z) = z 的點 z——映射讓它靜止不動。對莫比烏斯變換而言,這些錨點既易尋找又極具資訊量:找到它們,你一眼就能讀出映射全部的動力學特性。

要找 w = (a z + b)/(c z + d) 的不動點,令輸出等於輸入:(a z + b)/(c z + d) = z。消去分母得 c z^2 + (d - a) z - b = 0,一個二次方程。二次方程至多有兩根,因此非恆等的莫比烏斯映射至多有兩個不動點(當 c = 0 時,無窮遠自動為不動點,再解一個線性方程求另一個)。這是一個驚人的剛性結果:若一個莫比烏斯映射固定三個相異點,它必為固定一切的恆等映射。對任何非平凡映射而言,三個就多了一個。

不動點的數目與類型把映射分類。兩個相異不動點:依一個稱為乘子(multiplier)的數,映射是斜駛型(loxodromic)、雙曲型或橢圓型——點從一個不動點(排斥點)流向另一個(吸引點),或許還旋繞。一個重根不動點:映射是拋物型,一種沿著在該單一點相切的圓滑動點的剪切。這幅「不動點圖像」是理解、甚至徒手描繪莫比烏斯映射作用的最快方法,並支撐著映射如何搬運圓盤或半平面的幾何。一個警告:務必在擴充平面上工作——無窮遠算作一個可能的不動點,忘了它就會數錯。

映射 w = (z - 1)/(z + 1) 的不動點滿足 (z - 1)/(z + 1) = z,即 z^2 + z = z - 1,得 z^2 = -1,故 z = i 與 z = -i。兩個相異不動點(這裡都是有限的)——因此此映射把點從其中一個流向另一個。

解 f(z) = z 化為一個二次方程,因此非恆等的莫比烏斯映射至多有兩個不動點。

至多兩個不動點,正是三點決定一個莫比烏斯映射的原因:若兩個映射在三點上相同,則它們的合成(一個接另一個的反函數)會固定三點而成為恆等映射,逼使兩映射相等。

又称
fixed points不動點