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解析接続とは|べき級数の再展開・多価性・自然境界

べき級数は収束円の中でしか意味を持たない。しかしその外側にも同じ関数が延びていることがある。円の中心を移して展開し直すと、届く範囲が変わるからである。

この操作を繰り返して定義域を広げるのが解析接続である。どこまで広げられるか、途中で分岐しないか、そもそも一意に決まるのかが問題になる。

何をしたいのか

は を除いて意味を持つ関数である。ところが原点でのべき級数 は でしか収束しない。

級数という表し方に限界があるだけで、関数そのものが単位円で切れているわけではない。表し方を取り替えれば先へ進める。

中心を に移して展開し直すと、今度は で収束する。もとの単位円の外側、 のような点まで届く。

これを繰り返して定義域を広げていく。ただし、広げた先の値が経路によらず定まるのか、どこかで行き止まるのかは、別に調べなければならない。

べき級数の収束円

点 を中心とするべき級数を考える。

ある があって、 で絶対収束し、 で発散する。この を収束半径という。

値はコーシー・アダマールの公式で決まる。

収束円の内部で は正則である。項別微分ができ、導関数もべき級数になる。

この級数の収束半径も に等しい。何回でも微分でき、 が成り立つ。

収束半径は最も近い特異点までの距離

収束半径が何で決まるかを見る。答えは特異点の位置である。

まず、 が円板 で正則なら である。コーシーの積分公式から係数評価が出る。

を取り、 上での の最大値を とすると、コーシーの評価式は次を与える。

これを 乗根に入れると である。 を に近づけて を得る。

逆に なら、境界 の上に特異点が少なくとも 1 つある。

もし境界上のすべての点が正則点なら、各点の近傍へ が延びる。境界はコンパクトなので有限個で覆え、 より大きい半径 の円板全体で正則になる。

すると前半から となって矛盾する。したがって境界上に特異点が存在する。

実軸だけ見ても分からない例

実数の関数として見ると、すべての実数で定義され何回でも微分できる。特異な点はどこにもない。

ところが原点でのテイラー級数の収束半径は 1 である。

では発散する。実数の世界にいるかぎり、なぜ 1 で止まるのか説明できない。

複素数に広げると理由が見える。 が極であり、原点からの距離がちょうど 1 である。前節の定理どおり、最も近い特異点までの距離が収束半径になっている。

実軸上の現象が、実軸から離れた点によって支配されている。複素解析を使う動機のひとつがこれである。

解析接続の定義

領域 とし、 を 上の正則関数とする。 上の正則関数 で 上 に一致するものを、 の への解析接続という。

大事なのは「正則なまま延ばす」ことである。連続に延ばすだけなら方法はいくらでもあるが、正則性を課すと選択の余地がほとんどなくなる。

その「ほとんどない」を正確にするのが次の一致の定理である。解析接続の理論はここから始まる。

一致の定理

を領域、すなわち連結な開集合とする。 を 上の正則関数とし、 内に集積点を持つ集合の上で が成り立つとする。このとき 全体で である。

とおき、次の集合を考える。

は閉集合である。各 が連続なので、その零点集合は閉であり、閉集合の共通部分も閉だからである。

は開集合でもある。 なら でのテイラー展開の係数がすべて なので、収束円内で である。その円板は に含まれる。

が空でないことを見る。仮定の集積点を とすると、連続性から である。

もし が の近くで恒等的に でないなら、()と書ける。 の連続性から の十分小さい近傍で となり、その近傍で の零点は のみになる。

これは が零点の集積点であることに反する。よって は の近傍で恒等的に であり、 である。

は空でない開かつ閉な部分集合で、 は連結だから である。したがって となる。

接続の一意性

一致の定理から一意性がただちに従う。 を領域とし、 を 上の正則関数とする。

への解析接続は、存在すれば一意である。

と が両方とも接続だとすると、 上で一致する。 は空でない開集合なので、その点はすべて集積点である。

一致の定理を に適用して を得る。

延ばし方に自由度がないので、「その関数の解析接続」と定冠詞つきで呼んでよい。あとで見る多価性は、この一意性を破るものではなく、経路ごとに別の接続が得られるという話である。

再展開による接続

具体的な接続の手段がべき級数の再展開である。 が で正則とし、 を取る。

を中心に展開し直す。係数は で計算できる。

この級数の収束半径を とする。 であれば、新しい円板がもとの円板からはみ出し、真の拡張になる。

点 周りのべき級数(収束半径 )

