Theta - funktioner er specielle funktioner af flere komplekse variable . De spiller en vigtig rolle på mange områder, herunder teorien om abelske varianter , modulrum og kvadratiske former . De anvendes også i teorien om solitoner . Efter generalisering til Grassmann-algebraen optræder funktioner også i kvantefeltteorien [1] .
Den mest almindelige slags theta-funktioner er dem, der findes i teorien om elliptiske funktioner . Med hensyn til en af de komplekse variable (normalt betegnet z ), har theta-funktionen den egenskab, at den tilføjer perioderne for de tilknyttede elliptiske funktioner, hvilket gør dem kvasi-periodiske . I abstrakt teori opnås dette fra linjebundt- betingelsen drop .
Der er flere relaterede funktioner, kaldet Jacobi theta-funktionerne, og mange forskellige og inkompatible notationssystemer. En Jacobi theta-funktion (opkaldt efter Carl Gustav Jacobi ), er en funktion defineret ud fra to komplekse variable z og , hvor z kan være et hvilket som helst komplekst tal , og er begrænset til den øverste halvdel af planen , hvilket betyder at tallet har en positiv imaginære del. Funktionen er givet af formlen
hvor og . Funktionen er en Jacobi-form . Hvis vi fikser , bliver funktionen en Fourier-række for en periodisk hel funktion af z med periode 1. I dette tilfælde opfylder theta-funktionen identiteten
Funktionen opfører sig meget regelmæssigt under hensyntagen til kvasiperioden og opfylder den funktionelle ligning
hvor a og b er heltal.
Jacobi theta-funktionen defineret ovenfor betragtes nogle gange sammen med tre yderligere theta-funktioner, i hvilket tilfælde den skrives med et ekstra indeks 0:
Yderligere (semiperiodiske) funktioner er defineret af formlerne
Disse notationer blev fulgt af Riemann og Mumford . Jacobis oprindelige formulering var i form af nome , ikke . I Jacobi-notation skrives θ -funktioner som:
Ovenstående definitioner af Jacobi theta-funktionen er langt fra de eneste. Se artiklen Jacobi Theta-funktioner (variationer af notation) for yderligere diskussion.
Hvis vi indsætter theta-funktionerne ovenfor, får vi fire funktioner, der kun afhænger af og defineret på det øverste halvplan (som nogle gange kaldes theta-konstanter.) Disse kan bruges til at definere forskellige modulære former og til at parametrisere nogle kurver. Især Jacobi-identiteten
er en fjerdegrads Fermat-kurve .
Jacobi-identiteterne beskriver, hvordan theta-funktionerne transformeres af den modulære gruppe , som genereres af kortlægningerne og . Identiteterne for den første transformation er lette at finde, da tilføjelse af en til eksponenten k har samme effekt som at tilføje en til z ( mod 2). I det andet tilfælde sætter vi
Derefter
I stedet for at udtrykke theta-funktioner i form af z og , kan vi udtrykke dem i form af argumentet w og nomen q , hvor , og . I dette tilfælde bliver funktionerne
Vi ser, at theta-funktionerne kan defineres i termer af w og q uden direkte reference til eksponentialfunktionen. Formler kan derfor bruges til at definere theta-funktioner over andre felter, hvor eksponentialfunktionen måske ikke er defineret overalt, såsom feltet med p -adiske tal .
Jacobi-tredobbeltproduktet (et specialtilfælde af Macdonald-identiteterne ) fortæller os, at for komplekse tal w og q med og har vi
Dette kan bevises med elementære midler, som for eksempel i Hardy og Wrights An Introduction to the Theory of Numbers .
