Эллиптические функции Вейерштрасса - Weierstrasss elliptic functions
В математика, Эллиптические функции Вейерштрасса находятся эллиптические функции которые принимают особенно простую форму; они названы в честь Карл Вейерштрасс. Этот класс функций также называют p-функции и обычно пишется с использованием символа ℘ (каллиграфическая строчная буква p; Unicode U + 2118, г. Латекс wp). Функции ℘ составляют разветвленные двойные покрытия из Сфера Римана посредством тор, разветвленная в четырех точках. Их можно использовать для параметризации эллиптические кривые над комплексными числами, тем самым устанавливая эквивалентность комплексные торы. Род одно решение дифференциальные уравнения можно записать в терминах эллиптических функций Вейерштрасса. Примечательно, что простейшие периодические решения Уравнение Кортевега – де Фриза часто записываются в терминах p-функций Вейерштрасса.
Определения
В Эллиптическая функция Вейерштрасса можно определить тремя тесно связанными способами, каждый из которых обладает определенными преимуществами.
- Один является функцией комплексной переменной z и решетка Λ в комплексной плоскости.
Другой - с точки зрения z и два сложные числа ω1 и ω2 определение пары образующих или периодов решетки.
- Что касается двух периодов, Эллиптическая функция Вейерштрасса - эллиптическая функция с периодами ω1 и ω2 определяется как
- потом точки решетка периодов, так что
- для любой пары образующих решетки определяет функцию Вейерштрасса как функцию комплексной переменной и решетки.
Третий - с точки зрения z и модуль τ в верхняя полуплоскость. Это связано с предыдущим определением следующим образом: τ = ω2/ω1, которая по обычному выбору на паре периодов находится в верхней полуплоскости. Используя этот подход, для фиксированных z функции Вейерштрасса становятся модульные функции из τ.
- Если - комплексное число в верхней полуплоскости, то
- Приведенная выше сумма однородна степени минус два, из чего мы можем определить функцию Вейерштрасса для любой пары периодов, как
- Мы можем очень быстро вычислить ℘ в терминах тета-функции; поскольку они сходятся так быстро, это более быстрый способ вычисления ℘, чем ряд, который мы использовали для его определения. Формула здесь
- Есть второй порядок столб в каждой точке решетки периодов (включая начало координат). С этими определениями является четной функцией и ее производной по z, ℘ ′, - нечетная функция.
Дальнейшее развитие теории эллиптические функции показывает, что функция Вейерштрасса определяется с точностью до добавления константы и умножения на ненулевую константу только положением и типом полюсов, среди всех мероморфные функции с заданной решеткой периодов.
Инварианты
В проколотом районе начала координат Серия Laurent расширение является
куда
Цифры грамм2 и грамм3 известны как инварианты.
Суммы после коэффициентов 60 и 140 - это первые два Серия Эйзенштейна, которые модульные формы если рассматривать как функции грамм4(τ) и грамм6(τ)соответственно из τ = ω2/ω1 с Я(τ) > 0.
Обратите внимание, что грамм2 и грамм3 находятся однородные функции степени −4 и −6; то есть,
Таким образом, по соглашению часто пишут и с точки зрения отношение периодов и возьми лежать в верхняя полуплоскость. Таким образом, и .
В Ряд Фурье за и можно записать в терминах квадрата ном в качестве
куда это делительная функция. Эта формула может быть переписана в терминах Серия Ламберта.
Инварианты могут быть выражены через Тета-функции Якоби. Этот метод очень удобен для численного расчета: тета-функции очень быстро сходятся. В обозначениях Абрамовица и Стегуна, но обозначая первобытные периоды , инварианты удовлетворяют
куда
и это отношение периодов, это ном, и и альтернативные обозначения.
Особые случаи
Если инварианты грамм2 = 0, грамм3 = 1, то это называется эквиангармонический дело;
грамм2 = 1, грамм3 = 0 - это лемнискатический дело.
Дифференциальное уравнение
В этих обозначениях функция удовлетворяет следующему дифференциальное уравнение:
где зависимость от и подавляется.
Это соотношение можно быстро проверить, сравнив полюса обеих сторон, например полюс на z = 0 lhs равно
в то время как полюс на z = 0 из
Сравнение этих двух дает приведенное выше соотношение.
Интегральное уравнение
Эллиптическая функция Вейерштрасса может быть задана как обратная к эллиптический интеграл.
Позволять
Здесь, грамм2 и грамм3 принимаются за константы.
Тогда есть
Сказанное выше следует непосредственно из интегрирования дифференциального уравнения.
Модульный дискриминант
В модульный дискриминант Δ определяется как частное по 16 дискриминант правой части приведенного выше дифференциального уравнения:
Это изучается само по себе, как куспид, в модульная форма теория (то есть как функция решетки периодов).
