沿圆周测量一个全纯函数的大小,能否知道圆内藏了多少零点?普通平均会受到相位抵消影响;平均对数模则让每个零点贡献一个正的距离权重。Jensen公式正是把边界大小和内部零点表连接起来的等式。
形式陈述
避开中心与圆周零点的基本版本
设 R > 0 ,f 在闭圆盘 D ― ( 0 , R ) 的某个开邻域内全纯 理路 全纯函数 Holomorphic function · Complex analytic function 在复平面开集的每一点都复可微的函数。 ,且
f ( 0 ) ≠ 0 , f ( z ) ≠ 0 ( | z | = R ) . 圆内零点按重数列为 a 1 , … , a N ;没有零点时取空和。则
(1) 1 2 π ∫ 0 2 π log | f ( R e i θ ) | d θ = log | f ( 0 ) | + ∑ j = 1 N log R | a j | . 本页的 log | f | 是正实数 | f | 的实对数,不是要求 f 在整个圆盘拥有一个无零的复对数。圆周避零使被积函数连续,式(1)使用普通积分。
令 n ( r ) 为 | z | ≤ r 内零点总数,计入重数;0 < r < R 。再记 M ( R ) = max | z | = R | f ( z ) | ,就有
(2) n ( r ) log ( R / r ) ≤ log M ( R ) − log | f ( 0 ) | . 这给出从增长到零点数的定量上界;它不是只数辐角绕了几圈,而是使用零点距中心的大小。
中心本身为零点时
若 f 不恒为零,在原点有阶数 m 的零点,写 f ( z ) = z m h ( z ) 、h ( 0 ) ≠ 0 ,则修正版为
(3) 1 2 π ∫ 0 2 π log | f ( R e i θ ) | d θ = log | h ( 0 ) | + m log R + ∑ 0 < | a j | < R log R | a j | . 这里仍假设圆周避零。不能把 f ( 0 ) = 0 直接代入(1),产生两个无穷量后声称它们已经抵消。
直觉
一个零点贡献多少
先看 f ( z ) = z − a 、0 < | a | < R 。在圆周上把 R 提出,
log | R e i θ − a | = log R + Re log ( 1 − ( a / R ) e − i θ ) . 最后一项的收敛幂级数只含非零频率,圆周平均为零,所以平均是 log R 。而中心值的对数模是 log | a | ,两者相差 log ( R / | a | ) 。
零点越靠近中心,相差越大;重数 m 的零点等同于同一个线性因子出现 m 次,贡献也乘 m 。恰好靠近外圆的零点权重很小,因此单看一个圆周平均,不一定能稳定地分辨贴近圆周的零点。
无零背景只留下中心值
在没有零点的圆盘内,可以取全纯对数 L ,于是 log | f | = Re L 。Cauchy公式使这个实部的圆周平均等于中心值。无零背景可能随角度剧烈起伏,但经过平均只留下中心的一项;需要额外计入的部分正是零点因子。
例子与边界
同一个函数,扩大圆周后多看见一个零点
取
f ( z ) = e z ( 1 − 2 z ) ( 1 − z / 2 ) , f ( 0 ) = 1. 两个简单零点为 1 / 2 和 2 。半径一的圆内只有第一个零点,故
1 2 π ∫ 0 2 π log | f ( e i θ ) | d θ = log 2. 半径三则包含两点,平均变成
log ( 3 / ( 1 / 2 ) ) + log ( 3 / 2 ) = log 9. 指数因子的实对数模是 Re z ,在两个圆周的平均都为零。它可以改变各角度的函数值,却不改变这两份零点权重表。
图片加载失败 原点重数要先剥离
对 f ( z ) = z 2 e z ( 1 − 2 z ) ,原点重数为二,h ( 0 ) = 1 。取 R = 3 ,式(3)给平均
2 log 3 + log 6 = log 54. 这里原点的贡献不是 log ( 3 / 0 ) ,而是已经单独算好的 2 log 3 。这个处理也适用于平移后的圆心:先写 w = z − z 0 ,再剥离 w m 。
