Weierstrassovy eliptické funkce - Weierstrasss elliptic functions - Wikipedia
v matematika, Weierstrassovy eliptické funkce jsou eliptické funkce které mají obzvláště jednoduchou formu; jsou pojmenovány Karl Weierstrass. Tato třída funkcí se také označuje jako p-funkce a obvykle psáno pomocí symbolu ℘ (kaligrafická malá písmena p; Unicode U + 2118, Latex wp). Funkce constitute tvoří rozvětvené dvojité krytiny z Riemannova koule podle torus, rozvětvený ve čtyřech bodech. Mohou být použity k parametrizaci eliptické křivky přes komplexní čísla, čímž se vytvoří ekvivalence k komplexní tori. Rod jedno řešení diferenciální rovnice lze psát z hlediska Weierstrassových eliptických funkcí. Zejména nejjednodušší periodická řešení Korteweg – de Vriesova rovnice jsou často psány ve smyslu Weierstrassových p-funkcí.
Definice
The Weierstrassova eliptická funkce lze definovat třemi úzce souvisejícími způsoby, z nichž každý má určité výhody.
- Jeden je funkcí komplexní proměnné z a a mříž Λ ve složité rovině.
Další je z hlediska z a dva komplexní čísla ω1 a ω2 definování dvojice generátorů nebo period pro mřížku.
- Pokud jde o dvě období, Weierstrassova eliptická funkce je eliptická funkce s tečkami ω1 a ω2 definováno jako
- Pak jsou body dobová mříž, aby
- pro jakoukoli dvojici generátorů mřížky definuje Weierstrassovu funkci jako funkci komplexní proměnné a mřížky.
Třetí je z hlediska z a modul τ v horní polorovina. To souvisí s předchozí definicí od τ = ω2/ω1, který je konvenční volbou na dvojici období v horní polorovině. Pomocí tohoto přístupu, pro pevné z funkce Weierstrass se stanou modulární funkce z τ.
- Li je tedy komplexní číslo v horní polorovině
- Výše uvedený součet je homogenní stupně minus dva, z čehož můžeme definovat Weierstrassovu funkci pro jakoukoli dvojici období, jako
- Můžeme vypočítat ℘ velmi rychle, pokud jde o theta funkce; protože se sbíhají tak rychle, jedná se o rychlejší způsob výpočtu ℘ než série, kterou jsme použili k jeho definování. Vzorec zde je
- Existuje druhý řád pól v každém bodě periodické mřížky (včetně počátku). S těmito definicemi je sudá funkce a její derivace s ohledem na z, ℘ ′, je zvláštní funkce.
Další vývoj teorie eliptické funkce ukazuje, že Weierstrassova funkce je určena až po přidání konstanty a násobení nenulovou konstantou pouze polohou a typem pólů, mezi všemi meromorfní funkce s danou periodickou mřížkou.
Invarianty
V proraženém sousedství původu, Laurentova řada expanze je
kde
Čísla G2 a G3 jsou známé jako invarianty.
Součty za koeficienty 60 a 140 jsou první dva Eisensteinova řada, což jsou modulární formy když jsou považovány za funkce G4(τ) a G6(τ), respektive, z τ = ω2/ω1 s Jsem (τ) > 0.
Všimněte si, že G2 a G3 jsou homogenní funkce stupně −4 a −6; to je
Podle konvence tedy člověk často píše a z hlediska poměr období a vzít ležet v horní polorovina. Tím pádem, a .
The Fourierova řada pro a lze psát ve smyslu čtverce ne já tak jako
kde je funkce dělitele. Tento vzorec může být přepsán z hlediska Lambertova řada.
Invarianty mohou být vyjádřeny v Jacobiho theta funkce. Tato metoda je velmi vhodná pro numerický výpočet: funkce theta se sbíhají velmi rychle. V zápisu Abramowitze a Steguna, ale označující primitivní období podle , invarianti uspokojí
kde
a je poměr období, je jméno a a jsou alternativní notace.
Speciální případy
Pokud jsou invarianty G2 = 0, G3 = 1, pak se to nazývá ekvianharmonie případ;
G2 = 1, G3 = 0 je lemniscatic případ.
Diferenciální rovnice
Pomocí této notace splňuje funkce the následující diferenciální rovnice:
kde závislost na a je potlačen.
Tento vztah lze rychle ověřit porovnáním pólů obou stran, například pólu v z = 0 z lhs je
zatímco tyč na z = 0 z
Porovnáním těchto dvou se získá výše uvedený vztah.
Integrální rovnice
Weierstrassovu eliptickou funkci lze zadat jako inverzní funkci k eliptický integrál.
Nechat
Tady, G2 a G3 jsou brány jako konstanty.
Pak jeden má
Výše uvedené následuje přímo integrací diferenciální rovnice.
Modulární diskriminátor
The modulární diskriminátor Δ je definován jako kvocient 16 z diskriminující na pravé straně výše uvedené diferenciální rovnice:
Toto je studováno samo o sobě, jako a hrotová forma, v modulární forma teorie (tj. jako funkce periodické mřížky).
