В математике эллиптические функции Вейерштрасса — это эллиптические функции , которые принимают особенно простую форму. Они названы в честь Карла Вейерштрасса . Этот класс функций также называют ℘-функциями , и они обычно обозначаются символом ℘, уникальной замысловатой буквой p . Они играют важную роль в теории эллиптических функций, т. е. мероморфных функций , которые являются дважды периодическими . ℘-функция вместе с ее производной может использоваться для параметризации эллиптических кривых , и они генерируют поле эллиптических функций относительно заданной решетки периодов.
Символ для функции Вейерштрасса
Мотивация
Кубик вида , где — комплексные числа с , не может быть рационально параметризован . [1] Тем не менее , все еще хочется найти способ его параметризации.
Для квадратичного уравнения ( единичной окружности ) существует (нерациональная) параметризация с использованием функции синуса и ее производной — функции косинуса:
Из-за периодичности синуса и косинуса в качестве области определения выбрана биекция, поэтому функция является биективной.
Аналогичным образом можно получить параметризацию с помощью двоякопериодической -функции (см. в разделе «Связь с эллиптическими кривыми»). Эта параметризация имеет область определения , которая топологически эквивалентна тору . [ 2]
Есть еще одна аналогия с тригонометрическими функциями. Рассмотрим интегральную функцию
Ее можно упростить, подставив и :
Это означает . Таким образом, функция синуса является обратной функцией интегральной функции. [3]
Обычно в качестве генераторов решетки используют и в верхней полуплоскости . Деление на отображает решетку изоморфно на решетку с . Поскольку можно заменить на , без потери общности можно предположить , а затем определить .
Положим и . Тогда -функция удовлетворяет дифференциальному уравнению [6]
Это соотношение можно проверить, образовав линейную комбинацию степеней и для устранения полюса при . Это дает целую эллиптическую функцию, которая должна быть постоянной по теореме Лиувилля . [6]
Инварианты
Коэффициенты приведенного выше дифференциального уравнения g 2 и g 3 известны как инварианты . Поскольку они зависят от решетки, их можно рассматривать как функции от и .
Разложение в ряд предполагает, что g 2 и g 3 являются однородными функциями степени −4 и −6. То есть [7] для .
Если и выбраны таким образом, что , то g 2 и g 3 можно интерпретировать как функции на верхней полуплоскости .
Пусть . Имеем: [8]
Это означает, что g 2 и g 3 масштабируются только при выполнении этого.
Функции множества и как являются так называемыми модулярными формами.
Модульный дискриминант Δ определяется как дискриминант характеристического многочлена дифференциального уравнения следующим образом:
Дискриминант является модулярной формой веса 12. То есть под действием модулярной группы он преобразуется как
где при ad − bc = 1. [10]
, и обычно используются для обозначения значений -функции в полупериодах.
Они попарно различны и зависят только от решетки , а не от ее генераторов. [12]
, и являются корнями кубического многочлена и связаны уравнением:
Поскольку эти корни различны, дискриминант не обращается в нуль на верхней полуплоскости. [13] Теперь мы можем переписать дифференциальное уравнение:
Это означает, что полупериоды являются нулями .
Инварианты и могут быть выражены через эти константы следующим образом: [14] , и связаны с модульной лямбда-функцией :
Связь с эллиптическими функциями Якоби
Для численных расчетов часто бывает удобно вычислять эллиптическую функцию Вейерштрасса через эллиптические функции Якоби .
Основные соотношения таковы: [15]
где и — три корня, описанные выше, и где модуль k функций Якоби равен
, а их аргумент w равен
Связь с тета-функциями Якоби
Функцию можно представить с помощью тета-функций Якоби :
где — ном, а — отношение периодов . [16] Это также обеспечивает очень быстрый алгоритм для вычисления .
Для этой кубики не существует рациональной параметризации, если . [1] В этом случае ее также называют эллиптической кривой. Тем не менее, существует параметризация в однородных координатах , которая использует -функцию и ее производную : [17]
Теперь отображение является биективным и параметризует эллиптическую кривую .
