單葉函數(univalent / schlicht function)
/ yoo-NIV-uh-lent /
想像把一個印章壓在紙上:好的印章會把圖案的每一部分印到不同的位置,絕不把圖形折疊到自己之上。單葉函數對某區域上的全純映射就是同樣的想法:它既全純又一對一,於是定義域中兩個不同的點絕不會落到同一個像點。這個映射可以拉伸、旋轉、彎曲區域,但絕不讓它與自己重疊。這是最乾淨、最具幾何味道的一類複映射,整門幾何函數論都環繞它而建立。
精確地說,一個在區域 D 上全純的函數 f 在那裡是單葉的,若 f(z_1) = f(z_2) 就迫使 z_1 = z_2。schlicht 是原始的德文用詞,意思是「單純」或「平整」,亦即「沒有折疊」。有一個關鍵事實使這個概念用起來很愉快:對全純函數而言,整體一對一已經蘊含 f'(z) 處處不為零(f' 的零點會造成局部的折疊、一個多對一的捏點),而單葉的 f 在其像上有全純反函數。所以單葉映射自動是把 D 共形映射到區域 f(D) 上——角度與微小形狀處處被保持。
務必分清兩個層次。在一點 z_0 附近的局部單葉只需 f'(z_0) != 0,由反函數定理保證;這很容易。在整個 D 上的整體單葉則強得多,且確實難以驗證——f'(z) 處處不為零並不保證它成立。標準的例子:f(z) = e^z 的 f'(z) = e^z 從不為零,但 e^z 在整個平面上並不單葉,因為它有週期(e^(z + 2 pi i) = e^z)。偵測並界定整體單葉,正是面積定理、S 類以及如 Nehari 的施瓦茨導數判別法的用武之地。
在單位圓盤 |z| < 1 上,映射 f(z) = z/(1 - z) 是單葉的:它是莫比烏斯變換,故一對一,並把圓盤共形地映到半平面 Re w > -1/2。相對地,f(z) = z^2 在圓盤的上半部上是單葉的,但在整個圓盤上並不單葉,因為 z 與 -z 共用同一個像。
莫比烏斯映射是單葉的;z^2 只在遠離 0 處局部單葉,整體上一對一失敗。
f'(z) 處處不為零只給出局部單葉,絕非整體。週期性的 e^z 是教科書式的提醒:不消失的導數對一對一是必要的,但遠遠不夠。