Všimněte si, že kde je Funkce Dedekind eta.
Přítomnost někoho 24 lze chápat ve spojení s jinými výskyty, jako ve funkci eta a Mřížka pijavice.
Diskriminační je modulární forma váhy 12. To znamená, že na základě akce modulární skupina, transformuje se jako
s τ je poměr poloviny období a A,b,C a d být celá čísla, s inzerát − před naším letopočtem = 1.
Pro Fourierovy koeficienty viz Funkce Ramanujan tau.
Konstanty E1, E2 a E3
Zvažte kubická polynomická rovnice 4t3 − G2t − G3 = 0 s kořeny E1, E2, a E3. Jeho diskriminátor je 16krát větší než modulární diskriminátor Δ = G23 − 27G32. Pokud to není nula, žádné dva z těchto kořenů nejsou stejné. Protože kvadratický člen tohoto kubického polynomu je nula, jsou kořeny příbuzné rovnicí
Lineární a konstantní koeficienty (G2 a G3, respektive) souvisí s kořeny rovnicemi (viz Elementární symetrický polynom ).[1]
Kořeny E1, E2, a E3 rovnice záleží na τ a lze jej vyjádřit pomocí theta funkce. Jako předtím, pojďme
pak
Od té doby a , pak je lze také vyjádřit jako theta funkce. Ve zjednodušené formě
Kde je Funkce Dedekind eta. V případě skutečných invariantů znak Δ = G23 − 27G32 určuje povahu kořenů. Li , všechny tři jsou skutečné a je obvyklé je pojmenovávat . Li , je běžné psát (kde , ), odkud , a je skutečný a nezáporný.
Poloperiody ω1/ 2 a ω2/ 2 Weierstrassovy eliptické funkce souvisí s kořeny
kde . Jelikož se čtverec derivace Weierstrassovy eliptické funkce rovná výše uvedenému kubickému polynomu hodnoty funkce, pro . Naopak, pokud se hodnota funkce rovná kořenu polynomu, je derivace nula.
Li G2 a G3 jsou skutečné a Δ> 0, Ei jsou všechny skutečné a je reálné na obvodu obdélníku s rohy 0, ω3, ω1 + ω3a ω1. Pokud jsou kořeny seřazeny výše (E1 > E2 > E3), pak je první polovina období zcela reálná
zatímco třetí polovina období je zcela imaginární
Věty o sčítání
Eliptické funkce Weierstrass mají několik vlastností, které lze prokázat:
Symetrická verze stejné identity je
Taky
a duplikační vzorec
pokud 2z je období.
Případ s 1 základní poloperiodou
Li , hodně z výše uvedené teorie se stává jednodušší; to je pak konvenční towrite pro .
- Pro pevné τ v horní polorovina, takže imaginární část τ je pozitivní, definujeme Weierstrassova funkce podle
- Součet přesahuje mříž {n + mτ | n, m ∈ Z} s vynecháním původu.
- Zde považujeme τ jako pevné a ℘ jako funkce z; upevnění z a nechat τ měnit vede do oblasti eliptické modulární funkce.
Obecná teorie
℘ je a meromorfní funkce v komplexní rovině s dvojitým pól v každém mřížovém bodě. Je to dvojnásobně periodické s obdobími 1 a τ; to znamená, že ℘ uspokojuje
Výše uvedený součet je homogenní stupně minus dva, a pokud C je jakékoli nenulové komplexní číslo,
ze kterého můžeme definovat Weierstrassovu funkci any pro jakoukoli dvojici období. Můžeme také vzít derivát (samozřejmě s ohledem na z) a získat funkci algebraicky související s ℘ pomocí
kde a záleží jen na τ, bytost modulární formy. Rovnice
definuje eliptická křivka a vidíme to je parametrizace této křivky. Souhrn meromorfních dvojnásobně periodických funkcí s danými obdobími definuje algebraické funkční pole spojené s touto křivkou. Je možné ukázat, že toto pole je
takže všechny takové funkce jsou racionální funkce ve Weierstrassově funkci a její derivaci.
Jeden paralelogram s jednou periodou lze zabalit do a torus nebo ve tvaru koblihy Riemannův povrch a považujeme eliptické funkce spojené s daným párem period za funkce definované na Riemannově ploše.
℘ lze také vyjádřit pomocí theta funkcí; protože se sbíhají velmi rychle, jedná se o rychlejší způsob výpočtu ℘ než řada, která se používá k jeho definování.
Funkce ℘ má dvě nuly (modulo období) a funkce ℘ ′ má tři. Nuly ℘ ′ lze snadno najít: protože ℘ ′ je zvláštní funkce, musí být v bodech poloviční periody. Na druhou stranu je velmi obtížné vyjádřit nuly ℘ uzavřený vzorec, s výjimkou zvláštních hodnot modulu (např. když je periodická mřížka Gaussova celá čísla ). Výraz byl nalezen uživatelem Zagier a Eichler.[2]
Weierstrassova teorie také zahrnuje Funkce Weierstrass zeta, což je neurčitý integrál ℘ a ne dvakrát periodický, a funkce theta zvaná Weierstrassova sigma funkce, jehož zeta-funkce je log-derivát. Funkce sigma má nuly ve všech bodech období (pouze) a lze ji vyjádřit pomocí Jacobiho funkce. To dává jeden způsob převodu mezi notami Weierstrass a Jacobi.
