單位圓到任意多邊形區域的Schwarz Christoffel變換數值解法

崔建斌，姬安召，王玉風，于江濤，周華龍

(1.隴東學院 數學與統計學院，甘肅 慶陽 745000； 2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

單位圓到任意多邊形區域的Schwarz Christoffel變換數值解法

崔建斌1，姬安召2，王玉風2，于江濤2，周華龍2

(1.隴東學院 數學與統計學院，甘肅 慶陽 745000； 2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

Schwarz Christoffel變換技術在處理某些工程問題時具有重要作用. 從黎曼存在定理出發，建立了單位圓到任意多邊形區域的映射函數Schwarz Christoffel變換模型，采用LevenbergMarquardt算法求解含約束條件的非線性映射函數Schwarz Christoffel變換模型參數系統.針對映射函數中出現的奇異積分問題，對映射函數進行2次參數變換，將其化為高斯雅克比型積分，以積分路徑中的奇異點為界，縮短積分路徑，對子路徑采用修正高斯積分方法進行計算.通過指數變換、連乘變換和累加變換，使任意初值問題均可進行迭代計算并滿足初值的約束條件.提出以邊長絕對誤差和頂點絕對誤差為迭代計算的收斂條件，并保證了映射函數的精度.給出了11頂點多邊形區域映射函數的求解算例，4種方案的計算結果表明，Schwarz Christoffel變換數值解法操作簡單、精度高、收斂快.

修正高斯雅克比型積分；單位圓；初值變換；LevenbergMarquardt算法；Schwarz Christoffel變換

0 引 言

Schwarz Christoffel變換(以下簡稱SC變換)模型在解決實際工程問題時具有重要作用.SC變換能將二維空間上邊界復雜的幾何體映射到另一個二維空間的形狀簡單的幾何體上，從而簡化對復雜邊界工程問題的處理.SC變換在油氣地下滲流力學、巖土力學、流體力學和電磁學等研究領域有著廣泛的應用.目前，國內已有一些關于SC變換數值計算方法的研究成果，王剛等[12]采用牛頓拉夫森迭代法導出了從多角形區域到上半平面映射和槽型區域映射的SC變換求解方法，但未涉及多角形區域到單位圓的計算.祝江鴻等[34]采用SC洛朗級數模型導出了地下開挖隧道斷面到單位圓映射的計算方法，但對于復雜開挖斷面，因級數構成項較多而求解復雜.文獻[57]均以SC級數模型建立多角形區域到單位圓映射計算，其級數模型構成復雜、計算量大，精度難以控制.文獻[8]研究了多角形區域到單位圓的映射，但由于奇異積分計算精度較低，要得到高精度的結果則比較困難.文獻[9]研究了多角形區域到上半平面SC逆變換的計算方法，同樣，計算結果精確但耗時較長.文獻[10]主要探討了由多角形區域到上半平面SC變換的數值解法.筆者借鑒前人的研究成果，通過研究多角形區域到單位圓映射SC變換模型，經2次參數變換，將沿單位圓復積分轉換為實積分，并建立了其與高斯雅克比型積分的關系，提出可通過搜尋奇異點縮短積分路徑，并在子路徑中采用修正高斯雅克比積分.采用上述方法解決了計算過程中出現的奇異積分問題，亦提高了積分精度.結合LevenbergMarquardt最優化算法求解非線性積分方程組，尋求由單位圓到多角形區域SC變換的精確高效的數值解法.

圖1 單位圓映射到任意多角形區域變換示意圖Fig.1 Transformation diagram of unit circleto the polygonal region

1 基本模型

在復平面W上有N(N≥3)邊形，其頂點和內角分別為Wj和παj(j=1,2,…,N).將單位圓上的點映射在W平面上的SC變換公式為

(1)

其中，K為伸縮系數，C為變換中心，παj為W平面多角形內角，zj為單位圓上的點.

但在實際工程問題研究中，一般多角形區域是已知的，需求解與多邊形頂點對應的單位圓上的映射點.據黎曼原理，要確定式(1)，則參數zj(j=1,2,…,N)中有3個點必須選定.不妨假定zN-2=-1+0i，zN-1=0-1i，zN=1+0i，亦可根據實際工程問題選擇其他點.在上述假定條件下，式(1)中zj(j=1,2,…,N)滿足：

0…

(2)

由式(1)可得多邊形頂點Wi(i=1,2,…,N)為

(3)

由式(3)則有

(4)

用相鄰兩點之間的邊長比值可消去伸縮系數，從而減少未知量的求解，由式(4)可得

(5)

令

(6)

則式(5)可表示為

(7)

(8)

通過求解非線性系統積分方程組式(8)，可得未知參數zj(j=1,2,…,N-3).

