Funcțiile Theta sunt funcții speciale ale mai multor variabile complexe . Ele joacă un rol important în multe domenii, inclusiv în teoria varietăților abeliene , a spațiilor de module și a formelor pătratice . Ele sunt aplicate și în teoria solitonilor . După generalizarea la algebra Grassmann , funcțiile apar și în teoria cuantică a câmpurilor [1] .
Cele mai comune tipuri de funcții theta sunt cele găsite în teoria funcțiilor eliptice . În ceea ce privește una dintre variabilele complexe (notate de obicei z ), funcția theta are proprietatea de a adăuga perioadele funcțiilor eliptice asociate, făcându-le cvasi-periodice . În teoria abstractă, aceasta este obținută din condiția pachetului de linii picăturii .
Există mai multe funcții înrudite, numite funcții Jacobi theta și multe sisteme de notație diferite și incompatibile. O funcție Jacobi theta (numită după Carl Gustav Jacobi ), este o funcție definită din două variabile complexe z și , unde z poate fi orice număr complex și este limitată la jumătatea superioară a planului , ceea ce înseamnă că numărul are un pozitiv parte imaginară. Funcția este dată de formula
unde si . Funcția este o formă Jacobi . Dacă fixăm , funcția devine o serie Fourier pentru o funcție periodică întreagă a lui z cu perioada 1. În acest caz, funcția theta satisface identitatea
Funcția se comportă foarte regulat, ținând cont de cvasiperioada și satisface ecuația funcțională
unde a și b sunt numere întregi.
Funcția Jacobi theta definită mai sus este uneori luată în considerare împreună cu trei funcții theta suplimentare, caz în care este scrisă cu un indice suplimentar 0:
Funcțiile suplimentare (semiperiodice) sunt definite de formule
Aceste notații au fost urmate de Riemann și Mumford . Formularea originală a lui Jacobi a fost în termeni de nome , nu . În notația Jacobi, funcțiile θ sunt scrise ca:
Definițiile de mai sus ale funcției Jacobi theta sunt departe de a fi singurele. Vezi articolul Jacobi Theta functions (variations of notation) pentru mai multe discuții.
Dacă introducem funcțiile theta de mai sus, obținem patru funcții în funcție de și definite doar de semiplanul superior (care sunt uneori numite constante theta.) Acestea pot fi folosite pentru a defini diferite forme modulare și pentru a parametriza unele curbe. În special, identitatea Jacobi
este o curbă Fermat de gradul patru .
Identitățile Jacobi descriu modul în care funcțiile theta sunt transformate de grupul modular , care este generat de mapări și . Identitățile pentru prima transformare sunt ușor de găsit, deoarece adăugarea uneia la exponentul k are același efect ca și adăugarea uneia la z ( mod 2). În al doilea caz, punem
Apoi
În loc să exprimăm funcțiile theta în termeni de z și , le putem exprima în termenii argumentului w și a numelui q , unde și . În acest caz, funcțiile devin
Vedem că funcțiile theta pot fi definite în termeni de w și q fără referire directă la funcția exponențială. Prin urmare, formulele pot fi utilizate pentru a defini funcții theta peste alte câmpuri în care funcția exponențială poate să nu fie definită peste tot, cum ar fi câmpul numerelor p -adice .
Produsul triplu Jacobi (un caz special al identităților Macdonald ) ne spune că pentru numerele complexe w și q cu și avem
Acest lucru poate fi dovedit prin mijloace elementare, ca, de exemplu, în An Introduction to the Theory of Numbers a lui Hardy și Wright .
Dacă exprimăm funcția theta în termeni de volume și , atunci
Prin urmare, obținem o formulă de produs pentru funcția theta a formei
În termeni de w și q :
unde este simbolul q -Pochhammer și funcția q -theta . Dacă parantezele sunt deschise, produsul triplu Jacobi va lua forma
care poate fi rescris și ca
Această formulă este valabilă pentru cazul general, dar este de interes deosebit pentru z real . Formule de produs similare pentru funcții theta suplimentare
Funcțiile Jacobi theta au următoarele reprezentări integrale:
Vezi Yi (2004) [2] .
Următoarele două identități pentru seriale au fost dovedite de Istvan Mezo [3] :
Aceste relații sunt valabile pentru toți 0 < q < 1 . Fixând valorile q , obținem următoarele sume fără parametri
Toate zerourile funcțiilor Jacobi theta sunt zerouri simple și sunt definite după cum urmează:
,unde m , n sunt numere întregi arbitrare.
Raport
a folosit Riemann pentru a demonstra ecuația funcțională pentru funcția zeta Riemann prin transformarea Mellin
și se poate arăta că transformarea este invariantă sub schimbarea lui s la 1 − s . Integrala corespunzătoare pentru z ≠ 0 este dată în articolul despre funcția zeta Hurwitz .
Funcțiile Theta au fost folosite de Jacobi pentru a construi (într-o formă adaptată pentru a simplifica calculele) funcțiile eliptice ca părți parțiale ale celor patru funcții theta de mai sus și le-ar putea folosi și pentru a construi funcțiile eliptice Weierstrass , deoarece
,unde derivata a doua este luată în raport cu z , iar constanta c este definită astfel încât seria Laurent a funcției ℘( z ) în punctul z = 0 are un termen constant zero.
A patra funcție theta - și apoi restul - este indisolubil legată de funcția Jackson q - gamma relația [4] .
Fie funcția Dedekind eta și argumentul funcției theta să fie reprezentat ca nom . Apoi
și
Vezi și articolul despre funcțiile modulare Weber .
J-invariantul este egal
,iar modulul eliptic suplimentar este
Funcția Jacobi theta este o soluție fundamentală a ecuației de căldură unidimensională cu condiții la limită periodică spațială [5] . Luând real, și cu real și pozitiv t , putem scrie
,ce rezolvă ecuația căldurii
Această soluție theta este 1-periodică în x și tinde spre o funcție delta periodică sau pieptene Dirac în sensul distribuțiilor
.Soluțiile generale pentru problema cu valorile inițiale periodice spațiale pentru ecuația căldurii pot fi obținute prin convoluția datelor inițiale cu funcția theta.
Funcția Jacobi theta este invariantă sub acțiunea unui subgrup discret al grupului Heisenberg . Această invarianță este prezentată în articolul despre reprezentarea theta a grupului Heisenberg.
Dacă F este o formă pătratică în n variabile, atunci funcția theta asociată cu F este
cu suma peste rețeaua numerelor întregi ℤ n . Această funcție theta este o formă modulară cu greutatea (pe un subgrup definit corespunzător) a grupului modular . Într-o expansiune serie Fourier
numerele se numesc numere de reprezentare a formei .
Lăsa
este mulțimea de matrici pătrate simetrice a căror parte imaginară este definită pozitivă . ℍ n este numit semi-spațiul superior Siegel și este analogul dimensional superior al semiplanului superior . Analogul n - dimensional al grupului modular este grupul simplectic Sp(2 n , ℤ ) . Pentru . Rolul analogului n -dimensional al subgrupurilor congruente îl joacă
Atunci, dacă este dat , funcția Riemann theta este definită ca
Aici, este un vector complex n -dimensional, iar superscriptul T înseamnă transpunere . Funcția Jacobi theta este atunci un caz special cu și , unde este semiplanul superior al lui .
Funcția Riemann theta converge absolut și uniform pe submulțimi compacte .
Ecuația funcțională a unei funcții
ceea ce este valabil pentru toți vectorii și pentru toți }} și .
Seria Poincaré generalizează seria theta la forme automorfe, așa cum se aplică grupurilor fuchsiane arbitrare .