Еліптичні функції Веєрштрасса
Названо на честь
Карл Веєрштрасс
Формула
℘
(
z
;
ω
1
,
ω
2
)
=
1
z
2
+
∑
n
2
+
m
2
≠
0
(
1
(
z
+
m
ω
1
+
n
ω
2
)
2
−
1
(
m
ω
1
+
n
ω
2
)
2
)
{\displaystyle \wp (z;\omega _{1},\omega _{2})={\frac {1}{z^{2}}}+\sum _{n^{2}+m^{2}\neq 0}\left({\frac {1}{(z+m\omega _{1}+n\omega _{2})^{2}}}-{\frac {1}{(m\omega _{1}+n\omega _{2})^{2}}}\right)}
Нотація
℘ d
Підтримується Вікіпроєктом
Вікіпедія:Проєкт:Математика
Еліптичні функції Веєрштрасса у Вікісховищі
Еліптичні функції Веєрштрасса — одні з найпростіших еліптичних функцій . Цей клас функцій названий на честь Карла Веєрштрасса . Також їх називають
℘
{\displaystyle \wp }
-функціями Веєрштрасса, і використовують для їх позначення символ
℘
{\displaystyle \wp }
(стилізоване P ).
Нехай задана деяка ґратка
Γ
{\displaystyle \Gamma }
в
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
. Тоді
℘
{\displaystyle \wp }
-функцією Веєрштрасса на ній називається мероморфна функція, задана як сума ряду
℘
E
(
z
)
=
1
z
2
+
∑
w
∈
Γ
∖
{
0
}
(
1
(
z
−
w
)
2
−
1
w
2
)
.
{\displaystyle \wp _{E}(z)={\frac {1}{z^{2}}}+\sum _{w\in \Gamma \setminus \{0\}}\left({\frac {1}{(z-w)^{2}}}-{\frac {1}{w^{2}}}\right).}
Можна побачити, що така функція буде
Γ
{\displaystyle \Gamma }
-періодичною на
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
, і тому є мероморфною функцією на
E
{\displaystyle E}
.
Ряд, що задає функцію Веєрштрасса є, в певному значенні, «регуляризованою версією» розбіжного ряду,
∑
w
∈
Γ
1
(
z
−
w
)
2
{\displaystyle \sum _{w\in \Gamma }{\frac {1}{(z-w)^{2}}}}
— «наївної» спроби задати
Γ
{\displaystyle \Gamma }
-періодичну функцію. Цей ряд є абсолютно розбіжним (а за відсутності природного порядку на
Γ
{\displaystyle \Gamma }
має сенс говорити тільки про абсолютну збіжність) при всіх z, оскільки при фіксованому z і при великих w модулі його членів поводяться як
1
|
w
|
2
{\displaystyle {\frac {1}{|w|^{2}}}}
, а сума
∑
w
∈
Γ
1
|
w
|
2
{\displaystyle \sum _{w\in \Gamma }{\frac {1}{|w|^{2}}}}
по двовимірних ґратках
Γ
{\displaystyle \Gamma }
є розбіжною.
Задаючи ґратку
Γ
{\displaystyle \Gamma }
її базисом
Γ
=
{
m
ω
1
+
n
ω
2
∣
m
,
n
∈
Z
}
{\displaystyle \Gamma =\{m\omega _{1}+n\omega _{2}\mid m,n\in \mathbb {Z} \}}
, можна записати
℘
(
z
;
ω
1
,
ω
2
)
=
1
z
2
+
∑
(
m
,
n
)
∈
Z
2
∖
{
(
0
,
0
)
}
(
1
(
z
−
m
ω
1
−
n
ω
2
)
2
−
1
(
m
ω
1
+
n
ω
2
)
2
)
.
{\displaystyle \wp (z;\omega _{1},\omega _{2})={\frac {1}{z^{2}}}+\sum _{(m,n)\in \mathbb {Z} ^{2}\setminus \{(0,0)\}}\left({\frac {1}{(z-m\omega _{1}-n\omega _{2})^{2}}}-{\frac {1}{(m\omega _{1}+n\omega _{2})^{2}}}\right).}
Також, оскільки функція Веєрштрасса як функція трьох змінних однорідна
℘
(
a
z
;
a
ω
1
,
a
ω
2
)
=
a
−
2
w
p
(
z
;
ω
1
,
ω
2
)
{\displaystyle \wp (az;a\omega _{1},a\omega _{2})=a^{-2}wp(z;\omega _{1},\omega _{2})}
, позначивши
τ
=
ω
2
/
ω
1
{\displaystyle \tau =\omega _{2}/\omega _{1}}
, має місце рівність:
℘
(
z
;
ω
1
,
ω
2
)
=
ω
1
−
2
℘
(
z
/
ω
1
;
1
,
τ
)
.
