复变函数的阿达马因子分解定理
我们先从最基础的概念开始。阿达马因子分解定理是描述整函数(在整个复平面上解析的函数)如何分解为因子的重要定理。为了理解它,我们需要先回顾几个预备概念。
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整函数的基本概念
整函数是在整个复平面上解析的函数,例如多项式、指数函数、正弦函数等。根据刘维尔定理,有界整函数必为常数。而非平凡的整函数可以按照其增长性分类。 -
整函数的阶与型
阿达马定理的核心与整函数的增长性有关。我们引入阶 (order) 的概念:若存在常数 \(A > 0\),使得对任意 \(r > 0\),有
\[ M(r) = \max_{|z|=r} |f(z)| < e^{r^{\rho + \varepsilon}} \]
则称 \(f\) 的阶不超过 \(\rho\)。使得上述不等式对所有 \(\varepsilon > 0\) 成立的最小 \(\rho\) 称为 \(f\) 的阶。
进一步,若阶为 \(\rho\),且存在常数 \(\tau > 0\),使得
\[ M(r) < e^{\tau r^{\rho}} \]
则称 \(f\) 的型不超过 \(\tau\)。使得上述不等式成立的最小 \(\tau\) 称为 \(f\) 的型。
- 整函数的零点与典范乘积
若整函数 \(f\) 有无穷多个零点 \(\{a_n\}\)(非零),且按模递增排列,则根据魏尔斯特拉斯因子分解定理,\(f\) 可表示为
\[ f(z) = z^m e^{g(z)} \prod_{n=1}^{\infty} E_p\left(\frac{z}{a_n}\right) \]
其中 \(E_p(u) = (1-u) e^{u + \frac{u^2}{2} + \cdots + \frac{u^p}{p}}\) 是初等因子,\(g(z)\) 是另一整函数,\(m\) 是零点在原点的重数。
- 阿达马定理的表述
阿达马因子分解定理指出:若整函数 \(f\) 的阶为 \(\rho\)(有限),且其零点为 \(\{a_n\}\),则存在整数 \(p \leq \rho\)(通常取 \(p = \lfloor \rho \rfloor\)),使得典范乘积
\[ P(z) = z^m \prod_{n=1}^{\infty} E_p\left(\frac{z}{a_n}\right) \]
收敛,且 \(f\) 可表示为
\[ f(z) = e^{Q(z)} P(z) \]
其中 \(Q(z)\) 是次数不超过 \(\rho\) 的多项式。
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定理的深入理解
- 该定理将整函数的零点信息(通过典范乘积 \(P(z)\))与增长性(通过多项式 \(Q(z)\))精确联系起来。
- 若 \(\rho\) 不是整数,则 \(Q(z)\) 的次数不超过 \(\lfloor \rho \rfloor\);若 \(\rho\) 是整数,则 \(Q(z)\) 的次数不超过 \(\rho\),但此时需考虑型的影响(若型有限,则次数恰好为 \(\rho\))。
- 该定理在值分布理论中有重要应用,例如用于证明皮卡定理。
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应用举例
考虑函数 \(\sin(\pi z)\),其零点为 \(z = n\)(\(n \in \mathbb{Z}\)),阶为 1。根据阿达马定理,可分解为
\[ \sin(\pi z) = z e^{Q(z)} \prod_{n \neq 0} \left(1 - \frac{z}{n}\right) e^{z/n} \]
通过进一步计算可得 \(Q(z)\) 为常数,且最终得到熟知的乘积公式。
阿达马定理不仅提供了整函数的显式分解,还建立了函数零点分布与整体增长性之间的深刻联系,是复变函数论中的经典结果之一。