9.3 Schwarz-Christoffel 變換與特殊變換

Schwarz-Christoffel 變換

此種變換主要的目的便是將上半平面對應的多邊形的區域。Schwarz-Christoffel變換是複分析中的一種映射,將上半平面映射到多邊形。這種變換由Hermann A. Schwarz ((1843–1921) 和 Elwin B. Christoffel (1829–1900) 兩位數學家獨立發現。Schwarz-Christoffel變換能夠將上半平面的實軸(無窮遠處除外)映射到多邊形的各邊,並且保持角度不變。因此,這種變換在複變數函數的積分計算和物理問題的求解中有著廣泛的應用。

進入主題之前,先行回顧在保角變換 w=f(z)w=f(z)z=z0z=z_0 點的旋轉作用。若圍線 C\mathcal{C} 的參數式為 z(t)=x(t)+iy(t)z(t)=x(t)+ i y(t),而 t[a,b]t\in[a,b],則圍線 C\mathcal{C}z0=z(t0)z_0=z(t_0) 點的切向量為

τ=z(t0)=x(t0)+iy(t0).\tau = z'(t_0)=x'(t_0)+ i y(t_0).

曲線 C\mathcal{C}w=f(z)w=f(z) 作用下的映像為 K\mathcal{K} 的參數式為由

w=u(x(t),y(t))+iv(x(t),y(t)),t[a,b],w=u(x(t),y(t))+ i v(x(t),y(t)),\quad t\in[a,b],

來表示,同時 K\mathcal{K}w0=f(z0)w_0=f(z_0) 點的切向量為

T=w(z0)=f(z0)z(t).\mathbf{T}=w'(z_0)= f(z_0)z'(t).

τ\tau 向量的傾角為 β=Arg z(t)\beta=\text{Arg}~z'(t),則 T\mathbf{T} 向量的傾角則為

Arg T=Arg[f(z0)z(t0)]=Arg f(z0)+β.\text{Arg}~\textbf{T}=\text{Arg}[f'(z_0)z'(t_0)]=\text{Arg}~f'(z_0)+\beta.

亦即將曲線 C\mathcal{C}z0z_0 點切向量 τ\tau 的角度再旋轉 Arg f(z0)\text{Arg}~f'(z_0) 角度可得曲線 K=f(C)\mathcal{K}=f(\mathcal{C})w0=f(z0)w_0=f(z_0) 處之傾角。

由於許多應用保角變換所相關的問題的定義域在 zz-平面的上平面 R\mathcal{R} 對映到 ww-平面的區域的內部 R\mathcal{R}',此 R \mathcal{R}' 之邊界為由直線線段連結圍成的封閉或開放區域。考慮下圖所呈現在 ww-平面上的多邊形 P\mathcal{P},其頂點為 w1, w2,, wnw_1,~w_2,\ldots,~w_n(逆時針來數 ),並且對應的內部角分別為 α1, α2,, αn\alpha_1,~\alpha_2,\ldots,~\alpha_n;並且 w1, w2,, wnw_1,~w_2,\ldots,~w_n 為由zz-平面上的點 x1, x2,, xnx_1,~x_2,\ldots,~x_n 經保角變換 w=f(z)w=f(z) 映射而得,關係如下:

wk=f(xk),k=1,2,,n.(9.3-1)w_k=f(x_k),\quad k=1,2,\ldots,n.\tag{9.3-1}

因此此保角變換將zz-平面的 xx-軸上的線段對應到ww-平面的多邊形 P\mathcal{P} 上,而且zz-平面的上半平面 R\mathcal{R}對應到多邊形 P\mathcal{P} 的內部區域 R\mathcal{R}'

如此一來,從 zz-平面的實數軸對應到多邊形的邊界上變換為:

dwdz=A(zx1)α1/π1(zx2)α2/π1(zxn)αn/π1,(9.3-2)\frac{dw}{dz} =A (z-x_1)^{\alpha_1/\pi-1} (z-x_2)^{\alpha_2/\pi-1} \cdots (z-x_n)^{\alpha_n/\pi-1}, \tag{9.3-2}

積分可得 Schwarz-Christoffel 變換的一般形式是:

w=f(z)=A0zk=1n(ζxk)αk/π1dζ+B,(9.3-3)w = f(z) = A \int_0^z \prod_{k=1}^n (\zeta - x_k)^{\alpha_k/\pi-1} d\zeta + B, \tag{9.3-3}

