上野竜生です。今回はzがある図形を動き,w=f(z)で変換したときのwの図形を答える問題を解説します。

一次分数変換

基本

step1 : w=f(z)をzについて解き,z=g(w)の形に直す
step2 : z=g(w)をもとの式に代入して整理
step3 : 以下の有名パターンになればそれで答える。
なおstep1でうまく解けなかったりstep3でどうしても有名パターンにならなければ最終手段としてz=x+iyとおき軌跡の問題に帰着させればOKです。

有名パターン

|z-α|=k
αを中心とする半径kの円

m|z-α|=n|z-β|
⇔αからの距離とβからの距離がn:mになる点の軌跡
(m=nのとき)αとβの垂直二等分線
(m≠nのとき)αとβをn:mに内分する点とn:mに外分する点を直径の両端とする円(アポロニウスの円)

これらのことは軌跡と領域の分野で学習済みだと思います。忘れた人はアポロニウスの円まで戻ってください。

 

例題

zは|z-1|=2(1を中心とする半径2の円の円周上)を動く。wが次の式で表されるときwはどんな図形を動くか。
(1) w=2iz+3
(2) \displaystyle  w=\frac{1}{z}
(3) \displaystyle w=\frac{z+2i}{3z+4i}
答え(1) w=2iz+3 \displaystyle z=\frac{w-3}{2i} なのでこれを代入すると
\displaystyle \left|\frac{w-3}{2i}-1 \right|=2
よって|w-3-2i|=2|2i|=4となり3+2iを中心とする半径4の円
(2) \displaystyle  w=\frac{1}{z} \displaystyle z=\frac{1}{w} なのでこれを代入すると
\displaystyle \left|\frac{1}{w}-1 \right| =2
|1-w|=2|w|つまり|w-1|=2|w|となるので
1からの距離と0からの距離が2:1となる点の軌跡。
よって-1と\frac{1}{3}を直径の両端とする円となり
中心 -\frac{1}{3} ,半径\frac{2}{3} の円
(3) \displaystyle w=\frac{z+2i}{3z+4i}
3zw+4iw=z+2i
(3w-1)z=2i-4iw
\displaystyle z=\frac{2i-4iw}{3w-1} なのでこれを代入すると\displaystyle (w\neq \frac{1}{3})

\displaystyle \left|\frac{2i-4iw}{3w-1} -1 \right|=2
|2i-4iw - 3w+1|=2|3w-1|
\displaystyle |(3+4i)w-(1+2i)|=6\left|w-\frac{1}{3} \right|
\displaystyle |3+4i| \left|w- \frac{1+2i}{3+4i} \right|=6\left|w-\frac{1}{3} \right|
\displaystyle \frac{1+2i}{3+4i}=\frac{(1+2i)(3-4i)}{(3+4i)(3-4i)}=\frac{3+6i-4i+8}{25}=\frac{11+2i}{25}

なので
\displaystyle 5\left| w- \frac{11+2i}{25} \right|=6\left|w-\frac{1}{3} \right| となるので
\displaystyle \frac{11+2i}{25} からの距離と\frac{1}{3} からの距離の比が6:5になる点の軌跡。
よって\displaystyle \frac{21+2i}{55},\frac{-1-2i}{5} を直径の両端とする円になり
中心\displaystyle \frac{5-10i}{55}=\frac{1-2i}{11} ,半径\displaystyle \frac{4}{11} の円

 

最後は計算が複雑ですが頑張って計算しましょう。

一般に\displaystyle w= \frac{az+b}{cz+d} による変換を一次変換(一次分数変換)といい同様のやり方で計算できます。一次分数変換には(1)や(2)の形も含まれていることに注意してください。一次分数変換は「円または直線」を「円または直線」にうつすという性質があります。(円が直線に,直線が円に,円が円に,直線が直線にの4パターン)

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