stringtranslate.com

Эллиптическая функция Вейерштрасса

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 P

Символ для функции Вейерштрасса

Модель Вейерштрасса -функции

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]

Эллиптические функции являются обратными функциями эллиптических интегралов . В частности, пусть: Тогда расширение на комплексную плоскость равно -функции. [4] Эта обратимость используется в комплексном анализе для решения некоторых нелинейных дифференциальных уравнений, удовлетворяющих свойству Пенлеве , т.е. тех уравнений, которые допускают полюса в качестве своих единственных подвижных особенностей . [5]

Определение

Визуализация -функции с инвариантами , в которой белый цвет соответствует полюсу, черный цвет - нулю.

Пусть будут два комплексных числа , которые линейно независимы над и пусть будет решеткой периодов, порожденной этими числами. Тогда -функция определяется следующим образом:

Этот ряд сходится локально равномерно абсолютно в комплексном торе .

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 .

Характеристики

Второе последнее равенство выполняется, поскольку . Поскольку сумма сходится абсолютно, эта перестановка не меняет предел.

расширение Лорана

Пусть . Тогда для -функция имеет следующее разложение Лорана , где для — так называемые ряды Эйзенштейна . [6]

Дифференциальное уравнение

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

Действительная часть инварианта g 3 как функция квадрата нома q на единичном круге.
Мнимая часть инварианта g 3 как функция квадрата нома q на единичном круге.

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.

Ряды Фурье для и имеют следующий вид: [9] где — функция-делитель , а — ном .

Модульный дискриминант

Действительная часть дискриминанта как функция квадрата нома q на единичном круге.

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]

Обратите внимание, что где — эта-функция Дедекинда . [11]

Коэффициенты Фурье см . в статье Тау-функция Рамануджана .

Константые1,е2ие3

, 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 .

Отношение к эллиптическим кривым

Рассмотрим вложение кубической кривой в комплексную проективную плоскость

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 .

является абелевой группой и топологическим пространством , снабженным топологией факторизации .

Можно показать, что каждая кубика Вейерштрасса задана таким образом. То есть, для каждой пары с существует решетка , такая, что

и . [18]

Утверждение о том, что эллиптические кривые над могут быть параметризованы над , известно как теорема о модулярности . Это важная теорема в теории чисел . Она была частью доказательства Эндрю Уайлса (1995) Великой теоремы Ферма .

Теоремы сложения

Пусть , так что . Тогда имеем: [19]

А также формула удвоения: [19]

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 .℘

Смотрите также

Сноски

  1. ^ 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]
  2. ^ 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

  1. ^ 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
  2. ^ Рольф Бусам (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 259, ISBN 978-3-540-32058-6
  3. ^ Джереми Грей (2015), Реальное и сложное: история анализа в 19 веке (на немецком языке), Cham, стр. 71, ISBN 978-3-319-23715-2{{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  4. ^ Рольф Бусам (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 294, ISBN 978-3-540-32058-6
  5. ^ Ablowitz, Mark J.; Fokas, Athanassios S. (2003). Complex Variables: Introduction and Applications . Cambridge University Press. стр. 185. doi : 10.1017/cbo9780511791246. ISBN 978-0-521-53429-1.
  6. ^ abcde Apostol, Tom M. (1976), Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (на немецком языке), Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 11, ISBN 0-387-90185-X
  7. ^ Апостол, Том М. (1976). Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел. Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 14. ISBN 0-387-90185-X. OCLC  2121639.
  8. ^ Апостол, Том М. (1976), Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (на немецком языке), Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 14, ISBN 0-387-90185-X
  9. ^ Апостол, Том М. (1990). Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 20. ISBN 0-387-97127-0. OCLC  20262861.
  10. ^ Апостол, Том М. (1976). Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел. Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 50. ISBN 0-387-90185-X. OCLC  2121639.
  11. ^ Чандрасекхаран, К. (Комараволу), 1920- (1985). Эллиптические функции. Берлин: Springer-Verlag. п. 122. ИСБН 0-387-15295-4. OCLC  12053023.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  12. ^ Бусам, Рольф (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 270, ISBN 978-3-540-32058-6
  13. ^ Апостол, Том М. (1976), Модулярные функции и ряды Дирихле в теории чисел (на немецком языке), Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 13, ISBN 0-387-90185-X
  14. ^ К. Чандрасекхаран (1985), Эллиптические функции (на немецком языке), Берлин: Springer-Verlag, стр. 33, ISBN 0-387-15295-4
  15. ^ Korn GA, Korn TM (1961). Математический справочник для ученых и инженеров . Нью-Йорк: McGraw–Hill. стр. 721. LCCN  59014456.
  16. ^ Рейнхардт, WP; Уокер, PL (2010), «Эллиптические и модулярные функции Вейерштрасса», в Olver, Frank WJ ; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. (ред.), NIST Handbook of Mathematical Functions , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-19225-5, г-н  2723248.
  17. ^ 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. 12, ISBN 978-3-8348-2348-9
  18. ^ Хулек, Клаус. (2012), Elementare Algebraische Geometry: Grundlegende Begriffe und Techniken mit zahlreichen Beispielen und Anwendungen (на немецком языке) (2., überarb. u. erw. Aufl. 2012 ed.), Висбаден: Vieweg+Teubner Verlag, стр. 111, ISBN 978-3-8348-2348-9
  19. ^ ab Rolf Busam (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 286, ISBN 978-3-540-32058-6
  20. ^ Рольф Бусам (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 287, ISBN 978-3-540-32058-6
  21. ^ Рольф Бусам (2006), Funktionentheorie 1 (на немецком языке) (4., korr. und erw. Aufl ed.), Берлин: Springer, стр. 288, ISBN 978-3-540-32058-6
  22. ^ teika kazura (2017-08-17), Буква ℘ Название и происхождение?, MathOverflow , получено 2018-08-30
  23. ^ «Известные аномалии в именах символов Unicode». Техническое примечание Unicode № 27. версия 4. Unicode, Inc. 2017-04-10 . Получено 2017-07-20 .
  24. ^ "NameAliases-10.0.0.txt". Unicode, Inc. 2017-05-06 . Получено 2017-07-20 .

Внешние ссылки