Processing math: 100%

keskiviikko 27. tammikuuta 2016

Kuvaajia on kaikenlaisia

Funktion (z+1)(zi)2(z1+i)3 kuvaaja

Tyyppiä y=f(x) olevia funktioita havainnollistetaan helposti xy-tasoon piirrettävillä kuvaajilla. Samantyyppisellä idealla voidaan havainnollistaa tyyppiä z=f(x,y) olevia funktioita, mutta nyt tarvitaan kolmiulotteinen xyz-avaruus.

Entä sitten vaikkapa kompleksimuuttujan kompleksiarvoinen funktio w=f(z)? Tässä siis on z=x+iy ja funktio voidaan hajottaa reaali- ja imaginaariosaksi: w=u(x,y)+iv(x,y). Esimerkiksi f(z)=z2=(x+iy)2=(x2y2)+2ixy, jolloin u(x,y)=x2y2 ja v(x,y)=2xy. Kuvaajan piirtämisen kannalta kyseessä on funktio R2R2, missä (x,y)(u,v). Kuvaajaa varten tarvittaisiin siis neliulotteinen xyuv-avaruus. Toki tällaisistakin voisi piirtää kuvia projisioimalla neliulotteisen kuvaajan kolmiulotteiseen avaruuteen vaikkapa yhdensuuntaisprojektiolla ja tästä edelleen kaksiulotteiseksi tasokuvaksi. Tai suoraan neljästä ulottuvuudesta kahteen.

Muunkinlaisia keinoja löytyy. Jos tarkastellaankin funktion f(z) itseisarvoa |f(z)|=u(x,y)2+v(x,y)2, kyseessä on tavallinen kahden muuttujan funktio, jonka kuvaaja --- jonkinlainen pinta --- voidaan muodostaa kolmiulotteiseen avaruuteen. Tällöin toki on hukattu informaatiota eikä kuvaaja periaatteessakaan kerro kaikkea. Mukaan voidaan kuitenkin liittää kuvapisteen w=u(x,y)+iv(x,y) välillä ]π,π] oleva napakulma värittämällä kuvaajapinta kohdan (x,y) yläpuolella napakulman ilmaisevalla värillä.  Jokin värikartta tarvitaan, ja tällaiseksi sopii esimerkiksi hue-värimäärittelyn ympyrä (kuva alla). Tällöin kuvaaja sisältää periaatteessa kaiken informaation. Esimerkkinä on jutun alussa oleva funktion (z+1)(zi)2(z1+i)3 kuvaaja.

Hue-värimäärittely


Yllättävän havainnollinen kuva saadaan myös jättämällä itseisarvo huomiotta ja tarkastelemalla vain napakulmaa, ts. vain kaksiulotteista värikarttaa (= em. kuvaaja katsottuna suoraan ylhäältä). Alla on esimerkkeinä kaksi funktiota. Miten näissä näkyvät funktion nollakohdat ja navat? Miten kertaluku ilmenee?

(z+1)(zi)2(z1+i)3
(z+1)(zi)2/(z1+i)3


Tämän postauksen innoittajana on ollut American Mathematical Societyn Notices-lehden kirjaesittely Frank A. Farrisin teoksesta Creating Symmetry: The Artful Mathematics of Wallpaper Patterns (http://www.ams.org/notices/201511/rnoti-p1350.pdf), jossa keskitytään symmetrisiin (ja kauniisiin) kuvioihin. Näitäkin toki kokeilin, esimerkkinä alla oleva.
a(z5ˉz5)+b(z6ˉz+zˉz6)+c(z4ˉz6+z6ˉz4), a=i, b=2i, c=1+i


Lopuksi ongelma lukijalle: Mitä tunnettua alkeisfunktiota esittää oheinen kuvaaja? Tässä on siis otettu huomioon sekä itseisarvo että napakulma.

Mikä funktio?

2 kommenttia:

Anonyymi kirjoitti...

Eikös tuo hue ole suomeksi ihan vain värisävy?

SKK kirjoitti...

Sitähän se kai sanana on, mutta siihen voi liittyä myös sävyn muuttuminen välillä [0,1] (tai ympyrän tapauksessa [0,2\pi]) olevan parametrin funktiona.