Theta funktion

Theta-funktioner är specialfunktioner för flera komplexa variabler . De spelar en viktig roll inom många områden, inklusive teorin om abelska varianter , modulutrymmen och kvadratiska former . De tillämpas också i teorin om solitoner . Efter generalisering till Grassmann-algebra förekommer funktioner även i kvantfältteorin [1] .

Den vanligaste typen av theta-funktioner är de som finns i teorin om elliptiska funktioner . Med avseende på en av de komplexa variablerna (vanligtvis betecknad z ), har theta-funktionen egenskapen att addera perioderna för de associerade elliptiska funktionerna, vilket gör dem kvasi-periodiska . I abstrakt teori erhålls detta från linjebuntsvillkoret droppen .

Jacobi theta funktion

Det finns flera relaterade funktioner, kallade Jacobi theta-funktionerna, och många olika och inkompatibla notationssystem. En Jacobi theta-funktion (uppkallad efter Carl Gustav Jacobi ), är en funktion definierad från två komplexa variabler z och , där z kan vara vilket komplext tal som helst , och är begränsad till den övre halvan av planet , vilket betyder att talet har ett positivt tal. imaginär del. Funktionen ges av formeln

var och . Funktionen är en Jacobi-form . Om vi ​​fixar , blir funktionen en Fourierserie för en periodisk hel funktion av z med period 1. I detta fall uppfyller theta-funktionen identiteten

Funktionen uppträder mycket regelbundet, med hänsyn till kvasiperioden , och uppfyller den funktionella ekvationen

där a och b  är heltal.

Hjälpfunktioner

Jacobi theta-funktionen som definieras ovan betraktas ibland tillsammans med tre ytterligare theta-funktioner, i vilket fall den skrivs med ett extra index 0:

Ytterligare (halvperiodiska) funktioner definieras av formlerna

Dessa notationer följdes av Riemann och Mumford . Jacobis ursprungliga formulering var i termer av nome , inte . I Jacobi-notation skrivs θ -funktioner som:

Ovanstående definitioner av Jacobi theta-funktionen är långt ifrån de enda. Se artikeln Jacobi Theta funktioner (variationer av notation) för ytterligare diskussion.

Om vi ​​lägger in theta-funktionerna ovan får vi fyra funktioner som endast beror på och definieras på det övre halvplanet (som ibland kallas theta-konstanter.) Dessa kan användas för att definiera olika modulära former och för att parametrisera några kurvor. I synnerhet Jacobi-identiteten

är en fjärdegrads Fermat-kurva .

Jacobi-identiteter

Jacobi-identiteterna beskriver hur theta-funktionerna transformeras av den modulära gruppen , som genereras av mappningarna och . Identiteterna för den första transformationen är lätta att hitta, eftersom att lägga till en till exponenten k har samma effekt som att lägga till en till z ( mod 2). I det andra fallet sätter vi

Sedan

Theta fungerar i termer av en nome

Istället för att uttrycka theta-funktioner i termer av z och , kan vi uttrycka dem i termer av argumentet w och nome q , där , och . I det här fallet blir funktionerna

Vi ser att thetafunktionerna kan definieras i termer av w och q utan direkt hänvisning till exponentialfunktionen. Formler kan därför användas för att definiera theta-funktioner över andra fält där exponentialfunktionen kanske inte är definierad överallt, till exempel fältet för p -adiska tal .

Representationer av verk

Jacobi-trippelprodukten (ett specialfall av Macdonald-identiteterna ) säger oss att för komplexa tal w och q med och vi har

Detta kan bevisas med elementära medel, som till exempel i Hardy och Wrights An Introduction to the Theory of Numbers .

Om vi ​​uttrycker theta-funktionen i termer av volymer och , då

Vi får därför en produktformel för formens thetafunktion

När det gäller w och q :

var är q -Pochhammer-symbolen och är q -theta-funktionen . Om fästena öppnas kommer Jacobi trippelprodukten att ta formen

som också kan skrivas om som

Denna formel är sann för det allmänna fallet, men är av särskilt intresse för verkliga z . Liknande produktformler för ytterligare theta-funktioner

Heltalsrepresentationer

Jacobi theta-funktionerna har följande integrerade representationer:

Explicita värden

Se Yi (2004) [2] .

