Das Ziel dieses Artikels ist es, alle biholomorphen Abbildungen
D
→
D
{\displaystyle \mathbb {D} \to \mathbb {D} }
zu charaktisieren. Wir wollen beweisen:
Sei
f
:
D
→
D
{\displaystyle f\colon \mathbb {D} \to \mathbb {D} }
ein Automorphismus. Dann gibt es ein
z
0
∈
D
{\displaystyle z_{0}\in \mathbb {D} }
und ein
λ
∈
C
{\displaystyle \lambda \in \mathbb {C} }
mit
|
λ
|
=
1
{\displaystyle |\lambda |=1}
, so dass
f
(
z
)
=
λ
z
−
z
0
1
−
z
¯
0
z
{\displaystyle f(z)=\lambda {\frac {z-z_{0}}{1-{\bar {z}}_{0}z}}}
Der Einheitskreis
D
{\displaystyle \mathbb {D} }
und sein Bild unter
f
(
z
)
=
λ
z
−
z
0
1
−
z
¯
0
z
{\displaystyle f(z)=\lambda {\frac {z-z_{0}}{1-{\bar {z}}_{0}z}}}
für
z
0
=
2
5
(
1
+
i
)
{\displaystyle z_{0}={\frac {2}{5}}(1+i)}
und
λ
=
2
−
1
/
2
(
1
+
i
)
{\displaystyle \lambda =2^{-1/2}(1+i)}
Umgekehrt sind alle solchen Abbildungen Automorphismen von
D
{\displaystyle \mathbb {D} }
.
Bevor wir den Satz beweisen, wollen wir noch eine wichtige Folgerung notieren:
Sei
z
0
∈
D
{\displaystyle z_{0}\in \mathbb {D} }
. Dann gibt es genau einen Automorphismus von
D
{\displaystyle \mathbb {D} }
mit
f
(
0
)
=
z
0
{\displaystyle f(0)=z_{0}}
und
f
′
(
0
)
>
0
{\displaystyle f'(0)>0}
.
Zunächst zur Eindeutigkeit: Sind
f
,
g
{\displaystyle f,g}
zwei solche Automorphismen, so betrachte
h
:=
f
−
1
∘
g
:
D
→
D
{\displaystyle h:=f^{-1}\circ g\colon \mathbb {D} \to \mathbb {D} }
. Dann ist
h
(
0
)
=
0
{\displaystyle h(0)=0}
. Nach dem Satz gibt es
λ
{\displaystyle \lambda }
und
z
1
{\displaystyle z_{1}}
so dass
h
(
z
)
=
λ
z
−
z
1
1
−
z
¯
1
z
{\displaystyle h(z)=\lambda {\frac {z-z_{1}}{1-{\bar {z}}_{1}z}}}
Es ist
0
=
h
(
0
)
=
λ
(
−
z
1
)
⟺
z
1
=
0
{\displaystyle 0=h(0)=\lambda (-z_{1})\iff z_{1}=0}
also
h
(
z
)
=
λ
z
{\displaystyle h(z)=\lambda z}
. Weiter ist
λ
=
h
′
(
0
)
=
(
f
−
1
∘
g
)
′
(
0
)
=
1
f
′
(
(
f
−
1
∘
g
)
(
0
)
)
⋅
g
′
(
0
)
=
g
′
(
0
)
f
′
(
0
)
>
0
{\displaystyle \lambda =h'(0)=(f^{-1}\circ g)'(0)={\frac {1}{f'{\big (}(f^{-1}\circ g)(0){\big )}}}\cdot g'(0)={\frac {g'(0)}{f'(0)}}>0}
und damit
λ
=
1
{\displaystyle \lambda =1}
, also ist
h
=
i
d
{\displaystyle h=\mathrm {id} }
, d. h.
λ
=
1
{\displaystyle \lambda =1}
.
Zur Existenz: Definiere
g
:
D
→
D
{\displaystyle g\colon \mathbb {D} \to \mathbb {D} }
durch
g
(
z
)
:=
λ
z
−
z
0
1
−
z
¯
0
z
{\displaystyle g(z):=\lambda {\frac {z-z_{0}}{1-{\bar {z}}_{0}z}}}
wobei
λ
{\displaystyle \lambda }
so gewählt sei, dass
g
′
(
z
0
)
>
0
{\displaystyle g'(z_{0})>0}
gilt. Dann ist
g
{\displaystyle g}
ein Automorphismus mit
g
(
z
0
)
=
0
{\displaystyle g(z_{0})=0}
. Setze
f
:=
g
−
1
{\displaystyle f:=g^{-1}}
. Dann ist
f
(
0
)
=
z
0
{\displaystyle f(0)=z_{0}}
und
f
′
(
0
)
=
1
/
g
′
(
z
0
)
>
0
{\displaystyle f'(0)=1/g'(z_{0})>0}
.