其中AABB 是常數,這兩個常數決定了這個變換的縮放大小、方向以及多邊形的位置。應用上可能將 xnx_n 設為 \infty,此時(9.3-2)與(9.3-3)式的最後一項可以消去。無窮大的開多邊形,可以視為封閉式多邊形的極限情形,即函數對應條件則為:

wk=f(xk),k=1,2,,n1,wn=f(),x1<x2<<xn1<.\begin{align*} w_k=f(x_k),&\quad k=1,2,\ldots,n-1, \\ w_n = f(\infty),&\quad x_1<x_2<\cdots<x_{n-1}<\infty. \end{align*}

參考下圖,由(9.3-2)式知

argdw=argdz+argA+(α1π1)arg(zx1)+(α2π1)arg(zx2)++(αnπ1)arg(zxn),\begin{align*} \arg dw &= \arg dz+\arg A+\left(\frac{\alpha_1}{\pi}-1\right)\arg(z-x_1)+ \left(\frac{\alpha_2}{\pi}-1\right)\arg(z-x_2) \\ &\quad+\cdots+\left(\frac{\alpha_n}{\pi}-1\right)\arg(z-x_n), \tag{9.3-4} \end{align*}

zz 沿著實數軸從左側朝 x1x_1x1x_1 之右側時, ww 也沿著多邊形的邊往 w1w_1 行進,在 zz-平面上 zzx1x_1 連線之夾角 θ=arg(zx1)\theta=\arg (z-x_1)π\pi 逐漸變成 00;同時(9.3-4)式的其他項保持不變。因此 argdw\arg dw 會減少 (α1/π1)arg(zx1)=(α1/π1)π=α1π(\alpha_1/\pi -1)\arg(z-x_1)=(\alpha_1/\pi -1)\pi=\alpha_1-\pi,或是增加 πα1\pi-\alpha_1 的量。表示當沿著多邊形走向 w1w_1 時,必須旋轉 πα1\pi-\alpha_1 的量,亦即轉向朝 w1w2w_1 w_2 的邊行進。

同樣地,當 zz 沿著實數軸從左側朝 x2x_2x2x_2 之右側時,角度從 arg(zx1)\arg(z-x_1) 轉變到 arg(zx2)\arg(z-x_2) 的轉角為 πα2\pi-\alpha_2,亦即在 ww-平面上經過 w2w_2 時,需再轉動 πα2\pi-\alpha_2,朝向 w2w3w_2 w_3 的邊行進。重複可知,當 zzzz-平面上沿著實數軸從點 x1, x2,, xnx_1,~x_2,\ldots,~x_n 移動時,wwww-平面上沿著多邊形的邊逐步從 w1w_1,往點 w2,,wnw_2, \ldots, w_n 而移動。 上述討論的結論歸納為下列定理:

定理9.3-1. (Schwarz-Christoffel變換)P\mathcal{P}w1,w2,,wnw_1, w_2,\ldots,w_n 為頂點的多邊形,對應的內部角為 αk\alpha_k0αk<2π0\le \alpha_k< 2\pi。則存在1對1保角變換 w=f(z)w=f(z) 從上半平面 Im(z)>0\text{Im}(z)>0 映成到 R\mathcal{R}',並滿足(9.3-1)式。此外, f(z)f(z) 的導數為

dwdz=A(zx1)α1/π1(zx2)α2/π1(zxn)αn/π1,\frac{dw}{dz} =A (z-x_1)^{\alpha_1/\pi-1} (z-x_2)^{\alpha_2/\pi-1} \cdots (z-x_n)^{\alpha_n/\pi-1},

以及函數本身表為

w=f(z)=A0zk=1n(ζxk)αk/π1dζ+B,w = f(z) = A \int_0^z \prod_{k=1}^n (\zeta - x_k)^{\alpha_k/\pi-1} d\zeta + B,

