Theta funkce

Theta funkce jsou speciální funkce několika komplexních proměnných . Hrají důležitou roli v mnoha oblastech, včetně teorie abelových variet , moduli prostorů a kvadratických forem . Uplatňují se také v teorii solitonů . Po zobecnění na Grassmannovu algebru se funkce objevují také v kvantové teorii pole [1] .

Nejběžnějším druhem funkcí theta jsou ty, které se nacházejí v teorii eliptických funkcí . S ohledem na jednu z komplexních proměnných (obvykle označovanou z ), funkce theta má tu vlastnost, že sčítá periody souvisejících eliptických funkcí, čímž je činí kvaziperiodickými . V abstraktní teorii se to získá z podmínky svazku čar kapky .

Funkce Jacobi theta

Existuje několik souvisejících funkcí, nazývaných funkce Jacobi theta, a mnoho různých a nekompatibilních systémů zápisu. Jedna funkce Jacobi theta (pojmenovaná podle Carla Gustava Jacobiho ) je funkce definovaná ze dvou komplexních proměnných z a , kde z může být libovolné komplexní číslo a je omezena na horní polovinu roviny , což znamená, že číslo má kladné číslo. imaginární část. Funkce je dána vzorcem

kde a . Funkce je Jacobiho forma . Pokud zafixujeme , funkce se stane Fourierovou řadou pro periodickou celou funkci z s periodou 1. V tomto případě funkce theta splňuje identitu

Funkce se chová velmi pravidelně, bere v úvahu kvaziperiodu a splňuje funkcionální rovnici

kde a a b  jsou celá čísla.

Pomocné funkce

Funkce Jacobi theta definovaná výše je někdy uvažována společně se třemi dalšími funkcemi theta, v takovém případě je zapsána s dalším indexem 0:

Přídavné (semiperiodické) funkce jsou definovány vzorci

Tyto zápisy následovali Riemann a Mumford . Jacobiho původní formulace byla z hlediska nome , nikoli . V Jacobiho zápisu se θ -funkce zapisují jako:

Výše uvedené definice funkce Jacobi theta nejsou zdaleka jediné. Další diskuzi naleznete v článku Funkce Jacobi Theta (obměny zápisu)

Pokud vložíme theta funkce výše, dostaneme čtyři funkce závislé pouze na a definované na horní polorovině (které se někdy nazývají theta konstanty). Ty lze použít k definování různých modulárních forem a k parametrizaci některých křivek. Zejména identita Jacobi

je Fermatova křivka čtvrtého stupně .

Jacobi identity

Jacobiho identity popisují, jak jsou funkce theta transformovány modulární skupinou , která je generována mapováním a . Identity pro první transformaci lze snadno najít, protože přidání jedničky k exponentu k má stejný účinek jako přidání jedničky k z ( mod 2). V druhém případě klademe

Pak

Theta funguje z hlediska nome

Namísto vyjádření theta funkcí pomocí z a , můžeme je vyjádřit pomocí argumentu w a nome q , kde , a . V tomto případě se funkce stanou

Vidíme, že funkce theta lze definovat pomocí w a q bez přímého odkazu na exponenciální funkci. Vzorce lze proto použít k definování funkcí theta nad jinými poli , kde exponenciální funkce nemusí být všude definována, jako je pole p -adických čísel .

Reprezentace děl

Jacobiho trojný součin (speciální případ Macdonaldových identit ) nám říká, že pro komplexní čísla w a q s a máme

To lze dokázat elementárními prostředky, jako například v Hardyho a Wrightově Úvodu do teorie čísel .

Pokud vyjádříme funkci theta pomocí objemů a , pak

Získáme tedy součinový vzorec pro theta funkci formy

Z hlediska waq : _

kde je symbol q -Pochhammer a je funkce q -theta . Pokud se závorky otevřou, získá se trojitý produkt Jacobi

který lze také přepsat jako

Tento vzorec platí pro obecný případ, ale je zvláště zajímavý pro skutečné z . Podobné produktové vzorce pro další funkce theta

Celočíselné reprezentace

Funkce Jacobi theta mají následující integrální reprezentace:

Explicitní hodnoty

Viz Yi (2004) [2] .