Als erstes zeigen wir, dass alle diese Abbildungen Automorphismen sind. Sei also
z
0
∈
D
{\displaystyle z_{0}\in \mathbb {D} }
,
|
λ
|
=
1
{\displaystyle |\lambda |=1}
und
f
(
z
)
=
λ
z
−
z
0
1
−
z
¯
0
z
{\displaystyle f(z)=\lambda {\frac {z-z_{0}}{1-{\bar {z}}_{0}z}}}
. Dann ist
f
{\displaystyle f}
holomorph und wegen
|
f
(
z
)
|
=
|
z
−
z
0
|
|
1
−
z
¯
0
z
|
=
|
z
|
|
1
−
z
¯
z
0
|
|
1
−
z
¯
0
z
|
=
|
z
|
=
1
,
|
z
|
=
1
{\displaystyle |f(z)|={\frac {|z-z_{0}|}{|1-{\bar {z}}_{0}z|}}={\frac {|z||1-{\bar {z}}z_{0}|}{|1-{\bar {z}}_{0}z|}}=|z|=1,\quad |z|=1}
und
f
(
z
0
)
=
0
{\displaystyle f(z_{0})=0}
gilt
f
(
D
)
⊆
D
{\displaystyle f(\mathbb {D} )\subseteq \mathbb {D} }
. Um zu zeigen, dass
f
{\displaystyle f}
ein Automorphismus ist, zeigen wir, dass
f
{\displaystyle f}
umkehrbar ist und die Umkehrabbildung vom selben Typ ist, wir haben
f
(
z
)
=
w
⟺
λ
z
−
z
0
1
−
z
z
¯
0
=
w
⟺
z
−
z
0
=
λ
¯
w
(
1
−
z
z
¯
0
)
⟺
z
(
1
+
λ
¯
w
z
¯
0
)
=
λ
¯
w
+
z
0
⟺
z
=
λ
¯
w
+
z
0
1
+
λ
¯
w
z
¯
0
⟺
z
=
λ
¯
w
−
(
−
λ
z
0
)
1
−
(
−
λ
z
0
)
¯
w
{\displaystyle {\begin{array}{rl}f(z)&=w\\\iff \displaystyle \lambda {\frac {z-z_{0}}{1-z{\bar {z}}_{0}}}&=w\\\iff z-z_{0}&={\bar {\lambda }}w(1-z{\bar {z}}_{0})\\\iff z(1+{\bar {\lambda }}w{\bar {z}}_{0})&={\bar {\lambda }}w+z_{0}\\\iff z&=\displaystyle {\frac {{\bar {\lambda }}w+z_{0}}{1+{\bar {\lambda }}w{\bar {z}}_{0}}}\\\iff z&={\bar {\lambda }}\displaystyle {\frac {w-{(-\lambda z_{0})}}{1-{\overline {(-\lambda z_{0})}}w}}\end{array}}}
Also ist
f
−
1
{\displaystyle f^{-1}}
vom selben Typ, es folgt die Behauptung.
Zum Beweis der Tatsache, dass jeder Automorphismus von der behaupteten Form ist, betrachten wir zunächst den Spezialfall
f
(
0
)
=
0
{\displaystyle f(0)=0}
. Dann ist nach dem Lemma von Schwarz zunächst
|
f
(
z
)
|
≤
|
z
|
{\displaystyle |f(z)|\leq |z|}
für alle
z
∈
D
{\displaystyle z\in \mathbb {D} }
, wenden wir das Lemma von Schwarz auf
f
−
1
{\displaystyle f^{-1}}
an, erhalten wir analog
|
z
|
≤
|
f
(
z
)
|
{\displaystyle |z|\leq |f(z)|}
, also insgesamt
|
f
(
z
)
|
=
|
z
|
{\displaystyle |f(z)|=|z|}
für alle
z
∈
D
{\displaystyle z\in \mathbb {D} }
. Das Lemma von Schwarz liefert nun, dass
f
{\displaystyle f}
eine Drehung ist, also
f
(
z
)
=
λ
z
{\displaystyle f(z)=\lambda z}
für ein
|
λ
|
=
1
{\displaystyle |\lambda |=1}
.
Sei nun
f
(
0
)
=:
z
1
{\displaystyle f(0)=:z_{1}}
, definiere
g
(
z
)
:=
z
−
z
1
1
−
z
¯
1
z
{\displaystyle g(z):={\frac {z-z_{1}}{1-{\bar {z}}_{1}z}}}
, nach obigem ist
g
{\displaystyle g}
ein Automorphismus. Dann ist
h
:=
g
∘
f
{\displaystyle h:=g\circ f}
ein Automorphismus von
D
{\displaystyle \mathbb {D} }
mit
h
(
0
)
=
0
{\displaystyle h(0)=0}
, also
h
(
z
)
=
λ
z
{\displaystyle h(z)=\lambda z}
für ein
|
λ
|
=
1
{\displaystyle |\lambda |=1}
. Es folgt nach obiger Rechnung:
f
(
z
)
=
g
−
1
(
λ
z
)
=
λ
z
+
z
1
1
+
z
¯
1
λ
z
=
λ
z
+
λ
¯
z
1
1
+
λ
¯
z
1
¯
z
{\displaystyle f(z)=g^{-1}(\lambda z)={\frac {\lambda z+z_{1}}{1+{\bar {z}}_{1}\lambda z}}=\lambda {\frac {z+{\bar {\lambda }}z_{1}}{1+{\overline {{\bar {\lambda }}z_{1}}}z}}}
mit
z
0
:=
−
λ
¯
z
1
{\displaystyle z_{0}:=-{\bar {\lambda }}z_{1}}
also die Behauptung.