由式(4)可求得伸縮系數K：

(9)

由式(3)，結合未知參數zj(j=1,2,…,N-3)與伸縮系數K的求解值，可得變換中心C：

(10)

2 Schwarz Christoffel積分

2.1 高斯雅克比型積分

根據以上分析，為了求解SC變換參數問題式(8)～(10)，必須計算式(6)的積分.分析實際問題可知，式(6)積分路徑在單位圓的圓弧上，積分的起點zi和終點zi+1為奇點.為了求解式(6)的奇異積分，對其作1次參數變換，因zi在單位圓上，令zi=eiθi，其中θi為復數zi的輻角主值，代入式(6)可得

(11)

為了計算式(11)的奇異積分，對式(11)進行2次參數變換：

令

(12)

令

(13)

其中，當j=i時，該項的?？山票硎緸?/p>

則式(11)可表示為

(14)

式(14)即為高斯雅克比型積分，但需注意其積分的起點和終點都存在奇異點，這里只給出了積分起點奇異點的處理方法，為了處理積分終點的奇異點，只需將積分區間劃分為若干個子路徑，因子路徑內不含奇異點.具體劃分方法參見2.2節積分路徑奇異點的確定.根據文獻[11]，式(14)可表示為：

(15)

(16)

第2步 尋找子區間的奇異值，由式(16)可得奇異值的條件為

(j=1,2,…,start-1,start,…,N-1;start=i).

第5步 若dist≥1，采用校正后的零點和權值進行積分.

2.3 校正高斯雅克比型積分零點與權值

結合式(12)與(14)，校正后的零點為

(17)

考慮高斯雅克比型積分式(14)，校正后的權值

(18)

3 非線性系統求解

對非線性系統式(8)的求解，還得考慮其約束條件0

由式(8)與式(2)，得到約束條件下的非線性系統求解問題：

(19)

3.1 約束條件的變換

在采用迭代法求解式(19)的過程中，未知量zj(j=1,2,…,N-3)在迭代過程中有可能出現不滿足式(2)的情況，為此對約束條件做適當的變換[1415]，使其在求解過程中始終滿足約束條件.變換過程如下：

第5步 計算迭代值向量Y=[y1,y2,…,yN3]T，yj=eiθj.

通過上述變化后，只要給定任意初值向量X0，迭代值向量Y必然滿足式(2).

3.2LevenbergMarquardt算法[16]的參數優化及數值計算方案

圖2 LevenbergMarquardt算法中參數、迭代次數與誤差關系曲線Fig.2 The relationship curves of number of iterations，error and parameters in LevenbergMarquardt algorithm

在采用LevenbergMarquardt算法求解式(19)時，由ρ與σ取值與迭代次數、誤差的關系曲線(見圖(2))可以看出，在迭代初期，ρ和σ的取值對絕對誤差的影響較小，收斂速度較慢，當迭代次數大于60時，ρ和σ的取值對絕對誤差的影響較大，收斂速度差異較大.通過反復迭代計算，得到當ρ=0.2，σ=0.5時，收斂速度最快，為此推薦使用ρ=0.2，σ=0.5.

表1 非線性積分方程組數值計算方案Table 1 Numerical scheme for nonlinear integral equations

通過上述分析，求解非線性積分方程組式(19)，初值必須滿足式(2)，對初值的處理主要采用上述約束條件的變換方法：包含連乘變換和無連乘變換，所以對初值處理有2種選擇方案.對于出現的奇異積分，可直接采用式(14)修正高斯雅克比積分或式(16)子路徑修正高斯雅克比積分進行計算.這樣共有4種計算方案，其計算結果見表3.

4 精度評定與算例分析

i=1,2,…,N-2,

(20)

i=1,2,…,N-2.

(21)

平面封閉區域多邊形如圖3所示，這里共有11個頂點封閉多邊形.表2是SC變換參數的計算結果，由于篇幅限制，僅列出②③、①③和②④3種計算方案的結果.從表2可以看出，前2種方案的計算結果很接近，說明初值變換選擇的2種方案均可行，但奇異積分處理方法的選擇對結果影響很大.