Vissa identiteter med serier

Följande två identiteter för serier bevisades av Istvan Mezo [3] :

Dessa relationer gäller för alla 0 < q < 1 . Genom att fixa q -värdena får vi följande parameterfria summor

Nollor av Jacobi theta-funktioner

Alla nollor i Jacobi theta-funktionerna är enkla nollor och definieras enligt följande:

,

där m , n är godtyckliga heltal.

Relation till Riemann zeta-funktionen

Förhållande

använde Riemann för att bevisa den funktionella ekvationen för Riemann zeta-funktionen via Mellin-transformen

och det kan visas att transformationen är invariant under ändringen av s till 1 − s . Motsvarande integral för z ≠ 0 ges i artikeln om Hurwitz zeta-funktionen .

Anslutning med Weierstrass elliptiska funktion

Theta-funktioner användes av Jacobi för att konstruera (i en form anpassad för att förenkla beräkningar) hans elliptiska funktioner som partier av ovanstående fyra theta-funktioner, och han kunde också använda dem för att konstruera Weierstrass elliptiska funktioner , eftersom

,

där andraderivatan tas med avseende på z , och konstanten c definieras så att Laurent-serien för funktionen ℘( z ) i punkten z = 0 har en nollkonstantled.

Relation med q -gamma-funktionen

Den fjärde thetafunktionen - och sedan resten - är oupplösligt kopplad till Jackson q -gammafunktionen relationen [4] .

Släktskap med Dedekinds eta-funktion

Låt vara Dedekind eta-funktionen , och låt theta-funktionsargumentet representeras som nom . Sedan

och

Se även artikeln om Webers modulära funktioner .

Elliptisk modul

J-invarianten är lika

,

och den ytterligare elliptiska modulen är

Lösning av den termiska ekvationen

Jacobi theta-funktionen är en grundläggande lösning av den endimensionella värmeekvationen med rumsliga periodiska randvillkor [5] . Med verklig, och med verklig och positiv t , kan vi skriva

,

vad löser värmeekvationen

Denna theta-lösning är 1-periodisk i x och tenderar till en periodisk deltafunktion eller Dirac-kam i betydelsen fördelningar

.

Allmänna lösningar för problemet med rumsliga periodiska initiala värden för värmeekvationen kan erhållas genom att konvolvera initialdata med theta-funktionen.

Anslutning till Heisenberg-gruppen

Jacobi theta-funktionen är invariant under verkan av en diskret undergrupp av Heisenberg-gruppen . Denna invarians presenteras i artikeln om theta-representationen av Heisenberg-gruppen.

Generaliseringar

Om F är en kvadratisk form i n variabler, så är theta-funktionen associerad med F

med summan över gittret av heltal n . Denna theta-funktion är en modulär form med vikten (på en korrekt definierad undergrupp) av den modulära gruppen . I en Fourier-serie expansion

talen kallas formrepresentationsnummer .

Ramanujans theta-funktion

Riemannsk theta-funktion

Låta

är mängden symmetriska kvadratiska matriser vars imaginära del är positiv bestämd . n kallas det övre Siegel-halvrummet och är den högre dimensionella analogen av det övre halvplanet . Den n -dimensionella analogen av den modulära gruppen är den symboliska gruppen Sp(2 n , ) . För . Rollen för den n -dimensionella analogen av kongruenta undergrupper spelas av

Sedan, om den ges , definieras Riemann theta-funktionen som

Här är en n -dimensionell komplex vektor, och det upphöjda T betyder transponera . Jacobi theta-funktionen är då ett specialfall med och , där är det övre halvplanet av .

Riemann theta-funktionen konvergerar absolut och enhetligt på kompakta delmängder .

Funktionell ekvation för en funktion

som gäller för alla vektorer och för alla }} och .

Poincare-serien

Poincaré-serien generaliserar thetaserien till automorfa former som tillämpas på godtyckliga fuchsiska grupper .

Anteckningar

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

Litteratur

Läsning för vidare läsning

Länkar