Las funciones theta son funciones especiales de varias variables complejas . Desempeñan un papel importante en muchos campos, incluida la teoría de las variedades abelianas , los espacios de módulos y las formas cuadráticas . También se aplican en la teoría de los solitones . Después de la generalización al álgebra de Grassmann , las funciones también aparecen en la teoría cuántica de campos [1] .
El tipo más común de funciones theta son las que se encuentran en la teoría de funciones elípticas . Con respecto a una de las variables complejas (normalmente denominada z ), la función theta tiene la propiedad de sumar los periodos de las funciones elípticas asociadas, haciéndolas cuasi-periódicas . En teoría abstracta, esto se obtiene a partir de la condición de paquete de líneas la gota .
Hay varias funciones relacionadas, llamadas funciones theta de Jacobi, y muchos sistemas de notación diferentes e incompatibles. Una función theta de Jacobi (llamada así por Carl Gustav Jacobi ), es una función definida a partir de dos variables complejas z y , donde z puede ser cualquier número complejo , y está limitada a la mitad superior del plano , lo que significa que el número tiene un número positivo parte imaginaria. La función viene dada por la fórmula
donde y . La función es una forma de Jacobi . Si fijamos , la función se convierte en una serie de Fourier para una función entera periódica de z con periodo 1. En este caso, la función theta satisface la identidad
La función se comporta de forma muy regular, teniendo en cuenta el cuasi-período , y satisface la ecuación funcional
donde a y b son números enteros.
La función theta de Jacobi definida anteriormente a veces se considera junto con tres funciones theta adicionales, en cuyo caso se escribe con un índice adicional 0:
Las funciones adicionales (semiperiódicas) se definen mediante las fórmulas
Estas notaciones fueron seguidas por Riemann y Mumford . La formulación original de Jacobi fue en términos de nome , no . En notación de Jacobi, las funciones θ se escriben como:
Las definiciones anteriores de la función theta de Jacobi están lejos de ser las únicas. Consulte el artículo Funciones Theta de Jacobi (variaciones de notación) para obtener más información.
Si ponemos las funciones theta anteriores, obtenemos cuatro funciones que dependen solo y están definidas en el semiplano superior (que a veces se denominan constantes theta). Estas pueden usarse para definir varias formas modulares y parametrizar algunas curvas. En particular, la identidad jacobi
es una curva de Fermat de cuarto grado .
Las identidades de Jacobi describen cómo las funciones theta son transformadas por el grupo modular , que es generado por los mapeos y . Las identidades de la primera transformación son fáciles de encontrar, ya que sumar uno al exponente k tiene el mismo efecto que sumar uno a z ( mod 2). En el segundo caso ponemos
Después
En lugar de expresar las funciones theta en términos de z y , podemos expresarlas en términos del argumento wy el nombre q , donde , y . En este caso, las funciones se convierten en
Vemos que las funciones theta se pueden definir en términos de w y q sin referencia directa a la función exponencial. Las fórmulas se pueden usar, por lo tanto, para definir funciones theta sobre otros campos donde la función exponencial puede no estar definida en todas partes, como el campo de números p -ádicos .
El producto triple de Jacobi (un caso especial de las identidades de Macdonald ) nos dice que para los números complejos w y q con y tenemos
Esto se puede probar por medios elementales, como, por ejemplo, en An Introduction to the Theory of Numbers de Hardy y Wright .
Si expresamos la función theta en términos de volúmenes y , entonces
Por lo tanto, obtenemos una fórmula producto para la función theta de la forma
En términos de w y q :
donde es el símbolo q -Pochhammer , y es la función q -theta . Si se abren los paréntesis, el triple producto de Jacobi tomará la forma
que también se puede reescribir como
Esta fórmula es cierta para el caso general, pero es de particular interés para z real . Fórmulas de productos similares para funciones theta adicionales
Las funciones theta de Jacobi tienen las siguientes representaciones integrales:
Véase Yi (2004) [2] .
Istvan Mezo [3] demostró las siguientes dos identidades para series :
Estas relaciones se cumplen para todo 0 < q < 1 . Fijando los valores de q , obtenemos las siguientes sumas sin parámetros
Todos los ceros de las funciones theta de Jacobi son ceros simples y se definen de la siguiente manera:
,donde m , n son números enteros arbitrarios.
Relación
usó Riemann para probar la ecuación funcional para la función zeta de Riemann a través de la transformada de Mellin
y se puede demostrar que la transformación es invariante bajo el cambio de s a 1 − s . La integral correspondiente para z ≠ 0 se da en el artículo sobre la función zeta de Hurwitz .
Jacobi usó las funciones theta para construir (en una forma adaptada para simplificar los cálculos) sus funciones elípticas como parciales de las cuatro funciones theta anteriores, y también podría usarlas para construir las funciones elípticas de Weierstrass , ya que
,donde la segunda derivada se toma con respecto a z , y la constante c se define de modo que la serie de Laurent de la función ℘( z ) en el punto z = 0 tiene un término constante cero.
La cuarta función theta, y luego el resto, está indisolublemente unida a la función q -gamma de Jackson la relación [4] .
Sea la función eta de Dedekind , y represente el argumento de la función theta como nom . Después
y
Véase también el artículo sobre las funciones modulares de Weber .
El J-invariante es igual
,y el módulo elíptico adicional es
La función theta de Jacobi es una solución fundamental de la ecuación de calor unidimensional con condiciones de contorno periódicas espaciales [5] . Tomando real, y con t real y positiva , podemos escribir
,que resuelve la ecuacion del calor
Esta solución theta es 1-periódica en x y tiende a una función delta periódica o peine de Dirac en el sentido de distribuciones
.Las soluciones generales para el problema con valores iniciales periódicos espaciales para la ecuación de calor se pueden obtener convolucionando los datos iniciales con la función theta.
La función theta de Jacobi es invariante bajo la acción de un subgrupo discreto del grupo de Heisenberg . Esta invariancia se presenta en el artículo sobre la representación theta del grupo de Heisenberg.
Si F es una forma cuadrática en n variables, entonces la función theta asociada con F es
con la suma sobre la red de enteros ℤ n . Esta función theta es una forma modular con el peso (sobre un subgrupo propiamente definido) del grupo modular . En una expansión en serie de Fourier
los números se llaman números de representación de forma .
Dejar
es el conjunto de matrices cuadradas simétricas cuya parte imaginaria es definida positiva . ℍ n se llama semiespacio superior de Siegel y es el análogo de dimensión superior del semiplano superior . El análogo n -dimensional del grupo modular es el grupo simpléctico Sp(2 n , ℤ ) . para . El papel del análogo n -dimensional de los subgrupos congruentes lo desempeña
Entonces, si se da , la función theta de Riemann se define como
Aquí, es un vector complejo n -dimensional, y el superíndice T significa transposición . La función theta de Jacobi es entonces un caso especial con y , donde es el semiplano superior de .
La función theta de Riemann converge absoluta y uniformemente en subconjuntos compactos .
Ecuación funcional de una función
que se cumple para todos los vectores y para todos }} y .
La serie de Poincaré generaliza la serie theta a formas automórficas aplicadas a grupos fucsianos arbitrarios .