题目
1、函数w=(1)/(z)把下列z平面上的曲线x^2+y^2=9映射成w平面上的什么曲线?
1、函数$w=\frac{1}{z}$把下列z平面上的曲线$x^{2}+y^{2}=9$映射成w平面上的什么曲线?
题目解答
答案
将 $z = x + yi$ 代入 $w = \frac{1}{z}$,得
$w = \frac{1}{x + yi} = \frac{x - yi}{x^2 + y^2}.$
对于曲线 $x^2 + y^2 = 9$,有 $x^2 + y^2 = 9$,故
$w = \frac{x - yi}{9} = \frac{x}{9} - \frac{y}{9}i.$
设 $w = u + vi$,则
$u = \frac{x}{9}, \quad v = -\frac{y}{9}.$
由此得 $x = 9u$,$y = -9v$。将 $x$ 和 $y$ 代入原方程 $x^2 + y^2 = 9$,得
$(9u)^2 + (-9v)^2 = 9 \implies 81(u^2 + v^2) = 9 \implies u^2 + v^2 = \frac{1}{9}.$
因此,映射后的曲线为圆心在原点、半径为 $\frac{1}{3}$ 的圆,即
$u^2 + v^2 = \frac{1}{9}.$
或者表示为 $|w| = \frac{1}{3}$。
答案:
圆心在原点、半径为 $\frac{1}{3}$ 的圆,方程为 $u^2 + v^2 = \frac{1}{9}$(或 $|w| = \frac{1}{3}$)。
解析
本题考查复变函数的映射问题,解题思路是先将复变函数$w = \frac{1}{z}$进行化简,再结合已知的$z$平面上的曲线方程,通过变量代换得到$w$平面上的曲线方程。
- 将$z = x + yi$代入$w = \frac{1}{z}$并化简:
已知$w=\frac{1}{z}$,把$z = x + yi$代入可得:
$w = \frac{1}{x + yi}$
为了将分母实数化,给分子分母同时乘以$x - yi$,得到:
$w = \frac{1}{x + yi}\times\frac{x - yi}{x - yi}=\frac{x - yi}{(x + yi)(x - yi)}$
根据平方差公式$(a+b)(a-b)=a^2-b^2$,则$(x + yi)(x - yi)=x^2-(yi)^2=x^2+y^2$,所以$w = \frac{x - yi}{x^2 + y^2}$。 - 结合曲线方程$x^2 + y^2 = 9$化简$w$:
因为曲线方程为$x^2 + y^2 = 9$,将其代入上式可得:
$w = \frac{x - yi}{9}=\frac{x}{9} - \frac{y}{9}i$ - 设$w = u + vi$,建立$u$、$v$与$x$、$y$的关系:
设$w = u + vi$,则$u + vi=\frac{x}{9} - \frac{y}{9}i$,根据复数相等的充要条件:实部与实部相等,虚部与虚部相等,可得:
$u = \frac{x}{9}$,$v = -\frac{y}{9}$
由此可解得$x = 9u$,$y = -9v$。 - 将$x = 9u$,$y = -9v$代入原曲线方程$x^2 + y^2 = 9$:
把$x = 9u$,$y = -9v$代入$x^2 + y^2 = 9$可得:
$(9u)^2 + (-9v)^2 = 9$
根据幂的运算法则$(ab)^n=a^nb^n$,则$(9u)^2 = 9^2\times u^2 = 81u^2$,$(-9v)^2 = (-9)^2\times v^2 = 81v^2$,所以$81u^2 + 81v^2 = 9$,提取公因式$81$可得$81(u^2 + v^2) = 9$,两边同时除以$81$得:
$u^2 + v^2 = \frac{9}{81}=\frac{1}{9}$
在复平面中,$u^2 + v^2 = |w|^2$,所以$|w|^2 = \frac{1}{9}$,则$|w| = \frac{1}{3}$,这表示$w$平面上圆心在原点、半径为$\frac{1}{3}$的圆。