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​多值函数的几何描写

 cosmos2062 2024-04-02 发布于广东
用黎曼面上的点表示多值函数的自变量,数时适用范围更广的一种方法。在黎曼面上的每一个点处,多值函数的取值是唯一的,多值函数是黎曼面上的单值函数。
描写多值函数最简单和最直观的方法是,把函数的宗量的辐角限制在一个周期内变化,将多值函数划分成若干个单值分枝。划分单值分枝的几何图象是,用割线将复平面上的两个枝点连接起来,令自变量在变化的过程中不得跨越割线,即不允许自变量绕单个枝点转圈。这种方法图像清晰、运算方便、简单易行,在处理大多数问题时相当有效。
把多值函数划分出单值分枝后,在一个单值分枝内,多值函数的性质完全像一般的单值函数一样,对多值函数的各种运算就与单值函数完全相同。然而,在一些较为复杂的问题中,自变量的变化范围较大,可能涉及到跨越割线的行为,在这种情况下,划分单值分枝的方法就无能为力了。
关于对多值函数取值的问题,有一种适用范围更广的处理方法,这种方法能够将函数值与自变量的值的对应关系完全确定下来,并且还允许自变量在多个单值分枝之间变化,也就是说,允许自变量绕单个枝点转圈。这种方法的要点是:规定多值函数在某一点处的函数值,并明确地规定自变量的变化路径。这样,当自变量沿着给定的路径变化时,函数的值也随之连续变化,不存在被限制在哪一个单值分枝内的问题。
还是以函数 为例加以说明。如果规定 ,则在 处显然有 。当自变量 沿曲线 变化,如下左图所示,先后到达  时, 的辐角分别增加了 ,在这两个点处,。由此可得
如果自变量沿另一条曲线 变化,如下右图所示,先后到达 ,则 的辐角分别减小了 由此可得

结果发现,沿 到达的各点处于 的辐角被限制在 这个单值分枝内,而沿 到达的各点则处于 的辐角被限制在 这个单值分枝内。如果自变量沿曲线 逆时针先后到达 ,如上中图所示,就相当于先在第一个单值分枝内变化,再跨越割线进入第二个单值分枝。

我们看到,使用这种方法来描写多值函数,自变量的变化范围可以不受任何限制,在不同的单值分枝之间变化。自变量的这种变化方式可以用几何方法形象地表现出来。

设想有两个 平面,在第一个 平面上, 的辐角在 之间变化,在第二个 平面上, 的辐角范围则是 。如下图所示,在两个 平面上作相同的割线。在下面的割线示意图中,为了表现清晰起见,将割线夸张地画成间隔很宽的双线,分别表示割线的上岸和下岸,实际上的割线只是一条直线。
将第一个 平面的割线的下岸与第二个 平面的割线的上岸连接起来,第一个 平面的割线的上岸则与第二个 平面的割线的下岸相连接,两个 平面按这样的方式连接成一个面,称之为二叶黎曼面。在这个二叶黎曼面上的每一个点处,根式函数的取值是唯一的,即二叶黎曼面上的点与 平面上的点一一对应,根式函数是这个二叶黎曼面上的单值函数。当自变量沿着某一条路径绕枝点转圈时,必定会跨越割线,这在二叶黎曼面上就表现为从一个 平面进入另一个 平面,相应地,在 平面上就表现为从一个单值分枝过渡到另一个单值分枝。

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