{\displaystyle \wp (z;\omega _{1},\omega _{2})=\omega _{1}^{-2}\wp (z/\omega _{1};1,\tau ).}
Тому розглядають
℘
(
z
;
τ
)
=
℘
(
z
;
1
,
τ
)
=
1
z
2
+
∑
(
m
,
n
)
∈
Z
2
∖
{
(
0
,
0
)
}
(
1
(
z
−
m
−
n
τ
)
2
−
1
(
m
+
n
τ
)
2
)
.
{\displaystyle \wp (z;\tau )=\wp (z;1,\tau )={\frac {1}{z^{2}}}+\sum _{(m,n)\in \mathbb {Z} ^{2}\setminus \{(0,0)\}}\left({\frac {1}{(z-m-n\tau )^{2}}}-{\frac {1}{(m+n\tau )^{2}}}\right).}
Функція Веєрштрасса
℘
E
:
E
↦
C
^
{\displaystyle \wp _{E}:E\mapsto {\widehat {\mathbb {C} }}}
— парна мероморфна функція, з єдиним полюсом другого порядку в точці 0.
Скориставшись розкладом
1
(
w
−
z
)
2
=
1
w
2
+
∑
j
=
1
∞
j
+
1
w
j
+
2
z
j
{\displaystyle {\frac {1}{(w-z)^{2}}}={\frac {1}{w^{2}}}+\sum \nolimits _{j=1}^{\infty }{\frac {j+1}{w^{j+2}}}z^{j}}
і посумувавши по
w
∈
Γ
∖
{
0
}
{\displaystyle w\in \Gamma \setminus \{0\}}
, можна одержати розклад в точці
z
=
0
{\displaystyle z=0}
функції Веєрштрасса в ряд Лорана :
℘
E
(
z
)
=
1
z
2
+
∑
k
=
2
∞
(
2
k
+
1
)
G
2
k
(
Γ
)
z
2
k
−
2
,
{\displaystyle \wp _{E}(z)={\frac {1}{z^{2}}}+\sum _{k=2}^{\infty }(2k+1)G_{2k}(\Gamma )z^{2k-2},}
де
G
2
k
(
Γ
)
=
∑
w
∈
Γ
∖
{
0
}
w
−
2
k
{\displaystyle G_{2k}(\Gamma )=\sum _{w\in \Gamma \setminus \{0\}}w^{-2k}}
— ряди Ейзенштейна для ґратки
Γ
{\displaystyle \Gamma }
(відповідні непарні суми рівні нулю).
Проте, коефіцієнти при
z
2
{\displaystyle z^{2}}
і
z
4
{\displaystyle z^{4}}
часто записують в іншій, традиційній формі:
℘
E
(
z
)
=
1
z
2
+
1
20
g
2
(
Γ
)
z
2
+
1
28
g
3
(
Γ
)
z
4
+
…
,
{\displaystyle \wp _{E}(z)={\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{20}}g_{2}(\Gamma )z^{2}+{\frac {1}{28}}g_{3}(\Gamma )z^{4}+\dots ,}
де
g
2
{\displaystyle g_{2}}
і
g
3
{\displaystyle g_{3}}
— модулярні інваріанти ґратки
Γ
{\displaystyle \Gamma }
:
g
2
(
Γ
)
=
60
G
4
(
Γ
)
,
g
3
(
Γ
)
=
140
G
6
(
Γ
)
.
{\displaystyle g_{2}(\Gamma )=60G_{4}(\Gamma ),\quad g_{3}(\Gamma )=140G_{6}(\Gamma ).}
З визначеними раніше позначеннями, ℘ функція задовольняє наступне диференціальне рівняння :
[
℘
′
(
z
)
]
2
=
4
[
℘
(
z
)
]
3
−
g
2
℘
(
z
)
−
g
3
,
{\displaystyle [\wp '(z)]^{2}=4[\wp (z)]^{3}-g_{2}\wp (z)-g_{3},}
.
Еліптичні функції Веєрштрасса можуть бути подані через обертання еліптичних інтегралів . Нехай
u
=
∫
y
∞
d
s
4
s
3
−
g
2
s
−
g
3
.
{\displaystyle u=\int _{y}^{\infty }{\frac {ds}{\sqrt {4s^{3}-g_{2}s-g_{3}}}}.}
де g 2 і g 3 приймаються константами. Тоді
y
=
℘
(
u
)
.
{\displaystyle y=\wp (u).}
Дійсна частина дискримінанта як функція від
q
=
e
π
i
τ
{\displaystyle q=e^{\pi i\tau }}
на одиничному крузі
Модулярний дискримінант
Δ
{\displaystyle \Delta }
еліптичної функції Веєрштрасса означується як дискримінант многочлена в правій частині диференціального рівняння наведеного вище:
Δ
=
g
2
3
−
27
g
3
2
.
