stringtranslate.com

Теорема Римана об отображении

В комплексном анализе теорема Римана об отображении утверждает, что если — непустое односвязное открытое подмножество плоскости комплексных чисел , которое не является всем , то существует биголоморфное отображение (т.е. биективное голоморфное отображение, обратное к которому также голоморфно) из на открытый единичный круг

Это отображение известно как отображение Римана . [1]

Интуитивно, условие, что быть односвязным означает, что не содержит никаких «дырок». Тот факт, что является биголоморфным, подразумевает, что это конформное отображение и, следовательно, сохраняющее углы. Такое отображение можно интерпретировать как сохраняющее форму любой достаточно малой фигуры, при этом возможно вращая и масштабируя (но не отражая) ее.

Анри Пуанкаре доказал, что отображение единственно с точностью до поворота и центрирования: если — элемент и — произвольный угол, то существует ровно одно f , как указано выше, такое, что и такое, что аргумент производной в точке равен . Это — простое следствие леммы Шварца .

Как следствие теоремы, любые два односвязных открытых подмножества сферы Римана , у которых отсутствует по крайней мере две точки сферы, могут быть конформно отображены друг в друга.

История

Теорема была сформулирована (в предположении, что граница кусочно -гладкая) Бернхардом Риманом в 1851 году в его докторской диссертации. Ларс Альфорс однажды написал относительно первоначальной формулировки теоремы, что она была «в конечном итоге сформулирована в терминах, которые бросили бы вызов любой попытке доказательства, даже современными методами». [2] Несовершенное доказательство Римана зависело от принципа Дирихле (названного самим Риманом), который в то время считался обоснованным. Однако Карл Вейерштрасс обнаружил, что этот принцип не является универсально верным. Позже Давид Гильберт смог доказать, что в значительной степени принцип Дирихле верен в рамках гипотезы, с которой работал Риман. Однако для того, чтобы быть верным, принцип Дирихле нуждается в определенных гипотезах относительно границы (а именно, что это жорданова кривая), которые не верны для односвязных областей в целом.

Первое строгое доказательство теоремы было дано Уильямом Фоггом Осгудом в 1900 году. Он доказал существование функции Грина на произвольных односвязных областях, отличных от нее самой; это установило теорему Римана об отображении. [3]

Константин Каратеодори дал еще одно доказательство теоремы в 1912 году, которое было первым, полностью полагавшимся на методы теории функций, а не на теорию потенциала . [4] Его доказательство использовало концепцию нормальных семейств Монтеля, которая стала стандартным методом доказательства в учебниках. [5] Каратеодори продолжил в 1913 году, решив дополнительный вопрос о том, можно ли расширить отображение Римана между областями до гомеоморфизма границ (см. теорему Каратеодори ). [6]

Доказательство Каратеодори использовало римановы поверхности , и было упрощено Полом Кёбе два года спустя таким образом, что они не требовались. Другое доказательство, принадлежащее Липоту Фейеру и Фридьешу Риссу , было опубликовано в 1922 году и было гораздо короче предыдущих. В этом доказательстве, как и в доказательстве Римана, искомое отображение было получено как решение экстремальной задачи. Доказательство Фейера–Рисса было еще больше упрощено Александром Островским и Каратеодори. [7]

Важность

Следующие пункты подробно описывают уникальность и силу теоремы об отображении Римана:

Доказательство через обычные семьи

Простое подключение

Теорема. Для открытой области следующие условия эквивалентны: [10]

  1. просто связано;
  2. интеграл каждой голоморфной функции по замкнутой кусочно-гладкой кривой в равен нулю;
  3. каждая голоморфная функция в является производной голоморфной функции;
  4. каждая нигде не исчезающая голоморфная функция на имеет голоморфный логарифм;
  5. каждая нигде не исчезающая голоморфная функция на имеет голоморфный квадратный корень;
  6. для любого число оборотов для любой кусочно-гладкой замкнутой кривой в равно ;
  7. дополнение в расширенной комплексной плоскости связно.

(1) ⇒ (2) поскольку любая непрерывная замкнутая кривая с базовой точкой может быть непрерывно деформирована до постоянной кривой . Таким образом, линейный интеграл по кривой равен .

(2) ⇒ (3), поскольку интеграл по любому кусочно-гладкому пути от до можно использовать для определения примитива.

