Перейти к содержанию

Тета-функция

Материал из Мегавики — свободной энциклопедии
Оригинальная тета-функция Якоби θ1 с u=iπz и номом[англ.] q=eiπτ=0,1e0,1iπ}}. Соглашения:
θ1(u;q)=2q14n=0(1)nqn(n+1)sin(2n+1)u=n=n=(1)n12q(n+12)2e(2n+1)iu

Тета-функции — это специальные функции от нескольких комплексных переменных. Они играют важную роль во многих областях, включая теории абелевых многообразий, пространства модулей и квадратичных форм. Они применяются также в теории солитонов. После обобщения к алгебре Грассмана функции появляются также в квантовой теории поля[1].

Наиболее распространённый вид тета-функций — это функции, встречающиеся в теории эллиптических функций. По отношению к одной из комплексных переменных (обычно обозначаемой z) тета-функция имеет свойство, выражающееся в сложении периодов ассоциированных эллиптических функций, что делает их квазипериодическими[англ.]*. В абстрактной теории это получается из условия линейного расслоения[англ.] понижения[англ.].

Тета-функция Якоби[править]

Тета-функция 1 Якоби
Тета-функция 2 Якоби
Тета-функция 3 Якоби
Тета-функция 4 Якоби

Имеется несколько связанных функций, которые называются тета-функциями Якоби, и много различных и несовместимых систем их обозначения. Одна тета-функция Якоби (названа именем Карла Густава Якоби), это функция, определённая от двух комплексных переменных z и τ, где z может быть любым комплексным числом, а τ ограничена верхней половиной плоскости, что означает, что число имеет положительную мнимую часть. Функция задаётся формулой

ϑ(z;τ)=n=exp(πin2τ+2πinz)==1+2n=1(eπiτ)n2cos(2πnz)=n=qn2ηn,

где q=exp(πiτ) и η=exp(2πiz). Функция является формой Якоби[англ.]. Если фиксировать τ, функция становится рядом Фурье для периодической целой функции от z с периодом 1. В этом случае тета-функция удовлетворяет тождеству

ϑ(z+1;τ)=ϑ(z;τ).

Функция ведёт себя очень регулярно с учётом квазипериода τ и удовлетворяет функциональному уравнению

ϑ(z+a+bτ;τ)=exp(πib2τ2πibz)ϑ(z;τ),

где a и b — целые числа.

Тета-функция θ1 с различными номами[англ.] q=eiπτ. Чёрная точка на правом рисунке показывает, как меняется q при изменении τ
Тета-функция θ1 с различными номами[англ.] q=eiπτ. Чёрная точка на правом рисунке показывает, как меняется q при изменении τ

Вспомогательные функции[править]

Тета-функция Якоби, определённая выше, иногда рассматривается вместе с тремя дополнительными тета-функциями и в этом случае записывается с дополнительным индексом 0:

ϑ00(z;τ)=ϑ(z;τ)

Дополнительные (полупериодичные) функции определяются формулами

ϑ01(z;τ)=ϑ(z+12;τ)ϑ10(z;τ)=exp(14πiτ+πiz)ϑ(z+12τ;τ)ϑ11(z;τ)=exp(14πiτ+πi(z+12))ϑ(z+12τ+12;τ).

Этим обозначениям следовали Риман и Мамфорд. Первоначальная формулировка Якоби была в терминах нома[англ.] q=eiπτ, а не τ. В обозначениях Якоби θ-функции записываются в виде:

θ1(z;q)=ϑ11(z;τ)θ2(z;q)=ϑ10(z;τ)θ3(z;q)=ϑ00(z;τ)θ4(z;q)=ϑ01(z;τ)

Приведённые выше определения тета-функции Якоби далеко не единственные. См. статью Тета-функции Якоби (вариации обозначений)[англ.] с дальнейшим обсуждением.

Если мы положим z=0 в тета-функциях выше, мы получим четыре функции, зависящие только от τ и определённые на верхней полуплоскости (которые иногда называются тета-константами.) Они могут быть использованы для определения различных модулярных форм и для параметризации некоторых кривых. В частности, тождество Якоби

ϑ00(0;τ)4=ϑ01(0;τ)4+ϑ10(0;τ)4

является кривой Ферма четвёртой степени.

Тождества Якоби[править]

Тождества Якоби описывают, как тета-функции преобразуются модулярной группой, которая порождается отображениями ττ+1 и τ1τ. Тождества для первого преобразования найти легко, поскольку добавление единицы в показателе к τ имеет тот же эффект, что и добавление 12 к z (nn2 mod 2). Во втором случае положим

α=(iτ)12exp(πτiz2).

