一个多项式等于常数乘以有限个线性零点因子。整函数可以有无穷多个零点,却不能简单地把所有线性因子相乘:零点逃远得慢时,乘积会发散。Weierstrass分解保留每个零点,同时用不会产生零点的指数校正,让尾部真正接近一。
形式陈述
可指定的数据与初等因子
给定原点的零点阶数 m ≥ 0 ,以及非零复数序列 a 1 , a 2 , … ,满足 | a n | → ∞ 。序列允许重复,但每个位置只重复有限次,用重复次数表示所需重数。有限个零点或没有非零零点也允许。
对整数 p ≥ 0 ,定义Weierstrass初等因子
(1) E 0 ( w ) = 1 − w , E p ( w ) = ( 1 − w ) exp ( w + w 2 2 + ⋯ + w p p ) . 每个 E p 只有一个零点 w = 1 ,且为简单零点;指数部分不增加也不删除零点。
存在非负整数 p n ,使
(2) F ( z ) = z m ∏ n = 1 ∞ E p n ( z / a n ) 按正常全纯乘积 理路 全纯函数的正常无穷乘积 Holomorphic infinite product · 全纯无穷乘积 · 正常收敛乘积 用紧集可求和的小扰动构造全纯乘积,证明尾积非零、准确零点重数及对数导数,并给可直接代入的统一截断界。 收敛,所得整函数的零点恰为指定的位置与重数。总能取 p n = n ;通常可以选得更小。
若 f 是任意不恒为零的整函数,非零零点按重数列成上述序列,原点零点阶数为 m ,则存在整函数 h 满足
(3) f ( z ) = e h ( z ) z m ∏ n = 1 ∞ E p n ( z / a n ) . 这里 h 一般不是多项式。本页不假设有限增长阶,也不把更强的Hadamard结论混入(3)。
直觉
指数修正取消的是什么
对 | w | < 1 ,在原点归零的对数给
(4) log E p ( w ) = log ( 1 − w ) + ∑ k = 1 p w k k = − ∑ k = p + 1 ∞ w k k . 原来 log ( 1 − w ) 从一次项开始;乘上指数后,前 p 阶恰好抵消,第一项推迟到 w p + 1 。这不改变零点,却大幅缩小远处零点对当前紧集的影响。
例如零点在正整数 n ,朴素线性因子的偏差为 O ( 1 / n ) ,总和发散。改用 ( 1 − z / n ) e z / n 后,尾对数从 − z 2 / ( 2 n 2 ) 开始,可以求和。修正的目的不是令每一项数值更美观,而是使无限构造有正确的解析极限。
为什么剩下的是整指数
若两个整函数有完全相同的零点与阶数,它们的商在原零点处可约去同阶因子,不再有奇点,也不会等于零。在整个复平面上,无零整函数能写成一个整函数的指数。因此无穷零点表决定了“哪里为零”,却没有决定那张无零的背景因子。
例子与边界
正整数零点只需一次修正
令
G ( z ) = ∏ n = 1 ∞ ( 1 − z / n ) e z / n . 它在所有紧集上正常收敛,零点恰为 1 , 2 , 3 , … ,全部简单。取 p = 1 有效,因为 ∑ n − 2 < ∞ 。前几项导数可以直接从(4)读出:G ( 0 ) = 1 , G ′ ( 0 ) = 0 。
图片加载失败 G 和 e z 2 G 仍有相同零点、相同原点值及一阶导数。有限几个归一化条件不能普遍消除一个任意整函数 h 的自由度;若要唯一认定熟悉函数,还需差分方程、增长限制或对数导数等额外信息。
成对零点不需要保留两份指数
有恒等式
E 1 ( z / n ) E 1 ( − z / n ) = 1 − z 2 / n 2 . 于是对称零点 ± 1 , ± 2 , … 可组织为
(5) P ( z ) = z ∏ n = 1 ∞ ( 1 − z 2 / n 2 ) . 这个整函数在每个整数有一个简单零点,且 P ′ ( 0 ) = 1 。这里配对后的尾偏差已经为 O ( n − 2 ) ,所以成立;不能据此宣称未配对的条件乘积总可任意重排。
不能在平面内部堆积零点
若要求非零整函数在 1 , 1 / 2 , 1 / 3 , … 都为零,这些零点在原点聚集,违反全纯函数的孤立零点性质。Taylor展开中首个非零系数会把小邻域的零点限制为中心一个;若不存在首个非零系数,函数就在邻域恒零,并由连通性处处恒零。
因此“无有限聚点”是实质条件。一般开域可以让零点向域边界聚集,但那需要改变构造,本页只陈述整平面版本。
