共形映射與莫比烏斯變換

茹科夫斯基映射(Joukowski map)

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這裡有一個共形映射,其成名之由格外具體:它把圓變成翼型,即飛機機翼的橫截面。早在電腦能模擬氣流之前,工程師就用這個優雅的單一公式設計機翼,其升力能真正用手算出。茹科夫斯基映射是圓的容易幾何與機翼的困難幾何之間的橋樑。

其公式為 w = (1/2)(z + 1/z),常省去 1/2 寫作 w = z + 1/z。要看出它的特性,把 z 放在單位圓上,z = e^(i theta);則 w = (1/2)(e^(i theta) + e^(-i theta)) = cos theta,當 theta 繞行一圈時掃過 -1 到 1 的實線段。因此茹科夫斯基映射把單位圓壓平到一條線段上(一個「退化的翼型」)。其導數 w' = (1/2)(1 - 1/z^2) 在 z = 1 與 z = -1 處為零,故那是臨界點;茹科夫斯基翼型尖銳的後緣正來自臨界點 z = 1 處的角度加倍。取一個通過 z = 1 但略為偏移並放大的圓,其像便是一個在後緣帶有尖點的平滑翼形。此映射一般是二對一的(z 與 1/z 給出相同的 w),故你必須限制在單位圓的外部(或內部),才能使它成為真正的共形雙射。

其重要性有二。數學上,它是「臨界點如何製造出角」的典範例子,且(限制在單位圓盤外部時)把該外部共形地映滿沿 [-1, 1] 切割的平面。物理上,它讓你能把理想流體繞圓柱的簡單已知流動移植成繞機翼的流動——再由該流動,透過庫塔-茹科夫斯基定理,讀出升力。一個警告:翼型的故事是一種理想化(無黏、不可壓縮流);真實機翼涉及黏性與邊界層,而這幅乾淨的複分析圖像把它們略去了。

在單位圓 z = e^(i theta) 上,映射 w = (1/2)(z + 1/z) 給出 w = cos theta——整個圓塌縮到實線段 [-1, 1] 上。一個通過 z = 1 但圓心略偏離原點的圓,則映成一個彎曲的翼型,在它越過 z = 1 之處帶有尖銳的尖點。

茹科夫斯基映射把單位圓壓平成線段;偏移的圓則變成翼型。

由於 z 與 1/z 共用一個像,茹科夫斯基映射在整個平面上是二對一的;唯有在你限制於單位圓的某一側、並遠離臨界點 z = +-1 之後,它才共形且單射。

又称
Joukowsky transformationZhukovsky map儒可夫斯基變換