Тогда

ϑ00(zτ;1τ)=αϑ00(z;τ)ϑ01(zτ;1τ)=αϑ10(z;τ)ϑ10(zτ;1τ)=αϑ01(z;τ)ϑ11(zτ;1τ)=iαϑ11(z;τ).

Тета-функции в терминах нома[править]

Вместо выражения тета-функций в терминах z и τ мы можем выразить их в терминах аргумента w и нома[англ.] q, где w=eπiz, а q=eπiτ. В этом случае функции превращаются в

ϑ00(w,q)=n=(w2)nqn2ϑ01(w,q)=n=(1)n(w2)nqn2ϑ10(w,q)=n=(w2)n+12q(n+12)2ϑ11(w,q)=in=(1)n(w2)n+12q(n+12)2.

Мы видим, что тета-функции можно определить в терминах w и q без прямой ссылки на экспоненциальную функцию. Формулы могут быть использованы, поэтому, для определения тета-функций над другими полями, где экспоненциальная функция может быть не везде определена, такими как поле p-адических чисел.

Представления произведений[править]

Тройное произведение Якоби (специальный случай тождеств Макдональда[англ.]) говорит нам, что для комплексных чисел w и q с |q|<1 и w0 мы имеем

m=1(1q2m)(1+w2q2m1)(1+w2q2m1)=n=w2nqn2.

Это можно доказать элементарными средствами, как, например, в книге Харди и Райта An Introduction to the Theory of Numbers[англ.].

Если мы выразим тета-функцию в терминах томов q=eπiτ и w=eπiz, то

ϑ(z;τ)=n=exp(πiτn2)exp(2πizn)=n=w2nqn2.

Мы поэтому получаем формулу произведения для тета-функции вида

ϑ(z;τ)=m=1(1exp(2mπiτ))(1+exp((2m1)πiτ+2πiz))(1+exp((2m1)πiτ2πiz)).

В терминах w и q:

ϑ(z;τ)=m=1(1q2m)(1+q2m1w2)(1+q2m1w2)=(q2;q2)(w2q;q2)(qw2;q2)=(q2;q2)θ(w2q;q2)

где (;) является q-символом Похгаммера, а θ(;) является q-тета-функцией[англ.]. Если раскрыть скобки, тройное произведение Якоби получит вид

m=1(1q2m)(1+(w2+w2)q2m1+q4m2),

что можно также переписать в виде

ϑ(zq)=m=1(1q2m)(1+2cos(2πz)q2m1+q4m2).

Эта формула верна для общего случая, но представляет особый интерес при вещественных z. Аналогичные формулы произведений для дополнительных тета-функций

ϑ01(zq)=m=1(1q2m)(12cos(2πz)q2m1+q4m2),ϑ10(zq)=2q14cos(πz)m=1(1q2m)(1+2cos(2πz)q2m+q4m),ϑ11(zq)=2q14sin(πz)m=1(1q2m)(12cos(2πz)q2m+q4m).

Целочисленные представления[править]

Тета-функции Якоби имеют следующие интегральные представления:

ϑ00(z;τ)=iii+eiπτu2cos(2uz+πu)sin(πu)du;ϑ01(z;τ)=iii+eiπτu2cos(2uz)sin(πu)du;ϑ10(z;τ)=ieiz+14iπτii+eiπτu2cos(2uz+πu+πτu)sin(πu)du;ϑ11(z;τ)=eiz+14iπτii+eiπτu2cos(2uz+πτu)sin(πu)du.

Явные значения[править]

См. статью Йи (2004)[2].

φ(eπx)=ϑ(0;ix)=θ3(0;eπx)=n=exπn2φ(eπ)=π4Γ(34)φ(e2π)=6π+42π42Γ(34)φ(e3π)=27π+183π43Γ(34)φ(e4π)=8π4+2π44Γ(34)φ(e5π)=225π+1005π45Γ(34)φ(e6π)=32+334+23274+1728443243π2861+6236Γ(34)

Некоторые тождества с рядами[править]

Следующие два тождества для рядов доказал Иштван Мезо[3]:

ϑ42(q)=iq14k=q2k2kϑ1(2k12ilnq,q),ϑ42(q)=k=q2k2ϑ4(klnqi,q).