Обратите внимание, что куда это Функция Дедекинда эта.
Наличие 24 можно понять по связи с другими вхождениями, такими как функция эта и Решетка пиявки.
Дискриминант представляет собой модульную форму веса 12. То есть под действием модульная группа, он преобразуется как
с τ - коэффициент полупериода, и а,б,c и d целые числа, с объявление − до н.э = 1.
Для коэффициентов Фурье , видеть Рамануджан тау функция.
Константы е1, е2 и е3
Рассмотрим кубическое полиномиальное уравнение 4т3 − грамм2т − грамм3 = 0 с корнями е1, е2, и е3. Его дискриминант в 16 раз больше модульного дискриминанта Δ = грамм23 − 27грамм32. Если он не равен нулю, никакие два из этих корней не равны. Поскольку квадратичный член этого кубического многочлена равен нулю, корни связаны уравнением
Линейные и постоянные коэффициенты (грамм2 и грамм3соответственно) связаны с корнями уравнениями (см. Элементарный симметричный многочлен ).[1]
Корни е1, е2, и е3 уравнения зависит от τ и может быть выражено через тета-функции. Как и прежде, пусть,
тогда
С и , то их также можно выразить как тета-функции. В упрощенном виде
Где это Функция Дедекинда эта. В случае действительных инвариантов знак Δ = грамм23 − 27грамм32 определяет характер корней. Если , все три настоящие и принято называть их так, чтобы . Если , принято писать (куда , ), откуда , и реально и неотрицательно.
Полупериоды ω1/ 2 и ω2/ 2 эллиптической функции Вейерштрасса связаны с корнями
куда . Поскольку квадрат производной эллиптической функции Вейерштрасса равен указанному выше кубическому многочлену значения функции, за . И наоборот, если значение функции равно корню многочлена, производная равна нулю.
Если грамм2 и грамм3 действительны и Δ> 0, ея все реальны, и действительна на периметре прямоугольника с углами 0, ω3, ω1 + ω3, а ω1. Если корни упорядочены, как указано выше (е1 > е2 > е3), то первый полупериод вполне реален
тогда как третий полупериод полностью мнимый
Теоремы сложения
Эллиптические функции Вейерштрасса обладают несколькими свойствами, которые можно доказать:
Симметричная версия того же тождества
Также
и формула дублирования
если только 2z это период.
Случай с 1 основным полупериодом
Если , многое из приведенной выше теории становится проще; тогда это обычный букрит за .
- Для фиксированного τ в верхняя полуплоскость, так что мнимая часть τ положительно, определим Функция Вейерштрасса к
- Сумма распространяется на решетка {п + mτ | п, м ∈ Z} без указания происхождения.
- Здесь мы рассматриваем τ как фиксировано и ℘ как функция z; фиксация z и позволяя τ варьировать отводы в районе эллиптические модульные функции.
Общая теория
℘ это мероморфный функция в комплексной плоскости с двойным столб в каждой точке решетки. Он двоякопериоден с периодами 1 и τ; это означает, что удовлетворяет
Вышеупомянутая сумма однородна степени минус два, и если c - любое ненулевое комплексное число,
из которого мы можем определить функцию Вейерштрасса для любой пары периодов. Мы также можем взять производная (конечно, что касается z) и получить функцию, алгебраически связанную с соотношением
куда и зависеть только от τ, существование модульные формы. Уравнение
определяет эллиптическая кривая, и мы видим, что является параметризацией этой кривой. Совокупность мероморфных двоякопериодических функций с заданными периодами определяет поле алгебраических функций связанный с этой кривой. Можно показать, что это поле
так что все такие функции рациональные функции в функции Вейерштрасса и ее производной.
Можно обернуть параллелограмм с одним периодом в тор, или в форме пончика Риманова поверхность, и рассматривать эллиптические функции, связанные с данной парой периодов, как функции, определенные на этой римановой поверхности.
℘ также может быть выражено через тета-функции; поскольку они сходятся очень быстро, это более быстрый способ вычисления ℘, чем ряд, использованный для его определения.
Функция ℘ имеет два нуля (по модулю периодов), а функция ℘ ′ их три. Нули функции ′ легко найти: поскольку ℘ ′ - нечетная функция, они должны находиться в точках полупериода. С другой стороны, очень трудно выразить нули через закрытая формула, за исключением особых значений модуля (например, когда решетка периодов является Гауссовские целые числа ). Выражение было найдено Загир и Эйхлер.[2]
Теория Вейерштрасса также включает Дзета-функция Вейерштрасса, который является неопределенным интегралом от и не является двоякопериодическим, и тета-функция, называемая Сигма-функция Вейерштрасса, из которых его дзета-функция является логарифмическая производная. Сигма-функция имеет нули во всех точках периода (только) и может быть выражена через Функции Якоби. Это дает один способ преобразования между обозначениями Вейерштрасса и Якоби.