円内の点 を選ぶ

周りで再展開(収束半径 )

なら定義域が広がる

問題は、どの を選べば拡張になるかである。次の評価と 2 つの例でそこを見る。

新しい収束半径の下からの評価

つねに が成り立つ。等号のときは何も広がらない。

三角不等式から である。 なら だからである。

はこの小さい円板で正則なので、収束半径の下からの評価から となる。

したがって再展開で定義域が狭くなることはない。しかし広がる保証もない。広がるかどうかは特異点の配置で決まる。

特異点から遠ざかる方向に移す

特異点は の 1 点だけである。中心を に移す。特異点から遠ざかる向きである。

とおくと なので、等比級数の形に整える。

収束条件は 、つまり である。 となる。

前節の下限は だったので、 はそれを大きく上回る。真の拡張である。

新しい円板は の直前まで届く。たとえば は で入るが、もとの単位円の外にある。

検算しておく。 を代入すると となり、 に一致する。

は から特異点 までの距離である。収束半径の定理どおりになっている。

特異点に近づく方向では広がらない

同じ関数で に移すとどうなるか。今度は特異点 に近づく向きである。

収束条件は 、つまり である。 となる。

これは下限 とちょうど等しい。等号なので、何も広がっていない。

実際、新しい円板はもとの単位円に完全に含まれる。 なら だからである。

理由は から特異点までの距離にある。 しかないので、収束円が特異点に押さえられて広がれない。

再展開すればいつでも延びるわけではない。特異点から遠ざかる方向へ中心を移す必要がある。

の収束円が で、特異点が だけだとする。中心を に移して再展開したとき、拡張になるのはどれか。

  • どこに移しても同じだけ広がる
__RESULT__

新しい収束半径は から特異点 までの距離です。 なら で、もとの円をはみ出します。特異点に近づく側へ移すと広がりません。

対数関数を接続する

もうひとつ例を見る。主枝の対数のべき級数は次のとおりである。

特異点は なので である。中心を に移す。実軸から離れる向きである。

階微分は なので、係数は となる。

収束条件は である。 なら となる。

下限は だったので、これも真の拡張である。たとえば は で新しい円板に入るが、 でもとの円の外である。

新しい収束半径が から特異点 までの距離になっている点も、前の例と同じである。

経路に沿った接続

出発点 から目標点 まで曲線 を引く。曲線に沿って中心を少しずつ進め、円板を鎖のようにつないでいく。

隣り合う円板は重なるように取り、重なりの上で関数が一致するようにする。有限個の円板で に到達できれば、 に沿った解析接続が定まったという。

結果は円板の取り方に依らない。重なりが空でない開集合なので、一致の定理から各段の関数が一意に決まるからである。

しかし曲線を変えると結果が変わりうる。同じ点に別の道から到達したとき、違う値になることがある。これが多価性である。

モノドロミー定理

どんなときに経路によらないかを述べるのがモノドロミー定理である。

が領域 内のすべての曲線に沿って接続可能とする。このとき接続の結果は、曲線のホモトピー類だけで決まる。とくに が単連結なら、 上の一価な正則関数が得られる。

証明の骨格を述べる。端点を固定してホモトピックな 2 曲線 を取り、連続変形 でつなぐ。

各 について、 に沿った接続の終点での値を考える。この値は について局所的に定数である。

をわずかに動かしても、 は を覆う円板の鎖の中に収まる。同じ鎖で接続できるので値が変わらないからである。

区間 は連結なので、局所的に定数な関数は定数である。したがって と で同じ値になる。

単連結ならすべての曲線が互いにホモトピックなので、値は終点だけで決まる。一価な関数が定義できる。

平方根の多価性

は単連結でない。ここで多価性が起きる。

を、 で として接続する。 に沿って動かすと になる。

上半平面を通って を から まで動かすと である。

下半平面を通って を から まで動かすと である。同じ点で符号が逆になった。

原点を一周すると が 増え、 になる。出発点に戻ったのに値が変わる。

二周すれば元に戻る。値は 2 つあり、原点は 2 位の分岐点と呼ばれる。

対数の分岐点

では事情がさらに極端になる。

原点を一周するたびに が 増えるので、値は ずつずれる。何周しても元に戻らない。