Эти формулы также имеют геометрическую интерпретацию, если рассматривать эллиптическую кривую вместе с отображением, как в предыдущем разделе.
Групповая структура переносится на кривую и может быть геометрически интерпретирована там:
Сумма трех попарно различных точек равна нулю тогда и только тогда, когда они лежат на одной прямой в . [20]
Это эквивалентно:
где , и . [21]
Типографика
Эллиптическая функция Вейерштрасса обычно записывается с помощью довольно специальной строчной буквы ℘, которая была собственной нотацией Вейерштрасса, введенной в его лекциях 1862–1863 годов. [сноска 1] Ее не следует путать с обычными математическими буквами P, 𝒫 и 𝓅.
В вычислительной технике буква ℘ доступна как \wpв TeX . В Unicode кодовая точка — U+2118 ℘ SCRIPT CAPITAL P ( ℘, ℘ ), с более правильным псевдонимом эллиптическая функция Вейерштрасса . [сноска 2] В HTML ее можно экранировать как .℘
^
Этот символ также использовался в версии лекций Вейерштрасса, опубликованной Шварцем в 1880-х годах. Первое издание «Курса современного анализа» Э. Т. Уиттекера в 1902 году также использовало его. [22]
^
Консорциум Unicode признал наличие двух проблем с названием буквы: на самом деле буква строчная, и это не буква класса «script», как U+1D4C5 𝓅 MATHEMATICAL SCRIPT SMALL P , а буква для эллиптической функции Вейерштрасса. Unicode добавил псевдоним в качестве исправления. [23] [24]
Ссылки
^ аб Хулек, Клаус. (2012), Elementare Algebraische Geometry: Grundlegende Begriffe und Techniken mit zahlreichen Beispielen und Anwendungen (на немецком языке) (2., überarb. u. erw. Aufl. Aufl. 2012 ed.), Висбаден: Vieweg+Teubner Verlag, стр. 8, ISBN 978-3-8348-2348-9
^ Рольф Бусам (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 259, ISBN978-3-540-32058-6
^ Джереми Грей (2015), Реальное и сложное: история анализа в 19 веке (на немецком языке), Cham, стр. 71, ISBN978-3-319-23715-2{{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
^ Рольф Бусам (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 294, ISBN978-3-540-32058-6
^ Ablowitz, Mark J.; Fokas, Athanassios S. (2003). Complex Variables: Introduction and Applications . Cambridge University Press. стр. 185. doi : 10.1017/cbo9780511791246. ISBN978-0-521-53429-1.
^ abcde Apostol, Tom M. (1976), Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (на немецком языке), Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 11, ISBN0-387-90185-X
^ Апостол, Том М. (1976). Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел. Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 14. ISBN0-387-90185-X. OCLC 2121639.
^ Апостол, Том М. (1976), Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (на немецком языке), Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 14, ISBN0-387-90185-X
^ Апостол, Том М. (1990). Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 20. ISBN0-387-97127-0. OCLC 20262861.
^ Апостол, Том М. (1976). Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел. Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 50. ISBN0-387-90185-X. OCLC 2121639.
^ Чандрасекхаран, К. (Комараволу), 1920- (1985). Эллиптические функции. Берлин: Springer-Verlag. п. 122. ИСБН0-387-15295-4. OCLC 12053023.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ Бусам, Рольф (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 270, ISBN978-3-540-32058-6
^ Апостол, Том М. (1976), Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (на немецком языке), Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 13, ISBN0-387-90185-X
^ К. Чандрасекхаран (1985), Эллиптические функции (на немецком языке), Берлин: Springer-Verlag, стр. 33, ISBN0-387-15295-4
^ Korn GA, Korn TM (1961). Математический справочник для ученых и инженеров . Нью-Йорк: McGraw–Hill. стр. 721. LCCN 59014456.
Н.И. Ахиезер , Элементы теории эллиптических функций , (1970) Москва, переведено на английский язык как AMS Translations of Mathematical Monographs Volume 79 (1990) AMS, Род-Айленд ISBN 0-8218-4532-2
Том М. Апостол , Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел, второе издание (1990), Springer, 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 Theory of Functions (1996), Dover Publications ISBN 0-486-69219-1