Hvis vi udtrykker theta-funktionen i form af volumener og , så
Vi får derfor en produktformel for formens theta-funktion
Med hensyn til w og q :
hvor er q -Pochhammer symbolet , og er q -theta funktionen . Hvis beslagene åbnes, vil Jacobi triple-produktet tage formen
som også kan omskrives som
Denne formel er sand for det generelle tilfælde, men er af særlig interesse for reelle z . Lignende produktformler for yderligere theta-funktioner
Jacobi theta-funktionerne har følgende integrerede repræsentationer:
Se Yi (2004) [2] .
Følgende to identiteter for serier blev bevist af Istvan Mezo [3] :
Disse relationer gælder for alle 0 < q < 1 . Fastsættelse af q -værdierne får vi følgende parameterfrie summer
Alle nuller i Jacobi theta-funktionerne er simple nuller og defineres som følger:
,hvor m , n er vilkårlige heltal.
Forhold
brugt Riemann til at bevise den funktionelle ligning for Riemann zeta-funktionen via Mellin-transformationen
og det kan vises, at transformationen er invariant under ændringen af s til 1 − s . Det tilsvarende integral for z ≠ 0 er givet i artiklen om Hurwitz zeta-funktionen .
Theta-funktioner blev brugt af Jacobi til at konstruere (i en form tilpasset til at forenkle beregninger) hans elliptiske funktioner som partialer af ovenstående fire theta-funktioner, og han kunne også bruge dem til at konstruere Weierstrass elliptiske funktioner , da
,hvor den anden afledede tages med hensyn til z , og konstanten c er defineret således, at Laurent-rækken af funktionen ℘( z ) i punktet z = 0 har en nulkonstantled.
Den fjerde theta-funktion - og derefter resten - er uløseligt forbundet med Jackson q -gamma-funktionen relationen [4] .
Lad være Dedekind eta-funktionen [ , og lad theta-funktionsargumentet være repræsenteret som nom . Derefter
og
Se også artiklen om Webers modulfunktioner .
J-invarianten er lig
,og det yderligere elliptiske modul er
Jacobi theta-funktionen er en fundamental løsning af den endimensionelle varmeligning med rumlige periodiske grænsebetingelser [5] . Ved at tage ægte, og med reel og positiv t , kan vi skrive
,hvad løser varmeligningen
Denne theta-løsning er 1-periodisk i x og har tendens til en periodisk deltafunktion eller Dirac-kam i betydningen fordelinger
.Generelle løsninger på problemet med rumlige periodiske begyndelsesværdier for varmeligningen kan opnås ved at konvolvere de indledende data ind med theta-funktionen.
Jacobi theta-funktionen er invariant under påvirkning af en diskret undergruppe af Heisenberg-gruppen . Denne invarians er præsenteret i artiklen om theta-repræsentationen af Heisenberg-gruppen.
Hvis F er en kvadratisk form i n variable, så er theta-funktionen forbundet med F
med summen over gitteret af heltal ℤ n . Denne theta-funktion er en modulær form med vægten (på en korrekt defineret undergruppe) af den modulære gruppe . I en Fourier-serieudvidelse
tallene kaldes formrepræsentationstal .
Lade
er sættet af symmetriske kvadratiske matricer , hvis imaginære del er positiv bestemt . ℍ n kaldes det øvre Siegel-halv-rum og er den højere-dimensionelle analog af det øvre halv-plan . Den n -dimensionelle analog af den modulære gruppe er den symbolske gruppe Sp(2 n , ℤ ) . For . Rollen af den n -dimensionelle analog af kongruente undergrupper spilles af
Så, hvis givet , er Riemann theta-funktionen defineret som
Her er en n -dimensionel kompleks vektor, og det hævede T betyder transponere . Jacobi theta-funktionen er så et specialtilfælde med og , hvor er det øverste halvplan af .
Riemann theta-funktionen konvergerer absolut og ensartet på kompakte delmængder .
Funktionel ligning af en funktion
som gælder for alle vektorer og for alle }} og .
Poincaré-serien generaliserer theta-serien til automorfe former som anvendt på vilkårlige fuchsiske grupper .