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 .
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.
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-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
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 .
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
Jacobi theta-funktionerna har följande integrerade representationer:
Se Yi (2004) [2] .
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
Alla nollor i Jacobi theta-funktionerna är enkla nollor och definieras enligt följande:
,där m , n är godtyckliga heltal.
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 .
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.
Den fjärde thetafunktionen - och sedan resten - är oupplösligt kopplad till Jackson q -gammafunktionen relationen [4] .
Låt vara Dedekind eta-funktionen , och låt theta-funktionsargumentet representeras som nom . Sedan
och
Se även artikeln om Webers modulära funktioner .
J-invarianten är lika
,och den ytterligare elliptiska modulen är
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.
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.
Om F är en kvadratisk form i n variabler, så är theta-funktionen associerad med F
med summan över gittret av heltal ℤ 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 .
Låta
är mängden symmetriska kvadratiska matriser vars imaginära del är positiv bestämd . ℍ 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 , ℤ ) . 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 .
Poincaré-serien generaliserar thetaserien till automorfa former som tillämpas på godtyckliga fuchsiska grupper .