圆周上有零点时,普通连续积分合同失效
f ( z ) = z − 1 , R = 1 时,log | f ( e i θ ) | 在 θ = 0 趋于负无穷。它的奇性实际上可积,但这需要另外检查局部对数奇点或作避零半径极限;不能把“连续被积函数”的证明原样套上。
在本页合同内,选择不穿过零点的半径即可。不恒为零的全纯函数在所讨论闭圆盘邻域只有有限个零点,附近需要避开的半径也是有限个。若要从无穷多个离散采样值估计圆周平均,还须另给误差界,不能认为未采到零点就证明圆周避零。
推论与应用
剥掉有限零点后的证明
由于零点孤立,紧圆盘内只有有限多个零点。令
g ( z ) = f ( z ) ∏ j = 1 N ( z − a j ) . 按重数约去零点后,g 在闭圆盘邻域全纯且无零。可以稍微扩大圆盘而仍无零;由Cauchy积分定理 理路 Cauchy 积分定理与公式 Cauchy integral theorem · Cauchy integral formula 全纯函数在可缩闭路上的积分为零,并可由边界积分重建内部值与所有导数。 ,g ′ / g 在该圆盘有原函数,故存在全纯 L 使 g = e L 。Cauchy平均公式于是给
1 2 π ∫ 0 2 π log | g ( R e i θ ) | d θ = log | g ( 0 ) | . 对每个 a j ,上面的线性因子计算给圆周平均 log R ;所用对数幂级数在圆周上绝对一致收敛,因为 | a j | / R < 1 ,因此逐项积分合法。相加并使用
log | g ( 0 ) | = log | f ( 0 ) | − ∑ j log | a j | 得到(1)。若原点有零点,先把 z m 在圆周上的恒定模 R m 提出,就得到(3)。
从等式得到零点计数与增长限制
每个 | a j | ≤ r 的零点至少贡献 log ( R / r ) ,其余贡献非负;圆周平均又至多为 log M ( R ) 。这立刻给(2)。例如已知 f ( 0 ) = 1 、M ( R ) ≤ 16 ,则半径 R / 2 内至多四个零点,重根按重数计。
还可把零点权重写成累计计数:
∑ j log R | a j | = ∑ j ∫ | a j | R d t t = ∫ 0 R n ( t ) t d t . 有限个跳点处取开圆盘还是闭圆盘不会改变积分。这说明Jensen公式测量的是零点计数的对数尺度累计量。
式(2)给的是必要限制。若某个函数类有统一的模增长上界,就不能任意指定过于密集的零点。Weierstrass定理 理路 Weierstrass 整函数零点分解 Weierstrass factorization theorem · Weierstrass product theorem · Weierstrass整函数分解 用初等因子取消发散的低阶对数项,为任意离散零点及重数构造整函数,证明同零点函数只差整指数,并以cot对数导数识别正弦乘积。 虽然允许任意离散零点集,却不同时承诺任意指定的增长上界,这两句话并不冲突。
等角采样的误差可以精确算出
回到 f ( z ) = e z ( 1 − 2 z ) ( 1 − z / 2 ) 与 R = 1 。取 M ≥ 2 个等角点 ω j = e 2 π i j / M ,记
A M = 1 M ∑ j = 0 M − 1 log | f ( ω j ) | . 单位根之和为零,故指数项平均精确消失。在单位圆上,| 1 − 2 ω | = 2 | 1 − ω / 2 | ;再由有限恒等式
∏ j = 0 M − 1 ( 1 − q ω j ) = 1 − q M 取 q = 1 / 2 ,得到
(4) A M = log 2 + 2 M log ( 1 − 2 − M ) . 采样平均总是略低于真实平均。由 − log ( 1 − u ) ≤ u / ( 1 − u ) ,
0 < log 2 − A M ≤ 2 M ( 2 M − 1 ) . M = 16 时,右侧是 1 / 524280 。这是一份可核验的确定误差证书,来源是有限单位根乘积;不是把观察到的快速收敛当作所有全纯函数共有的采样速率。去零点与主部综合任务 可同时检查平移圆心、原点重数和离散平均。
参考资料