(3) ⇒ (4) путем интегрирования вдоль от до, чтобы получить ветвь логарифма.

(4) ⇒ (5) извлекая квадратный корень как , где — голоморфный выбор логарифма.

(5) ⇒ (6) поскольку если — кусочно-замкнутая кривая и — последовательные квадратные корни из для снаружи , то число оборотов около равно умноженному на число оборотов около . Следовательно, число оборотов около должно делиться на для всех , поэтому оно должно быть равно .

(6) ⇒ (7) в противном случае расширенную плоскость можно записать как несвязное объединение двух открытых и замкнутых множеств и с и ограниченными. Пусть будет кратчайшим евклидовым расстоянием между и и построим квадратную сетку на с длиной с точкой в ​​центре квадрата. Пусть будет компактным множеством объединения всех квадратов с расстоянием от . Тогда и не пересекает или : он состоит из конечного числа горизонтальных и вертикальных сегментов, образуя конечное число замкнутых прямоугольных путей . Если принять за все квадраты, покрывающие , то равно сумме чисел оборотов над , таким образом, получая . С другой стороны, сумма чисел оборотов около равна . Следовательно, число оборотов по крайней мере одного из около отлично от нуля.

(7) ⇒ (1) Это чисто топологическое рассуждение. Пусть будет кусочно-гладкой замкнутой кривой с основанием в . По приближению γ находится в том же гомотопическом классе, что и прямоугольный путь на квадратной сетке длины с основанием в ; такой прямоугольный путь определяется последовательностью последовательных направленных вертикальных и горизонтальных сторон. По индукции по такой путь можно деформировать в постоянный путь в углу сетки. Если путь пересекается в точке , то он распадается на два прямоугольных пути длины и, таким образом, может быть деформирован в постоянный путь в по индукционной гипотезе и элементарным свойствам фундаментальной группы . Рассуждение следует "северо-восточному аргументу": [11] [12] в несамопересекающемся пути будет угол с наибольшей действительной частью (восточный), а затем среди них один с наибольшей мнимой частью (северный). Меняя направление, если необходимо, путь идет от к , затем к для , а затем идет влево к . Пусть будет открытым прямоугольником с этими вершинами. Число оборотов пути равно для точек справа от вертикального отрезка от до и для точек справа; и, следовательно, внутри . Поскольку число оборотов равно off , лежит в . Если является точкой пути, она должна лежать в ; если находится на , но не на пути, по непрерывности число оборотов пути около равно , поэтому также должно лежать в . Следовательно , . Но в этом случае путь можно деформировать, заменив три стороны прямоугольника на четвертую, в результате чего сторон будет на две меньше (с разрешенными самопересечениями).

Теорема Римана об отображении

Это является непосредственным следствием теоремы Мореры для первого утверждения. Интегральная формула Коши дает формулу для производных, которую можно использовать для проверки того, что производные также сходятся равномерно на компактах. [13]
Если предельная функция не равна нулю, то ее нули должны быть изолированы. Нули с кратностями можно подсчитать по числу оборотов для голоморфной функции . Следовательно, числа оборотов непрерывны при равномерных пределах, так что если каждая функция в последовательности не имеет нулей, то и предел не может быть равен нулю. Для второго утверждения предположим, что и положим . Они нигде не исчезают на диске, но исчезают при , поэтому должны исчезать тождественно. [14]

Определения. Семейство голоморфных функций на открытой области называется нормальным , если любая последовательность функций в имеет подпоследовательность, которая сходится к голоморфной функции равномерно на компактах. Семейство компактно , если всякий раз, когда последовательность лежит в и сходится равномерно к на компактах, то также лежит в . Семейство называется локально ограниченным , если их функции равномерно ограничены на каждом компактном диске. Дифференцируя интегральную формулу Коши , следует, что производные локально ограниченного семейства также локально ограничены. [15] [16]