Сигма-функция Вейерштрасса является вся функция; он играл роль «типичной» функции в теории случайные целые функции из Дж. Э. Литтлвуд.
Связь с эллиптическими функциями Якоби
Для численных расчетов часто бывает удобно вычислить эллиптическую функцию Вейерштрасса в терминах Эллиптические функции Якоби.
Основные отношения:[3]
куда е1–3 - три корня, описанные выше, и где модуль k функций Якоби равно
и их аргумент ш равно
Типография
Эллиптическая функция Вейерштрасса обычно записывается с помощью довольно специальной строчной буквы.[сноска 1]
В вычислениях буква ℘ доступна как wp
в TeX. В Unicode кодовая точка U + 2118 ℘ ЗАГЛАВНАЯ СТРАНИЦА P (HTML℘
· & weierp ;, & wp;
) с более правильным псевдонимом эллиптическая функция Вейерштрасса.[сноска 2] В HTML, его можно избежать как & weierp;
.
Предварительный просмотр | ℘ | |
---|---|---|
Юникод имя | SCRIPT CAPITAL P / WEIERSTRASS ELLIPTIC FUNCTION | |
Кодировки | десятичный | шестнадцатеричный |
Unicode | 8472 | U + 2118 |
UTF-8 | 226 132 152 | E2 84 98 |
Ссылка на числовые символы | ℘ | & # x2118; |
Ссылка на именованный символ | & weierp ;, & wp; |
Сноски
- ^ Этот символ использовался как минимум в 1890 году. Первое издание Курс современного анализа к Э. Т. Уиттакер в 1902 г. тоже им пользовался.[4]
- ^ В Консорциум Unicode признал две проблемы с именем буквы: буква на самом деле строчная, и это не буква класса "скрипт", например U + 1D4C5 𝓅 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СЦЕНАРИЙ МАЛЫЙ P, но буква эллиптической функции Вейерштрасса. Юникод добавил псевдоним в качестве исправления.[5][6]
Рекомендации
- ^ Абрамовиц и Стегун, стр. 629
- ^ Eichler, M .; Загир, Д. (1982). «О нулях-функции Вейерштрасса». Mathematische Annalen. 258 (4): 399–407. Дои:10.1007 / BF01453974.
- ^ Корн Г.А., Корн Т.М. (1961). Математический справочник для ученых и инженеров. Нью-Йорк: Макгроу – Хилл. п. 721. LCCN 59014456.
- ^ Тейка Казура (2017-08-17), Буква ℘ Имя и происхождение?, MathOverflow, получено 2018-08-30
- ^ «Известные аномалии в именах символов Юникода». Техническое примечание Unicode № 27. версия 4. Unicode, Inc. 10 апреля 2017 г.. Получено 2017-07-20.
- ^ "NameAliases-10.0.0.txt". Unicode, Inc. 2017-05-06. Получено 2017-07-20.
- Абрамовиц, Милтон; Стегун, Ирен Энн, ред. (1983) [июнь 1964]. "Глава 18". Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. Прикладная математика. 55 (Девятое переиздание с дополнительными исправлениями, десятое оригинальное издание с исправлениями (декабрь 1972 г.); первое изд.). Вашингтон, округ Колумбия.; Нью-Йорк: Министерство торговли США, Национальное бюро стандартов; Dover Publications. п. 627. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. МИСТЕР 0167642. LCCN 65-12253.
- Н. И. Ахиезер, Элементы теории эллиптических функций., (1970) Москва, в переводе на английский как Переводы математических монографий AMS Том 79 (1990) AMS, Род-Айленд ISBN 0-8218-4532-2
- Том М. Апостол, Модульные функции и ряды Дирихле в теории чисел, второе издание (1990), Спрингер, Нью-Йорк ISBN 0-387-97127-0 (См. Главу 1.)
- К. Чандрасекхаран, Эллиптические функции (1980), Springer-Verlag ISBN 0-387-15295-4
- Конрад Кнопп, Funktionentheorie II (1947), Dover Publications; Переиздано в английском переводе как Теория функций (1996), Dover Publications ISBN 0-486-69219-1
- Серж Ланг, Эллиптические функции (1973), Эддисон-Уэсли, ISBN 0-201-04162-6
- Э. Т. Уиттакер и Г. Н. Уотсон, Курс современного анализа, Издательство Кембриджского университета, 1952, главы 20 и 21
внешняя ссылка
- «Эллиптические функции Вейерштрасса», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
- Эллиптические функции Вейерштрасса на Mathworld.
- Глава 23, Эллиптические и модульные функции Вейерштрасса в DLMF (Электронная библиотека математических функций ) У. П. Рейнхардта и П. Л. Уокера.