
複素解析において、領域彩色、またはカラーホイールグラフとは、複素平面上の各点に色を割り当てることで複素関数を視覚化する 手法です。複素平面上の点に異なる色と明るさを割り当てることで、通常は4次元の空間を必要とする複素平面から複素平面への関数を、領域彩色によって容易に表現し理解することができます。これにより、複素関数の流動性についての洞察が得られ、実関数の自然な幾何学的拡張が示されます。
実関数のグラフは、表現される変数が 2 つあるため、2 次元で描画できます。そしてしかし、複素数は2つの変数、つまり2つの次元で表されます。これは、複素関数(より正確には、 1つの複素変数の複素数値関数)を表すには、)には4次元の可視化が必要です。それを実現する方法の1つはリーマン面を使用することですが、別の方法として領域彩色を用いる方法もあります。
「ドメインカラーリング」という用語は、おそらく 1998 年頃にFrank Farrisによって造語されました。 [ 1 ] [ 2 ]複雑な関数を視覚化するために色を使用する例は、それ以前にも数多くあり、通常は引数(位相) を色相にマッピングしていました。[ 3 ] Larry Crone は1980 年代後半にこの方法を使用しました。[ 4 ] Dan Kucerovsky は 1990 年にこれを使用しました。[ 5 ]ドメインからコドメインまたはイメージ プレーンに点をマッピングするために連続色を使用するテクニックは、1999 年に George Abdo と Paul Godfrey によって使用され[ 6 ] 、色付きグリッドはDoug Arnoldが1997 年に作成したグラフィックで使用されました。[ 7 ]
2 つの変数だけで 4 次元の複素写像を表現することは、投影などの方法では情報が失われる可能性があるため望ましくありません。しかし、4 次元の視覚化を必要とせずに 4 次元プロセスを維持する変数を追加することは可能です。この場合、追加される 2 つの変数は、色や明るさなどの視覚入力です。これらは人間の目で容易に処理および区別できる 2 つの変数であるためです。この割り当ては「カラー関数」と呼ばれます。使用されるカラー関数は多数あります。一般的な方法は、複素引数を表現することです。(「位相」または「角度」とも呼ばれる)色相はカラーホイールに従い、大きさは明るさや彩度などの他の手段によって表されます。
次の例では、原点を黒、1を緑、-1をマゼンタ、無限遠点を白で色分けしています。 ここで、Hは色相、Sは彩度、Lは明度です。関数にはいくつかの選択肢があります。 :[0,\infty )\to [0,1)} 。 厳密に単調かつ連続であるべきである。もう1つの望ましい特性は関数の逆関数が元の関数の暗さと同じ明るさになる(そしてその逆も然り)。考えられる選択肢には以下のようなものがある。
この特性を持たない一般的な選択肢は関数です(いくつかのパラメータ付き)) これはそして非常に近い。
このアプローチでは、HSL(色相、彩度、明度)カラーモデルを使用します。彩度は常に最大値の100%に設定されます。虹の鮮やかな色は複素単位円上で連続的に回転するため、1の6乗根(1から始まる)は、緑、シアン、青、マゼンタ、赤、黄となります。
HSLカラースペースは知覚的に均一ではないため、黄色、シアン、マゼンタの明るさにムラが見られ(絶対値は赤、緑、青と同じであるにもかかわらず)、L = 1/2付近にハローが発生します。LabカラースペースやCIECAM02などのより現代的なカラースペースでは、この問題を修正し、画像がより正確で彩度が低くなります。
多くのカラーグラフには不連続点があり、明るさや色が均一に変化するのではなく、関数自体は滑らかであっても突然変化します。これは、より詳細な情報を表示したり、レベルセットなどの関数の特定の側面を強調したりするなど、さまざまな理由で行われます。

引数は有限の範囲を持つのに対し、複素数の大きさは0から∞まで変化します。そのため、大きさの範囲が広い関数では、グラフ上で非常に大きな変化が示される場合、大きさの変化を区別するのが難しい場合があります。これは、与えられた方程式に基づいて大きさの明るさのパターンを繰り返す不連続な色関数を使用することで解決できます。これにより、小さな変化だけでなく、より大きな大きさに「不連続にジャンプ」する大きな変化も容易に確認できます。右側のグラフでは、これらの不連続性は中心の周りの円で発生し、グラフが暗くなり、その後再び明るくなり始める様子を示しています。記事上部のグラフにも同様の色関数が使用されています。
不連続性を決定する方程式は、すべての整数値に対して線形方程式、すべての値に対して指数方程式などである。ここでnは整数、またはその他の任意の方程式です。
出力が特定の特性を持つ場所に不連続点を配置することで、グラフのどの部分がその特性を持っているかを強調できます。たとえば、グラフがシアン色を表示する代わりに、緑から青にジャンプする場合があります。これにより、簡単に見つけられる不連続点が発生し、引数がゼロである箇所などの線を強調できます。[ 8 ]不連続点は、カラーホイールがグラフを4つの象限に分割するグラフなど、グラフの大部分に影響を与える場合もあります。このようにして、各象限が他の象限とどのような関係にあるかを簡単に示すことができます。[ 9 ]
色覚異常のある人は、標準的なカラーマップで作成されたグラフを解釈するのが難しい場合があります。[ 10 ] [ 11 ]この問題は、色覚異常のある人が識別できる色空間に合うカラーマップを使用して代替バージョンを作成することで部分的に解決できます。[ 12 ]例えば、完全な第二色覚異常のある人が使用する場合は、青/灰色/黄色に基づくカラーマップの方が、従来の青/緑/赤に基づくマップよりも読みやすい場合があります。[ 12 ]