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 .
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.
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 .
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
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 .
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
Funkce Jacobi theta mají následující integrální reprezentace:
Viz Yi (2004) [2] .
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
Všechny nuly funkcí Jacobi theta jsou jednoduché nuly a jsou definovány takto:
,kde m , n jsou libovolná celá čísla.
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 .
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.
Čtvrtá funkce theta - a pak zbytek - je nerozlučně spojena s Jacksonovou q -gama funkcí vztahem [4] .
Nechť je funkce Dedekind eta a argument funkce theta je reprezentován jako nom . Pak
a
Viz také článek o modulárních funkcích Weber .
J-invariant je roven
,a dodatečný eliptický modul je
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.
Funkce Jacobi theta je invariantní při působení jednotlivé podgrupy Heisenbergovy grupy . Tato invariance je prezentována v článku o theta reprezentaci Heisenbergovy skupiny.
Jestliže F je kvadratická forma v n proměnných, pak theta funkce spojená s F je
se součtem nad mřížkou celých čísel ℤ 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 .
Nechat
je množina symetrických čtvercových matic , jejichž imaginární část je kladně definitní . ℍ n se nazývá horní Siegelův poloprostor a je vícerozměrnou analogií horní poloroviny . N - rozměrnou analogií modulární grupy je symplektická grupa Sp(2 n , ℤ ) . 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 .
Poincaré série zobecňuje theta sérii na automorfní formy , jak je aplikováno na libovolné fuchsovské grupy .