若只给有限个零点,式(2)退化成有限多项式因子;若没有零点,式(3)直接说 f = e h 。恒零函数不能纳入这一分解,因为它没有离散的有限重数零点表。
推论与应用
给任意零列选择足够的修正阶数
由(4),当 | w | ≤ 1 / 2 ,
(6) | log E p ( w ) | ≤ | w | p + 1 ( p + 1 ) ( 1 − | w | ) ≤ 2 | w | p + 1 . 固定圆盘 | z | ≤ R 。由于 | a n | → ∞ ,充分大的 n 都有 | z / a n | ≤ 1 / 2 。取 p n = n ,右侧至多 2 − n ;再用 | e v − 1 | ≤ e | v | − 1 ≤ 2 | v | (| v | ≤ 1 ),得到
sup | z | ≤ R | E n ( z / a n ) − 1 | ≤ 2 1 − n 对充分大的 n 成立。因此(2)满足正常乘积条件,极限全纯且零点重数准确,存在性得到证明。
若某个固定整数 p 满足
(7) ∑ n | a n | − p − 1 < ∞ , 则可以对所有因子统一取这个 p 。证明仍是(6),只把尾部几何级数改成 R p + 1 ∑ | a n | − p − 1 。这里是一个方便的充分条件,不将其说成任意配对方式下的必要条件。
无零整函数有全局对数
令 g = f / F ,在各零点处约去相同阶数,便得到无零整函数。函数 g ′ / g 也是整函数。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。 ,它在单连通的整平面上有原函数;取任意满足 e c = g ( 0 ) 的常数 c ,定义
h ( z ) = c + ∫ 0 z g ′ ( ζ ) g ( ζ ) d ζ . 积分与路径无关。求导可见 ( g e − h ) ′ = 0 ,原点值为一,所以 g = e h ,式(3)得证。不同 c 可相差 2 π i 的整数倍,但指数函数不变。
这一步用到了整平面。无零全纯函数 g ( z ) = z 在穿孔平面上没有单值全纯对数,因为沿单位圆积分 g ′ / g = 1 / z 得到 2 π i ,不可能是原函数的闭路积分。
一般连通域上的全纯对数与根周期判据 理路 全纯对数与根的周期判据 Holomorphic logarithm · Holomorphic root period criterion 用对数导数的闭路整数周期,分别判定无零全纯函数何时有全局对数和m次根,并构造全部分支。 把这个例子补为两个充要条件:对数要求所有归一化闭路周期为零,m 次根要求全部周期属于 m Z 。因此有平方根仍可没有对数;本页无零整商的原函数构造则是所有周期自动消失的情形。
用对数导数,而不是只靠零点,认定正弦
主部构造与cot部分分式 理路 Mittag–Leffler 指定主部构造 Mittag-Leffler theorem · Mittag–Leffler theorem · Mittag-Leffler主部定理 对整平面的离散极点与有限主部作Taylor校正,构造局部一致收敛的亚纯函数;证明整函数自由度,并以带误差的围道计算认定cot部分分式。 通过留数围道给出
(8) π cot ( π z ) = 1 z + ∑ n = 1 ∞ 2 z z 2 − n 2 , z ∉ Z . 另一方面,正常乘积的对数导数使(5)满足同一个式子:P ′ / P 等于(8)右侧。由复指数表达式,sin ( π z ) 的零点恰为整数,导数在这些点为 π ( − 1 ) n ≠ 0 ,所以 Q ( z ) = sin ( π z ) / P ( z ) 可在所有整数处延拓为无零整函数。
在非整数处,Q ′ / Q = π cot ( π z ) − P ′ / P = 0 ,故 Q 恒定;原点极限给 Q ( 0 ) = π 。于是
(9) sin ( π z ) = π z ∏ n = 1 ∞ ( 1 − z 2 / n 2 ) . 证明的三份信息各有分工:正常乘积保证对象存在且零点准确,部分分式认定对数导数,原点导数最后决定常数。
若 S N ( z ) = π z ∏ n = 1 N ( 1 − z 2 / n 2 ) ,则在 | z | ≤ r 上,
| sin ( π z ) − S N ( z ) | ≤ | S N ( z ) | ( e r 2 / N − 1 ) . 这让恒等式同时成为一份有统一误差的有限计算。去零点与主部综合任务 可将它迁移到增长重数零列、双阶主部和半整数零点。
参考资料