Пусть будет вполне ограниченной последовательностью и выберем счетное плотное подмножество . В силу локальной ограниченности и «диагонального аргумента» можно выбрать подпоследовательность так, чтобы она сходилась в каждой точке . Необходимо проверить, что эта последовательность голоморфных функций сходится на равномерно на каждом компакте . Возьмем открытое с таким, что замыкание компактно и содержит . Поскольку последовательность локально ограничена, на . В силу компактности, если берется достаточно малым, требуется конечное число открытых дисков радиуса для покрытия , оставаясь в . Так как
,
у нас есть . Теперь для каждого выбираем некоторые в , где сходится, берем и настолько большими, чтобы быть в пределах его предела. Тогда для ,
Следовательно, последовательность образует последовательность Коши в равномерной норме на , как и требуется. [17] [18]
Уникальность следует из того, что если и удовлетворяют тем же условиям, то будет однозначным голоморфным отображением единичного круга с и . Но по лемме Шварца однозначные голоморфные отображения единичного круга на себя задаются преобразованиями Мёбиуса
с . Так же должна быть и карта идентичности и .
Для доказательства существования возьмем в качестве семейства голоморфных однолистных отображений в открытый единичный круг с и . Это нормальное семейство по теореме Монтеля. По характеризации односвязности, для существует голоморфная ветвь квадратного корня в . Оно однолистно и для . Так как должно содержать замкнутый круг с центром и радиусом , никакие точки из не могут лежать в . Пусть будет единственным преобразованием Мёбиуса, включающим в с нормализацией и . По построению находится в , так что непусто . Метод Кёбе заключается в использовании экстремальной функции для получения конформного отображения, решающего задачу: в этой ситуации его часто называют функцией Альфорса G , в честь Альфорса . [19] Пусть будет супремумом для . Пик со стремлением к . По теореме Монтеля, переходя к подпоследовательности, если необходимо, стремится к голоморфной функции равномерно на компактах. По теореме Гурвица либо однолистна, либо постоянна. Но имеет и . Поэтому конечна, равна и . Осталось проверить, что конформное отображение принимает на . Если нет, то взять в и пусть будет голоморфным квадратным корнем из на . Функция однолистна и отображается в . Пусть
где . Тогда и обычное вычисление показывает, что
Это противоречит максимальности , поэтому должно принимать все значения в . [20] [21] [22]

Замечание. Как следствие теоремы Римана об отображении, каждая односвязная область на плоскости гомеоморфна единичному кругу. Если точки опущены, это следует из теоремы. Для всей плоскости гомеоморфизм дает гомеоморфизм на .

Параллельные щелевые отображения

Теорема униформизации Кёбе для нормальных семейств также обобщается, чтобы дать униформизаторы для многосвязных областей до конечных параллельных щелевых областей , где щели имеют угол к оси x . Таким образом, если есть область в , содержащая и ограниченная конечным числом жордановых контуров, существует единственная однолистная функция на с

вблизи , максимизируя и имея изображение параллельной щелевой области с углом к ​​оси x . [23] [24] [25]

Первое доказательство того, что области с параллельными щелями являются каноническими областями для в многосвязном случае, было дано Давидом Гильбертом в 1909 году. Дженкинс (1958) в своей книге об однолистных функциях и конформных отображениях дал трактовку, основанную на работах Герберта Грётша и Рене де Посселя начала 1930-х годов; она была предшественником квазиконформных отображений и квадратичных дифференциалов , позднее развитых как техника экстремальной метрики благодаря Освальду Тейхмюллеру . [26] Менахем Шиффер дал трактовку, основанную на очень общих вариационных принципах , обобщенных в его выступлениях на Международном конгрессе математиков в 1950 и 1958 годах. В теореме о «граничной вариации» (чтобы отличить ее от «внутренней вариации») он вывел дифференциальное уравнение и неравенство, которые опирались на теоретико-мерную характеристику прямолинейных сегментов, принадлежащую Угтреду Шаттлворту Хасламу-Джонсу с 1936 года. Доказательство Хаслама-Джонса считалось сложным и было дано удовлетворительное доказательство только в середине 1970-х годов Шобером и Кэмпбеллом-Ламурё. [27] [28] [29]

Шифф (1993) дал доказательство униформизации для областей с параллельными щелями, которое было похоже на теорему об отображении Римана. Для упрощения обозначений будут взяты горизонтальные щели. Во-первых, по неравенству Бибербаха любая однолистная функция

с в открытом единичном диске должен удовлетворять . Как следствие, если

одновалентен в , тогда . Чтобы увидеть это, возьмите и установите

для в единичном круге, выбрав так, чтобы знаменатель нигде не обращался в ноль, и применить лемму Шварца . Далее функция характеризуется "экстремальным условием" как единственная однолистная функция в форме, которая максимизирует : это является непосредственным следствием теоремы Гренвалла о площадях , примененной к семейству однолистных функций в . [30] [31]

Теперь докажем, что многосвязную область можно униформизировать с помощью горизонтального параллельного щелевого конформного отображения.

