莫比乌斯变换(分式线性变换)

在复变函数中,我们学习过复平面中的莫比乌斯变换,形式为

它具有许多优美的性质,我们也称其为分式线性变换

莫比乌斯变换(Möbius Transformation)虽然起源于复分析,但其思想和方法可以与微积分的工具结合,用于解决特定类型的积分

例如这类带根号项的分式有理函数积分

下面我们从最基础的变换手段讲起,最后给出解决这类积分问题的通法

倒代换

通过倒代换 $\displaystyle x=\frac{1}{t}$ 将待求问题的区间从 $[1,+\infty)$ 转换成 $(0,1]$,简化计算

若问题区间为 $[0,+\infty)$,则分段求解,将原积分拆解成

例1

对 $[1,+\infty)$ 作倒代换,令 $\displaystyle x=\frac{1}{t}$,则有

例2

同上题解法

例3

退化莫比乌斯变换

通过代换 $\displaystyle x=\frac{1-t}{1+t}$ 将待求积分的上下限从 $\displaystyle \int_{0}^{1}$ 转换成 $\displaystyle -\int_{0}^{1}$

例1

令 $\displaystyle x=\frac{1-t}{1+t}$,则有

例2

令 $\displaystyle x=\frac{1-t}{1+t}$,则有

例3

令 $\displaystyle x=\frac{1-t}{1+t}$,则有

莫比乌斯变换

作如下分式线性变换

例1

令 $\displaystyle x=\frac{t\left(1-z\right)}{t+z}$,则有

例2

令 $\displaystyle t=\frac{1-x}{1+x}$,则 $x=\displaystyle \frac{1+t}{1-t}$,原式化为

由双元法,立刻得出原函数为

例3

对于形如此种形式的积分

一般令 $t=\displaystyle \frac{x-b}{x-a}$,将幂次高的项放分母

对此题而言,只需令 $t=\displaystyle \frac{x-2}{x-3}$,则有

莫比乌斯变换一般化

系数推导

对于一般的带根号项的分式有理函数积分,如

不妨令

带入原积分,对于 $(ax^2+bx+c)$,我们观察其一次项系数

同理,对于 $\left(dx^2+ex+f\right)$,其一次项系数应该与 $(ax^2+bx+c)$ 类似,即

当上述两项的一次项系数都为零时

特征方程为

解出该方程的两根即为莫比乌斯变换的两个系数 $\alpha,\beta$

例1

求出其对应的特征方程系数

则特征方程为

则令 $x=\displaystyle \frac{t-1}{t+1}$,代入原式得

对于+号左边,直接凑微分

对于+号右边,可用双元法

故最终结果为

例2

求出其对应的特征方程系数

则特征方程为

则令 $x=\displaystyle \frac{2t-1}{t+1} $,代入原式得

同例1的分析步骤,对左边的式子凑微分,对右边的式子使用双元法

最终得到答案为