Эти отношения выполняются для всех 0 < q < 1. Фиксируя значения q, мы получим следующие свободные от параметров суммы

πeπ21Γ2(34)=ik=eπ(k2k2)ϑ1(iπ2(2k1),eπ),π21Γ2(34)=k=ϑ4(ikπ,eπ)e2πk2

Нули тета-функций Якоби[править]

Все нули тета-функций Якоби являются простыми нулями и задаются следующим образом:

ϑ(z,τ)=ϑ3(z,τ)=0z=m+nτ+12+τ2ϑ1(z,τ)=0z=m+nτϑ2(z,τ)=0z=m+nτ+12ϑ4(z,τ)=0z=m+nτ+τ2,

где m, n являются произвольными целыми.

Связь с дзета-функцией Римана[править]

Соотношение

ϑ(0;1τ)=(iτ)12ϑ(0;τ)

использовал Риман для доказательства функционального уравнения для дзета-функции Римана посредством преобразования Меллина

Γ(s2)πs2ζ(s)=120(ϑ(0;it)1)ts2dtt

и можно показать, что преобразование инвариантно относительно замены s на 1 − s. Cоответствующий интеграл для z ≠ 0 дан в статье о дзета-функции Гурвица.

Связь с эллиптической функцией Вейерштрасса[править]

Тета-функции использовал Якоби для построения (в виде, приспособленном для упрощения вычислений) его эллиптических функций как частные вышеприведённых четырёх тета-функций, и он мог их использовать также для построения эллиптических функций Вейерштрасса, поскольку

(z;τ)=(logϑ11(z;τ))+c,

где вторая производная берётся по z, а константа c определена так, что ряд Лорана функции ℘(z) в точке z = 0 имеет нулевой постоянный член.

Связь с q-гамма функцией[править]

Четвёртая тета-функция – а тогда и остальные – неразрывно связана с q-гамма-функцией Джексона[англ.] соотношением[4].

(Γq2(x)Γq2(1x))1=q2x(1x)(q2;q2)3(q21)ϑ4(12i(12x)logq,1q).

Связь с эта-функцией Дедекинда[править]

Пусть η(τ)эта-функция Дедекинда[англ.], а аргумент тета-функции представлен как ном[англ.] q=eπiτ. Тогда

θ2(0,q)=ϑ10(0;τ)=2η2(2τ)η(τ),θ3(0,q)=ϑ00(0;τ)=η5(τ)η2(12τ)η2(2τ)=η2(12(τ+1))η(τ+1),θ4(0,q)=ϑ01(0;τ)=η2(12τ)η(τ),

и

θ2(0,q)θ3(0,q)θ4(0,q)=2η3(τ).

См. также статью о модулярных функциях Вебера.

Эллиптический модуль[править]

J-инвариант[англ.] равен

k(τ)=ϑ10(0,τ)2ϑ00(0,τ)2,

а дополнительный эллиптический модуль равен

k(τ)=ϑ01(0,τ)2ϑ00(0,τ)2

Решение теплового уравнения[править]

Тета-функция Якоби является фундаментальным решением одномерного уравнения теплопроводности с пространственными периодическими граничными условиями[5]. Принимая z=x вещественным, а τ=it с вещественным и положительным t, мы можем записать

ϑ(x,it)=1+2n=1exp(πn2t)cos(2πnx),

что решает уравнение теплопроводности

tϑ(x,it)=14π2x2ϑ(x,it).

Это решение в виде тета-функции является 1-периодическим по x, и при t0 оно стремится к периодической дельта-функции или гребню Дирака в смысле распределений

limt0ϑ(x,it)=n=δ(xn).

Общие решения для задачи с пространственными периодическими начальными значениями для уравнения теплопроводности могут быть получены путём свёртки начальных данных в t=0 с тета-функцией.

Связь с группой Гейзенберга[править]

Тета-функция Якоби является инвариантом при действии дискретной подгруппы группы Гейзенберга. Эта инвариантность представлена в статье о тета-представлении[англ.] группы Гейзенберга.

Обобщения[править]

Если F является квадратичной формой от n переменных, то тета-функция, связанная с F, равна

θF(z)=mne2πizF(m)

с суммой по решётке целых чисел n. Эта тета-функция является модулярной формой с весом n2 (на надлежащим образом определённой подгруппе) модулярной группы. В разложении в ряд Фурье

θ^F(z)=k=0RF(k)e2πikz,

числа RF(k) называются числами представления формы.

Тета-функция Рамануджана[править]

Риманова тета-функция[править]

Пусть

n={FM(n,)|F=FT,ImF>0}

является множеством симметричных квадратных матриц, мнимая часть которых положительно определена. n называется верхним полупространством Зигеля[англ.] и является многомерным аналогом верхней полуплоскости. n-Мерным аналогом модулярной группы является симплектическая группа Sp(2n,). Для n=1Sp(2,)=SL(2,). Роль n-мерного аналога конгруэнтных подгрупп играет

ker{Sp(2n,)Sp(2n,/k)}.