{\displaystyle \Delta =g_{2}^{3}-27g_{3}^{2}.}
Дискримінант є модулярною формою ваги 12. Це означає, що під дією модулярної групи він перетворюється за правилом
Δ
(
a
τ
+
b
c
τ
+
d
)
=
(
c
τ
+
d
)
12
Δ
(
τ
)
{\displaystyle \Delta \left({\frac {a\tau +b}{c\tau +d}}\right)=\left(c\tau +d\right)^{12}\Delta (\tau )}
де
a
,
b
,
d
,
c
∈
Z
{\displaystyle a,b,d,c\in \mathbb {Z} }
такі, що
a
d
−
b
c
=
1
{\displaystyle ad-bc=1}
.[ 1]
Справедлива рівність
Δ
=
(
2
π
)
12
η
24
{\displaystyle \Delta =(2\pi )^{12}\eta ^{24}}
, де
η
{\displaystyle \eta }
позначає ета-функцію Дедекінда [en] .[ 2]
Коефіцієнти Фур'є розкладу
Δ
{\displaystyle \Delta }
в ряд по степенях
q
=
e
π
i
τ
{\displaystyle q=e^{\pi i\tau }}
визначаються через тау-функцію Рамануджана [en] .
Для еліптичних функцій Веєрштрасса виконується:
det
[
℘
(
z
)
℘
′
(
z
)
1
℘
(
y
)
℘
′
(
y
)
1
℘
(
z
+
y
)
−
℘
′
(
z
+
y
)
1
]
=
0
{\displaystyle \det {\begin{bmatrix}\wp (z)&\wp '(z)&1\\\wp (y)&\wp '(y)&1\\\wp (z+y)&-\wp '(z+y)&1\end{bmatrix}}=0}
(або в більш симетричній формі
det
[
℘
(
u
)
℘
′
(
u
)
1
℘
(
v
)
℘
′
(
v
)
1
℘
(
w
)
℘
′
(
w
)
1
]
=
0
{\displaystyle \det {\begin{bmatrix}\wp (u)&\wp '(u)&1\\\wp (v)&\wp '(v)&1\\\wp (w)&\wp '(w)&1\end{bmatrix}}=0}
де
u
+
v
+
w
=
0
{\displaystyle u+v+w=0}
).
Також
℘
(
z
+
y
)
=
1
4
{
℘
′
(
z
)
−
℘
′
(
y
)
℘
(
z
)
−
℘
(
y
)
}
2
−
℘
(
z
)
−
℘
(
y
)
.
{\displaystyle \wp (z+y)={\frac {1}{4}}\left\{{\frac {\wp '(z)-\wp '(y)}{\wp (z)-\wp (y)}}\right\}^{2}-\wp (z)-\wp (y).}
і
℘
(
2
z
)
=
1
4
{
℘
″
(
z
)
℘
′
(
z
)
}
2
−
2
℘
(
z
)
,
{\displaystyle \wp (2z)={\frac {1}{4}}\left\{{\frac {\wp ''(z)}{\wp '(z)}}\right\}^{2}-2\wp (z),}
якщо
2
z
{\displaystyle 2z}
не є періодом.
Вираження довільних еліптичних функцій через функції Веєрштрасса[ ред. | ред. код ]
Будь-яка еліптична функція з періодами
a
{\displaystyle a}
і
b
{\displaystyle b}
може бути представлена у вигляді
f
(
z
)
=
h
(
℘
(
z
)
)
+
g
(
℘
(
z
)
)
℘
′
(
z
)
{\displaystyle f(z)=h(\wp (z))+g(\wp (z)){\wp }'(z)}
де h , g — раціональні функції ,
℘
(
z
)
{\displaystyle \wp (z)}
— функція Веєрштрасса з тими ж періодами що і у
f
(
z
)
{\displaystyle f(z)}
. Якщо при цьому
f
(
z
)
{\displaystyle f(z)}
є парною функцією , то її можна представити у вигляді
f
(
z
)
=
h
(
℘
(
z
)
)
{\displaystyle f(z)=h(\wp (z))}
, де h раціональна. Іншими словами поле еліптичних функцій з фундаментальними періодами
a
{\displaystyle a}
і
b
{\displaystyle b}
є скінченним розширенням поля
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
комплексних чисел , з породжуючими елементами
℘
(
z
)
{\displaystyle \wp (z)}
і
℘
′
(
z
)
{\displaystyle {\wp }'(z)}
.
K. Chandrasekharan, Elliptic functions (1980), Springer-Verlag ISBN 0-387-15295-4
Serge Lang, Elliptic Functions (1973), Addison-Wesley, ISBN 0-201-04162-6