平方根と違い、値は無限個ある。原点は無限位の分岐点である。

一価にするには、原点から出る半直線で平面を切る。負の実軸を切ると の主枝が定まる。この切れ目を分枝切断という。

切ったあとの領域は単連結なので、モノドロミー定理が使える。切り方を変えれば別の枝が得られる。

リーマン面という見方

多価性を「関数が悪い」と見るのをやめる立場がある。定義域が狭すぎたのだ、と考え直す。

なら平面を 2 枚用意し、切り口で互い違いに貼り合わせる。一周すると 2 枚目に移り、二周で戻る。

なら無限枚を螺旋階段のように貼る。何周しても新しい階に上がり続ける。

できあがった曲面をリーマン面という。その上では関数は一価になる。多価性は、関数の性質ではなく曲面の形として現れる。

解析接続で到達できる範囲をすべて集めたものが、その関数のリーマン面である。接続の理論は曲面の理論に読み替えられる。

自然境界

接続がどこまでも進むとは限らない。収束円の境界上のすべての点が特異点なら、そこから一歩も外へ出られない。

このとき円周を自然境界という。関数の存在域が収束円そのもので終わる。

証明のときに使う事実を先に置く。正則点の集合は開集合なので、特異点の集合は閉集合である。

したがって、境界上の稠密な部分集合が特異点だと分かれば、閉包を取って境界全体が特異点になる。次節はこの形で進む。

単位円が自然境界になる例

係数は か なのでコーシー・アダマールから である。

二進有理点 を取る。 は整数、 は 以上の整数である。 のとき指数が整数倍になる。

として を代入する。 の項は となり、すべて正の実数である。

第 1 項は 個の有限和で、絶対値は 以下に抑えられる。第 2 項は正の項の無限和である。

とすると、第 2 項の各項が に近づく。有限個で切って下から評価すればいくらでも大きくできるので、和は発散する。

よって となり、 は特異点である。二進有理点は単位円周上で稠密なので、前節の議論から円周全体が特異点になる。

が の最大の存在域であり、単位円は自然境界である。

間隙定理

前節の級数は指数が と急速に増える。指数に大きな隙間があるべき級数を間隙級数という。

アダマールの間隙定理は次を主張する。 の指数が をすべての で満たすなら、収束円は自然境界である。

なら比が で条件を満たす。 でも比が で満たすので、 も同じ結論になる。

ファブリの間隙定理はもっと弱い条件で足りることを言う。 であれば収束円が自然境界になる。

隙間が十分あると、境界の情報が円周全体に均等に散らばってしまい、どの方向にも抜け道が残らない。

ガンマ関数を接続する

積分表示は右半平面でしか収束しない。

で被積分関数が の振る舞いをするので、 が必要である。

部分積分から関数等式 が出る。これを について解く。

右辺は かつ で意味を持つ。定義域が左へ 1 だけ広がった。

繰り返せばいくらでも広がる。

を任意に大きく取れるので、 は複素平面全体へ有理型に接続される。極は で、いずれも 1 位である。

での留数は になる。関数等式ひとつで全平面が埋まる、見通しのよい例である。

ゼータ関数を接続する

級数は でしか収束しない。

交代級数にすると収束域が広がる。ディリクレのエータ関数を次で定める。

これは で収束する。偶数項を 倍して引く計算から が出るので、次が得られる。

右辺は で意味を持ち、 が 1 位の極になる。ここまでで定義域が半平面に広がった。

さらに関数等式を使えば全平面に届く。

の値が の値から決まる。 を代入すると が出る。

この値をもって と書くのは誤りである。もとの級数は でしか意味を持たない。

接続した先の関数の値と、そこでは収束しない級数の和を取り違えている。両者を結ぶのは接続の一意性であって、等号ではない。

級数という表し方の限界と、関数そのものの広がりを区別する。この記事の最初に述べた区別が、最後まで効いている。

参考文献

解析接続 - Wikipedia
複素解析学特論
複素函数論
複素解析:一致の定理
Analytic Continuation
Analytic continuation
Behavior of lacunary series at the natural boundary
べき級数は収束円の中でしか意味を持たないが、中心を移して展開し直せば外側へ延ばせる。収束半径が最も近い特異点までの距離であることを証明し、どの方向へ移せば広がるかを例と反例で示す。一致の定理による一意性、多価性、自然境界まで扱う。