Některé identity se sériemi

Následující dvě identity pro série byly prokázány Istvanem Mezo [3] :

Tyto vztahy platí pro všechny 0 < q < 1 . Opravením hodnot q získáme následující součty bez parametrů

Nuly funkcí Jacobi theta

Všechny nuly funkcí Jacobi theta jsou jednoduché nuly a jsou definovány takto:

,

kde m , n jsou libovolná celá čísla.

Vztah k Riemannově funkci zeta

Poměr

použil Riemanna k prokázání funkční rovnice pro Riemannovu zeta funkci prostřednictvím Mellinovy ​​transformace

a lze ukázat, že transformace je invariantní při změně s na 1 − s . Odpovídající integrál pro z ≠ 0 je uveden v článku o Hurwitzově zeta funkci .

Spojení s Weierstrassovou eliptickou funkcí

Theta funkce použil Jacobi ke konstrukci (ve formě přizpůsobené pro zjednodušení výpočtů) svých eliptických funkcí jako částečných částí výše uvedených čtyř theta funkcí a mohl je také použít ke konstrukci Weierstrassových eliptických funkcí , protože

,

kde druhá derivace je vzata vzhledem k z a konstanta c je definována tak, že Laurentova řada funkce ℘( z ) v bodě z = 0 má nulový konstantní člen.

Vztah s funkcí q -gamma

Čtvrtá funkce theta - a pak zbytek - je nerozlučně spojena s Jacksonovou q -gama funkcí vztahem [4] .

Vztah s Dedekindovou eta-funkcí

Nechť je funkce Dedekind eta a argument funkce theta je reprezentován jako nom . Pak

a

Viz také článek o modulárních funkcích Weber .

Eliptický modul

J-invariant je roven

,

a dodatečný eliptický modul je

Řešení tepelné rovnice

Jacobiho theta funkce je základním řešením jednorozměrné rovnice tepla s prostorovými periodickými okrajovými podmínkami [5] . Vezmeme-li skutečné a se skutečným a kladným t , můžeme psát

,

co řeší rovnici tepla

Toto theta řešení je 1-periodické v x a má tendenci k periodické delta funkci nebo Diracově hřebenu ve smyslu rozdělení

.

Obecná řešení problému s prostorovými periodickými počátečními hodnotami pro rovnici tepla lze získat konvolací počátečních dat s funkcí theta.

Spojení se skupinou Heisenberg

Funkce Jacobi theta je invariantní při působení jednotlivé podgrupy Heisenbergovy grupy . Tato invariance je prezentována v článku o theta reprezentaci Heisenbergovy skupiny.

Zobecnění

Jestliže F je kvadratická forma v n proměnných, pak theta funkce spojená s F je

se součtem nad mřížkou celých čísel n . Tato funkce theta je modulární formou s váhou (na správně definované podskupině) modulární skupiny . V rozšíření Fourierovy řady

čísla se nazývají čísla reprezentující formu .

Ramanujanova funkce theta

Riemannovská funkce theta

Nechat

je množina symetrických čtvercových matic , jejichž imaginární část je kladně definitní . n se nazývá horní Siegelův poloprostor a je vícerozměrnou analogií horní poloroviny . N - rozměrnou analogií modulární grupy je symplektická grupa Sp(2 n , ) . Pro . Roli hraje n - rozměrná analogie kongruentních podgrup

Pak, je-li dáno , je Riemannova theta funkce definována jako

Zde je n - rozměrný komplexní vektor a horní index T znamená transponovat . Funkce Jacobi theta je pak speciální případ s a , kde je horní polorovina .

Riemannova funkce theta konverguje absolutně a rovnoměrně na kompaktních podmnožinách .

Funkční rovnice funkce

což platí pro všechny vektory a pro všechny }} a .

Poincare série

Poincaré série zobecňuje theta sérii na automorfní formy , jak je aplikováno na libovolné fuchsovské grupy .

Poznámky

  1. Tyurin, 2003 .
  2. Yi, 2004 , str. 381–400.
  3. Mező, 2013 , str. 2401–2410.
  4. Mező, 2012 , str. 692–704.
  5. Ohyama, 1995 , s. 431–450.

Literatura

Čtení pro další čtení

Odkazy