Тогда, если дано τn, тета-функция Римана определяется как

θ(z,τ)=mnexp(2πi(12mTτm+mTz)).

Здесь zn является n-мерным комплексным вектором, а верхний индекс T означает транспонирование. Тета-функция Якоби является тогда частным случаем с n=1 и τ, где является верхней полуплоскостью.

Тета-функция Римана сходится абсолютно и равномерно на компактных подмножествах n×n.

Функциональное уравнение функции

θ(z+a+τb,τ)=exp2πi(bTz12bTτb)θ(z,τ)

которое выполняется для всех векторов a,bn и для всех zn}} и τn.

Ряд Пуанкаре[править]

Ряд Пуанкаре[англ.] обобщает тета-ряд на автоморфные формы применительно к произвольным фуксовым группам.

Примечания[править]

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

Литература[править]

  • Yousuke Ohyama. Differential relations of theta functions // Osaka Journal of Mathematics. — 1995. — Т. 32, вып. 2. — С. 431–450. — ISSN 0030-6126.
  • Milton Abramowitz, Irene A. Stegun. sec. 16.27ff. // Handbook of Mathematical Functions. — New York: Dover Publications, 1964. — ISBN 0-486-61272-4.
  • Ахиезер Н. И. Элементы теории эллиптических функций. — Москва: «Наука» Главная редакция физико-математической литературы, 1970. — (Физико-математическая библиотека инженера). — ISBN 0-8218-4532-2.
  • Hershel M. Farkas, Irwin Kra. ch. 6 // Riemann Surfaces. — New York: Springer-Verlag, 1980. — ISBN 0-387-90465-4.. (обсуждение тета-функции Римана)
  • Hardy G. H., Wright E. M. An Introduction to the Theory of Numbers. — 4th. — Oxford: Clarendon Press, 1959.
  • David Mumford. Tata Lectures on Theta I. — Boston: Birkhauser, 1983. — ISBN 3-7643-3109-7.
  • James Pierpont. Functions of a Complex Variable. — New York: Dover Publications, 1959.
  • Harry E. Rauch, Hershel M. Farkas. Theta Functions with Applications to Riemann Surfaces. — Baltimore: Williams & Wilkins, 1974. — ISBN 0-683-07196-3.
  • William P. Reinhardt, Peter L. Walker. Theta Functions // NIST Handbook of Mathematical Functions / Frank W. L. Oliver, Daniel M. Lozier, Ronald F. Boisvert, Charles W. Clark. — Cambridge University Press, 2010. — ISBN 978-0521192255,.
  • Whittaker E. T., Watson G. N. ch. 21 // A Course in Modern Analysis. — 4th. — Cambridge: Cambridge University Press, 1927. (история θ-функций Якоби)
  • Jinhee Yi. Theta-function identities and the explicit formulas for theta-function and their applications // Journal of Mathematical Analysis and Applications. — 2004. — Т. 292. — С. 381–400. — doi:10.1016/j.jmaa.2003.12.009.
  • István Mező. A q-Raabe formula and an integral of the fourth Jacobi theta function // Journal of Number Theory. — 2012. — Т. 133, вып. 2. — С. 692–704. — doi:10.1016/j.jnt.2012.08.025.
  • István Mező. Duplication formulae involving Jacobi theta functions and Gosper's q-trigonometric functions // Proceedings of the American Mathematical Society. — 2013. — Т. 141, вып. 7. — С. 2401–2410. — doi:10.1090/s0002-9939-2013-11576-5.

Литература для дальнейшего чтения[править]

  • Тета-функции, Якоби эллиптические функции // Математическая энциклопедия / Виноградов И. В.. — Советская энциклопедия, 1985. — Т. 5. — (Энциклопедии, словари, справочники).
  • Прасолов В. В., Соловьёв Ю. П. Алгебраические уравнения и тета-функции. — М.: МК НМУ, 1994.
  • Hershel M. Farkas. Theta functions in complex analysis and number theory // Surveys in Number Theory / Krishnaswami Alladi. — Springer-Verlag, 2008. — Т. 17. — С. 57–87. — (Developments in Mathematics). — ISBN 978-0-387-78509-7.
  • Bruno Schoeneberg. IX. Theta series // Elliptic modular functions. — Springer-Verlag, 1974. — Т. 203. — С. 203–226. — (Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften). — ISBN 3-540-06382-X.
  • Тюрин А. Н. Квантование, классическая и квантовая теория поля и тета-функции. — М., 2003.

Ссылки[править]