其中 AABB 為選定的常數。

此定理所用被積函數的分母包含型如 (zxk)1αkπ(z-x_k)^{1-\frac{\alpha_k}{\pi}}的函數相乘,有關的不定積分說明如下表:

dz(z21)12=isin1z=log[z+(z21)12]iπ2.\displaystyle \int\frac{dz}{(z^2-1)^\frac12} = i \sin^{-1} z = \log\left[z+(z^2-1)^\frac12 \right]-i\frac{\pi}{2}.
dzz2+1=tan1z=i12logi+ziz.\displaystyle \int\frac{dz}{z^2+1} = \tan^{-1} z =i\frac12\log\frac{i+z}{i-z}.
dzz(z21)12=sin11z=ilog[1z+(1z21)12].\displaystyle \int\frac{dz}{z(z^2-1)^\frac12} =- \sin^{-1} \frac{1}{z} =i \log\left[\frac1{z}+\left(\frac{1}{z^2}-1\right)^\frac12\right].
dzz(z+1)12=2tanh1(z+1)12=log1(z+1)121+(z+1)12\displaystyle \int\frac{dz}{z(z+1)^\frac12} =- 2\tanh^{-1} (z+1)^\frac12 = \log\frac{1-(z+1)^\frac12}{1+(z+1)^\frac12}
(1z2)12dz=12[z(1z2)12+sin1z]=i12{z(z21)12+log[z+(z21)12]}.\displaystyle \int(1-z^2)^\frac12 dz =\frac12\left[z(1-z^2)^\frac12+\sin^{-1}z\right] =i\frac12 \left\{ z(z^2-1)^\frac12+\log\left[z+(z^2-1)^\frac12\right]\right\}.

Schwarz-Christoffel變換的基本思想是將複雜的幾何形狀通過變換轉化為簡單的形狀(如上半平面或圓盤),從而將複雜的邊界條件轉化為簡單的邊界條件,以便於求解。例如,在流體力學中,我們可能需要求解一個在某個複雜形狀的管道中流動的流體的速度場。這種問題通常很難直接求解。但是,如果我們可以找到一個Schwarz-Christoffel變換,將這個管道映射到一個矩形管道,那麼問題就變得簡單多了,因為矩形管道中的流動問題我們是知道如何求解的。儘管這個Schwarz-Christoffel變換在理論上可以將上半平面映射到任何多邊形,但在實際應用中,它最常用於映射到矩形或其他具有直邊的多邊形。

在實際應用中,Schwarz-Christoffel變換的求解通常需要通過數值方法來進行。首先,我們需要找到一個適當的變換,將複雜的幾何形狀轉換為簡單的形狀。這個變換的形式通常是由問題的幾何形狀決定的。然後,我們需要計算出變換的參數,這通常需要解決一個非線性的最優化問題。在求解了這個問題之後,我們就可以得到最終的變換,並將它應用到實際的問題中。

範例9.3-1.算將上半平面映射到半無窮的長條型 Re w<b, Im w>0|\text{Re}~w|<b,~\text{Im}~w>0。參考圖形如下:

範例9.3-2. 驗證變換

w=f(z)=1πsin1z+iπsin11z+1+i2,w=f(z)=\frac{1}{\pi} \sin^{-1} z+\frac{i}{\pi} \sin^{-1}\frac1z+\frac{1+i}{2},

算將上半平面 Imz>0\text{Im}z >0 映成至第一象限的管道形狀 {(u,v):u1,v=1 & u=1,v1}\{(u,v): u\ge 1, v=1~ \& ~u=1,v\ge1\}

範例9.3-2. 驗證變換 w=f(z)=1π(z21)12+1πLog[z+(z21)12]iw=f(z)=\frac{1}{\pi}(z^2-1)^\frac12+\frac1{\pi}\text{Log}\left[z+(z^2-1)^\frac12\right]-i 將上半平面對應到下圖區域 (備註:選擇 x1=1, x2=1x_1=-1,~x_2=1):

特殊變換

參考 [Zill-Shanahan] 一書的附錄III編輯。

1. 基本變換
2.對應到上半平面
3. 對應到圓形區域
4. 其他變換

習題

請驗證變換 w=f(z)=A0z(ζ21)3/4dζ+Bw=f(z)=\displaystyle A \int_0^z (\zeta^2-1)^{-3/4}d\zeta+B 其中 A=1iη, B=1+i2A=\frac{1-i}{\eta},~B=\frac{1+i}{2}η=A01(ζ21)3/4dζ1.85(1+i)\eta = \displaystyle A \int_0^{-1} (\zeta^2-1)^{-3/4}d\zeta\approx 1.85(1+i) 可以將下圖的上變平面,轉會到 ww-平面上的三角形。