圖3 多邊形平面圖Fig.3 Polygon plane graph

方案1(②③)方案2(①③)方案3(②④)z1-0.9730436674+i*0.2306209473-0.9730436674+i*0.2306209474-0.989757743+i*0.142757174z2-0.9759654834+i*0.2179251598-0.9759654834+i*0.2179251599-0.990369302+i*0.138450875z3-0.9849015986+i*0.1731151093-0.9849015986+i*0.1731151093-0.992766049+i*0.120064866z4-0.9857537888+i*0.1681947321-0.9857537888+i*0.1681947321-0.993105233+i*0.117226258z5-0.9857746537+i*0.1680724015-0.9857746537+i*0.1680724015-0.99311812+i*0.117117035z6-0.9858563977+i*0.1675922523-0.9858563977+i*0.1675922523-0.993169998+i*0.116676285z7-0.9858588436+i*0.1675778641-0.9858588436+i*0.1675778641-0.99317136+i*0.116664692z8-0.9858878094+i*0.1674073695-0.9858878094+i*0.1674073695-0.993184249+i*0.11655491k-0.29320062207+i*0.48877316531-0.29320062211+i*0.48877316531-0.23382918823+i*0.43935654317c-1.5840515459+i*1.4956209022-1.5840515460+i*1.4956209021-1.6837743041+i*1.6952215685

表3 從單位圓到任意多邊形SC變換4種計算方案結果的對比Table 3 Comparison of four calculation schemes for SC transformation from unit circle to arbitrary polygon

通過Matlab軟件編寫SC變換程序，在PC機上進行計算，由表3可知，若直接采用修正高斯雅克比積分方法，無論如何選擇初值變換方案，邊長和頂點都不能達到精度要求(即方案3和4)，而且計算時間長.方案2與方案1相比，若初值不采用連乘變換，上述變換結果同樣滿足式(2)，但需要多次迭代邊長和頂點才能達到精度要求，所以初值的連乘變換能夠提高計算速度，故推薦方案1.

5 結 論

5.1 單位圓到多邊形區域共形映射函數SC變換模型求解的難點，在于計算過程中出現的奇異積分方程的處理和初值必須滿足一定的約束條件.從常規高斯雅克比型積分出發，對SC變換模型進行2次參數變換，通過變換積分方程的形式，以積分路徑中的奇異點為界，縮短積分路徑，在子路徑中采用修正高斯積分方法可有效克服奇異積分計算的困難.對于初值的約束條件，通過指數變換、連乘變換和累加變換巧妙處理迭代值，使其對任意初值均可進行迭代并滿足初值的約束條件.

5.2 通過對4種方案的計算分析知，初值和積分方式的選擇決定了SC變換模型系數迭代計算的快速性和有效性，提出的子路徑修正高斯雅克比積分和初值變換方法可有效解決該問題；以邊長的絕對誤差和頂點絕對誤差作為迭代計算的收斂條件，保證了計算映射函數的映射精度.

5.3 在求解SC變換模型時，初值的連乘變換能夠較大幅度減少非線性系統求解過程中的迭代次數.

5.4 LevenbergMarquardt算法對映射函數SC變換模型非線性系統是可行的，當參數ρ與σ取值適當時，LevenbergMarquardt算法收斂較快.

5.5 11個頂點多邊形映射函數的求解算例表明，本文給出的從單位圓到多邊形區域共形映射函數SC變換模型求解算法具有一定的可操作性.

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CUI Jianbin1，JI Anzhao2，WANG Yufeng2， YU Jiangtao2， ZHOU Hualong2

(1.MathematicsandStatisticsInstitute，LongdongUniversity，Qingyang745000，GusuProvince,China；2.EnergyEngineeringInstitute，LongdongUniversity，Qingyang745000，GusuProvince,China)

Schwarz Christoffel transformation technique has an important role in dealing with engineering problem. Based on the Riemann’s existence theorem, a transform model of Schwarz Christoffel from unit circle to arbitrary polygon area was established. LevenbergMarquardt algorithm was used to solve parameters of the nonlinear mapping function of Schwarz Christoffel with constraint conditions. As to the mapping function in the singular integral problem, the mapping function was twice transformed to Gauss Jacobi integral, then the singular point in the integral path was taken as the boundary; The length of integral path was narrowed, and the modified Gaussian integral was used to calculate the sub path. By the exponential transform, multiplicative transform and accumulation transform process, the arbitrary initial value could be iteratively calculated and the results satisfied the constraints of the initial value. The convergence conditions of the iterative copulation based on the absolute errors of length and absolute error of vertex were put forward to ensure the precision of the mapping function. The solution of the mapping function with 11 vertex polygon region was calculated by four calculation schemes. Results of the four schemes showed that the numerical solution of Schwarz Christoffel transform is simple with high precision and fast convergence.

modified Gauss Jacobi type integral; unit circle; initial value transformation; LevenbergMarquardt algorithm; Schwarz Christoffel transformation

20160301.

甘肅省科技計劃資助項目(1606RJZM092,1606RJYM259,1506RJYM324).

崔建斌(1972-),ORCID:http://orcid.org/0000000266933415,男,碩士,副教授,主要從事數值分析與數據挖掘研究，Email:cuijb0658@163.com.

10.3785/j.issn.10089497.2017.02.007

O 241

A

1008-9497(2017)02-161-07

Numerical solution method for Schwarz Christoffel transformation from unit circle to arbitrary polygon area. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(2):161167