,

взять достаточно большим, чтобы лежало в открытом круге . Для , однолистность и оценка подразумевают, что если лежит в с , то . Поскольку семейство однолистных локально ограничено в , по теореме Монтеля они образуют нормальное семейство. Более того, если входит в семейство и стремится к равномерно на компактах, то входит также в семейство и каждый коэффициент разложения Лорана в стремится к соответствующему коэффициенту . Это относится, в частности, к коэффициенту: поэтому по компактности существует однолистность, которая максимизирует . Чтобы проверить, что

является требуемым параллельным щелевым преобразованием, предположим, что reductio ad absurdum имеет компактную и связную компоненту своей границы, которая не является горизонтальной щелью. Тогда дополнение в просто связано с . По теореме Римана об отображении существует конформное отображение

такой, что есть с удаленной горизонтальной щелью. Итак, у нас есть, что

и, таким образом, по экстремальности . Следовательно, . С другой стороны, по теореме Римана об отображении существует конформное отображение

отображение из на . Тогда

По строгой максимальности для щелевого отображения в предыдущем абзаце, мы можем видеть, что , так что . Два неравенства для противоречивы. [32] [33] [34]

Доказательство единственности конформного преобразования параллельных щелей приведено в работах Голузина (1969) и Грунского (1978). Применяя обратное преобразование Жуковского к области горизонтальных щелей, можно предположить, что — область, ограниченная единичной окружностью и содержащая аналитические дуги и изолированные точки (образы других обратных преобразований Жуковского при других параллельных горизонтальных щелях). Таким образом, при фиксированном , существует однолистное отображение

с его изображением горизонтальной щелевой области. Предположим, что это другой униформизатор с

Изображения под или каждого имеют фиксированную y -координату, поэтому являются горизонтальными сегментами. С другой стороны, голоморфна в . Если она постоянна, то она должна быть тождественно нулевой, так как . Предположим , что непостоянна, тогда по предположению все горизонтальные прямые. Если не находится ни в одной из этих прямых, принцип аргумента Коши показывает, что число решений в равно нулю (любое в конечном итоге будет окружено контурами в , близкими к 's). Это противоречит тому факту, что непостоянная голоморфная функция является открытым отображением . [35]

Эскиз доказательства с помощью задачи Дирихле

Для заданной и точки мы хотим построить функцию , которая отображается на единичный круг и на . Для этого наброска мы предположим, что U ограничено и его граница гладкая, как это делал Риман. Запишите

где — некоторая (подлежащая определению) голоморфная функция с действительной частью и мнимой частью . Тогда ясно, что — единственный нуль . Мы требуем для , поэтому нам нужно

на границе. Поскольку — действительная часть голоморфной функции, мы знаем, что — обязательно гармоническая функция ; т. е. она удовлетворяет уравнению Лапласа .

Тогда возникает вопрос: существует ли действительно значная гармоническая функция , которая определена на всех и имеет заданное граничное условие? Положительный ответ дается принципом Дирихле . Как только существование установлено, уравнения Коши–Римана для голоморфной функции позволяют нам найти (этот аргумент зависит от предположения, что быть односвязными). После того, как и построены, нужно проверить, что полученная функция действительно обладает всеми требуемыми свойствами. [36]

Теорема униформизации

Теорему об отображении Римана можно обобщить на контекст римановых поверхностей : если — непустое односвязное открытое подмножество римановой поверхности , то является биголоморфным одному из следующих множеств: сфере Римана , комплексной плоскости или единичному кругу . Это известно как теорема об униформизации .

Теорема о гладком отображении Римана

В случае односвязной ограниченной области с гладкой границей функция отображения Римана и все ее производные по непрерывности продолжаются на замыкание области. Это можно доказать, используя свойства регулярности решений краевой задачи Дирихле, которые следуют либо из теории пространств Соболева для плоских областей , либо из классической теории потенциала . Другие методы доказательства теоремы о гладком отображении Римана включают теорию ядерных функций [37] или уравнение Бельтрами .

