顯然,一個複數對應複平面(其實就是直角座標平面)上一個點,於是我們可以在複平面內觀察幾何影象。
例如:|z|=1表示以原點為圓心,1為半徑的圓。
不過,如果影象很大,趨近於無窮,我們就無法觀察影象了。太遠了,目力不能及。
現代人有計算機幫助,都覺得困難的事,古人當然也覺得很男。我們現代人的辦法是加大記憶體,擴大螢幕,看得更遠。
古人自由古人的思路,他想啊,既然遠的影象我看不到,就拉近了看。
嗯,這個思路靠譜,說幹就幹。
把很遠很遠的影象怎麼拉近呢?
記得我們前幾天說過的地圖的故事嗎?地圖是將球形的地球展開成一個平面,如果我們反過來,豈不是可以將一個平面縮成一個球!
如圖
將一個球放在原點上,與平面相切,假設南極S與原點O重合,從北極N與平面上任意一點Z相連,則連線必然與球有唯一交點P,這個P就是Z的對應點。
如此,我們就可以將整個平面對映到一個球面上去。當然,平面上的函式影象也可以對映到球面上,方程影象也可以對映到球面上,最大的好處是,以前“看不見”的無窮遠處的影象現在變得和其他地方的影象一樣清晰了。
真是個好主意,想出這個主意的人不是俺,是一個叫黎曼的複雜人物。(黎曼和尤拉不同,尤拉寫的東西,很多還是能看懂,黎曼寫的,幾乎沒有看得懂的。)
我們來研究一下,Z(x,y)怎麼轉換成P?
看著黎曼球,我有點害怕,還是退回咱們比較熟悉,比較簡單的領域。
平面上有一根數軸,在原點處作一個半徑為1,與數軸相切的圓,顯然,數軸上的任何一個點r,都可以在圓上找到一個點與之對應。如圖
現在我們可以將平面上的點Z,轉換到半徑為1的球面上去了。
完美!平面上的任意一個點Z,都可以用這個公式對應到半徑為1的球面上去。
作為數學,這個對應有一個小小瑕疵:球面和平面不是一一對應。
顯然,平面上的任意一個點,在球面上都有一個點與之對應。
但是,球面上卻有一個點,在平面上沒有點與之對應。
聰明的你一下子就猜出來了,就是北極點N,在平面上找不到對應點。
我們也可以這樣認為,北極點N對應的就是平面的無窮遠點。
小小毛賊,豈能難到大咖黎曼。祭出數學家特有工具:定義!
於是黎曼設想平面上一個模為無窮大的點,這個假想點稱為“無窮遠點”,記為∞
複平面加上∞後稱為擴充複平面
如此,擴充複平面就和球面一一對應了。
涉及∞,數學家一般都小心翼翼,因為太容易出岔子了,黎曼也不例外,給這個∞加上幾個枷鎖:
(1)運算∞±∞,0∙∞,∞/∞,0/0無意義
(2)a≠∞時,∞/a=∞,a/∞=0,a±∞=∞±a=∞
(3)b≠0時,∞∙b=b∙∞=∞,b/0=∞
(4)∞的實部、虛部、幅角都無意義
(5)複平面上的每一條直線都經過∞,且任何一個半平面都不包含∞
在重重限制之下,擴充複平面就可以像一般的平面一樣使用了,球面上的點就和擴充複平面上的點一一對應了。