Weierstrassova sigma-funkce je celá funkce; hrálo roli „typické“ funkce v teorii náhodné celé funkce z J. E. Littlewood.
Vztah k Jacobiho eliptickým funkcím
Pro numerickou práci je často vhodné vypočítat Weierstrassovu eliptickou funkci z hlediska Jacobiho eliptické funkce.
Základní vztahy jsou[3]
kde E1–3 jsou tři kořeny popsané výše a kde modul k Jacobiho funkcí se rovná
a jejich argument w rovná se
Typografie
Weierstrassova eliptická funkce je obvykle psána spíše zvláštním malým písmenem script.[poznámka pod čarou 1]
Ve výpočtech je písmeno ℘ k dispozici jako wp
v TeX. v Unicode kódový bod je U + 2118 ℘ SCRIPT CAPITAL P (HTML℘
· & weierp ;, & wp;
), se správnějším aliasem eliptická funkce weierstrass.[poznámka pod čarou 2] v HTML, lze uniknout jako & weierp;
.
Náhled | ℘ | |
---|---|---|
Název Unicode | SCRIPT CAPITAL P / WEIERSTRASS ELLIPTICKÁ FUNKCE | |
Kódování | desetinný | hex |
Unicode | 8472 | U + 2118 |
UTF-8 | 226 132 152 | E2 84 98 |
Číselná reference znaků | ℘ | & # x2118; |
Odkaz na pojmenovaný znak | & weierp ;, & wp; |
Poznámky pod čarou
- ^ Tento symbol byl používán již minimálně v roce 1890. První vydání Kurz moderní analýzy podle E. T. Whittaker v roce 1902 ji také použil.[4]
- ^ The Konsorcium Unicode uznal dva problémy se jménem dopisu: písmeno je ve skutečnosti malá a nejedná se o písmeno třídy „script“, jako U + 1D4C5 𝓅 MATEMATICKÝ SCRIPT MALÝ P, ale písmeno pro Weierstrassovu eliptickou funkci. Unicode přidal alias jako opravu.[5][6]
Reference
- ^ Abramowitz a Stegun, str. 629
- ^ Eichler, M .; Zagier, D. (1982). „Na nulách Weierstrassovy ℘-funkce“. Mathematische Annalen. 258 (4): 399–407. doi:10.1007 / BF01453974.
- ^ Korn GA, Korn TM (1961). Matematická příručka pro vědce a inženýry. New York: McGraw – Hill. str. 721. LCCN 59014456.
- ^ teika kazura (2017-08-17), Písmeno ℘ Jméno a původ?, MathOverflow, vyvoláno 2018-08-30
- ^ "Známé anomálie ve jménech znaků Unicode". Technická poznámka Unicode č. 27. verze 4. Unicode, Inc. 10. 4. 2017. Citováno 2017-07-20.
- ^ "NameAliases-10.0.0.txt". Unicode, Inc. 6. května 2017. Citováno 2017-07-20.
- Abramowitz, Milton; Stegun, Irene Ann, eds. (1983) [červen 1964]. „Kapitola 18“. Příručka matematických funkcí se vzorci, grafy a matematickými tabulkami. Řada aplikované matematiky. 55 (Devátý dotisk s dalšími opravami desátého originálu s opravami (prosinec 1972); první vydání.). Washington DC.; New York: United States Department of Commerce, National Bureau of Standards; Dover Publications. str. 627. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. PAN 0167642. LCCN 65-12253.
- N. I. Akhiezer, Základy teorie eliptických funkcí, (1970) Moskva, přeloženo do angličtiny jako AMS Translations of Mathematical Monographs Volume 79 (1990) AMS, Rhode Island ISBN 0-8218-4532-2
- Tom M. Apostol, Modulární funkce a Dirichletova řada v teorii čísel, druhé vydání (1990), Springer, New York ISBN 0-387-97127-0 (Viz kapitola 1.)
- K. Chandrasekharan, Eliptické funkce (1980), Springer-Verlag ISBN 0-387-15295-4
- Konrad Knopp, Funktionentheorie II (1947), Dover Publications; Publikováno v anglickém překladu jako Teorie funkcí (1996), Dover Publications ISBN 0-486-69219-1
- Serge Lang, Eliptické funkce (1973), Addison-Wesley, ISBN 0-201-04162-6
- E. T. Whittaker a G. N. Watson, Kurz moderní analýzy, Cambridge University Press 1952, kapitoly 20 a 21
externí odkazy
- "Eliptické funkce Weierstrass", Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS, 2001 [1994]
- Weierstrassovy eliptické funkce na Mathworld.
- Kapitola 23, Eliptické a modulární funkce Weierstrass v DLMF (Digitální knihovna matematických funkcí ) autorů W. P. Reinhardta a P. L. Walkera.