Алгоритмы

Вычислительное конформное отображение играет важную роль в задачах прикладного анализа и математической физики, а также в инженерных дисциплинах, таких как обработка изображений.

В начале 1980-х годов был открыт элементарный алгоритм для вычисления конформных отображений. Заданные точки на плоскости, алгоритм вычисляет явное конформное отображение единичного круга на область, ограниченную жордановой кривой с Этот алгоритм сходится для жордановых областей [38] в смысле равномерно близких границ. Существуют соответствующие равномерные оценки на замкнутой области и замкнутом круге для функций отображения и их обратных. Улучшенные оценки получаются, если точки данных лежат на кривой или K - квазиокружности . Алгоритм был открыт как приближенный метод для конформной сварки; однако его также можно рассматривать как дискретизацию дифференциального уравнения Левнера . [39]

Известно следующее о численной аппроксимации конформного отображения между двумя плоскими областями. [40]

Положительные результаты:

Отрицательные результаты:

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Существование f эквивалентно существованию функции Грина .
  2. ^ Альфорс, Ларс (1953), Л. Альфорс; Э. Калаби; М. Морзе; Л. Сарио; Д. Спенсер (ред.), «Развитие теории конформного отображения и римановых поверхностей на протяжении столетия», Вклад в теорию римановых поверхностей : 3–4
  3. ^ Оригинальную статью см. в Osgood 1900. Исторические отчеты см. в Walsh 1973, стр. 270–271; Gray 1994, стр. 64–65; Greene & Kim 2017, стр. 4. Также см. Carathéodory 1912, стр. 108, сноска ** (признавая, что Osgood 1900 уже доказал теорему Римана об отображении).
  4. Gray 1994, стр. 78–80, цитируя Carathéodory 1912
  5. ^ Грин и Ким 2017, стр. 1
  6. Грей 1994, стр. 80–83.
  7. ^ «Что внес Риман в математику? Геометрия, теория чисел и другие» (PDF) .
  8. ^ Лахтакия, Ахлеш; Варадан, Виджай К.; Мессье, Рассел (август 1987 г.). «Обобщения и рандомизация плоской кривой Коха». Журнал физики A: Mathematical and General . 20 (11): 3537–3541. doi :10.1088/0305-4470/20/11/052.
  9. ^ Реммерт 1998, раздел 8.3, с. 187
  10. ^ См.
    • Альфорс 1978
    • Бирдон 1979
    • Конвей 1978
    • Гамелен 2001
  11. ^ Gamelin 2001, стр. 256–257, элементарное доказательство
  12. Беренштейн и Гей 1991, стр. 86–87.
  13. ^ Гамелен 2001
  14. ^ Гамелен 2001
  15. ^ Дюрен 1983
  16. ^ Яних 1993
  17. ^ Дюрен 1983
  18. ^ Яних 1993
  19. ^ Гамелен 2001, стр. 309
  20. ^ Дюрен 1983
  21. ^ Яних 1993
  22. ^ Альфорс 1978
  23. Дженкинс 1958, стр. 77–78.
  24. ^ Дюрен 1980
  25. ^ Шифф 1993, стр. 162–166.
  26. Дженкинс 1958, стр. 77–78.
  27. ^ Шобер 1975
  28. ^ Дюрен 1980
  29. ^ Дюрен 1983
  30. ^ Шифф 1993
  31. Голузин 1969, стр. 210–216.
  32. ^ Шифф 1993
  33. Голузин 1969, стр. 210–216.
  34. Нехари 1952, стр. 351–358.
  35. Голузин 1969, стр. 214−215
  36. ^ Гамелен 2001, стр. 390–407
  37. ^ Белл 1992
  38. ^ Жорданова область — это внутренняя часть жордановой кривой .
  39. ^ Маршалл, Дональд Э.; Роде, Штеффен (2007). «Сходимость варианта алгоритма Zipper для конформного отображения». Журнал SIAM по численному анализу . 45 (6): 2577. CiteSeerX 10.1.1.100.2423 . doi :10.1137/060659119. 
  40. ^ Биндер, Илья; Браверман, Марк; Ямпольский, Майкл (2007). «О вычислительной сложности отображения Римана». Архив математики . 45 (2): 221. arXiv : math/0505617 . Bibcode :2007ArM....45..221B. doi :10.1007/s11512-007-0045-x. S2CID  14545404.

Ссылки

Внешние ссылки