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とりこぼす値はいくつか……ピカールの小定理と大定理が言い切る

定数でない整関数は、高々 1 つの値を除いてすべての複素数を値にとります。落とせるのはたった 1 個。

これがピカールの小定理です[1]。有界な整関数は定数だ、というリウヴィルの定理を、はるかに強くした形になっています。

大定理はもっと強い。真性特異点のどんな小さな近傍でも、高々 1 つの例外を除くすべての値を、無限回とります。

近づくのではなく、実際にその値をとる[2]。しかも 1 回ではなく無限回です。

小定理

主張はこうです。 が複素平面全体で正則で定数でないなら、 の像は そのものか、 から 1 点を除いたもの。

つまり、2 つ以上の値を落とすことはできません。落とせるとしたら 1 個まで。

多項式なら 1 つも落としません。代数学の基本定理から、 はどの についても解を持ちます。

落とす値が本当に現れるのは、超越整関数の場合です。

例:指数関数

という値だけをとりません。それ以外の複素数はすべて、しかも無限個の で実現されます。

を解くと です。 なら ごとに解があり、無限個。

のときだけ解がありません。 が正の数なので、決して にならない。

小定理の言う例外が、ちょうど 1 つ現れる例です。 なら例外は で、平行移動すれば例外の位置も動きます。

リウヴィルからピカールまで

同じ主題について、強さの違う 3 つの主張が並びます。

リウヴィルの定理。有界な整関数は定数。像が有界になれない、とだけ言う
カゾラーティ・ワイエルシュトラス。真性特異点の近くで像は稠密。近づくとしか言わない
ピカールの定理。高々 1 つの例外を除いて、実際に値をとる。しかも無限回

下へ行くほど結論が強くなります。像が広いというだけの主張から、抜ける値の個数まで数えた主張へ[3,4]

大定理

で真性特異点を持つとします。 を抜いたどんな小さな近傍をとっても、 の像は高々 1 点を除く複素平面全体。

しかも、それぞれの値は無限個の点でとられます。「近づく」ではなく「とる」であることと、「無限回」であることが、カゾラーティ・ワイエルシュトラスとの差です。

有理型の場合は例外が 2 つまで許されます。 という値も数えるためで、極を持つ関数では が例外にならない側へ回る。

例: が原点の近くでとる値

に対して を解きます。

を大きくすると分母の絶対値が大きくなり、 へ近づく。だからどんな小さな近傍にも、解が無限個入ります。

だけは解を持ちません。例外がちょうど 1 つ現れる形です。

極なら像は外側の環に押しやられ、除去可能なら 1 点のまわりに縮まります。真性特異点だけが、枠のすみずみまで埋める。

大定理から小定理が出る

整関数は、無限遠点での振る舞いで 2 つに分かれます。多項式か、そうでないか。

多項式なら は極です。代数学の基本定理から、どの値もとります。

多項式でなければ、 は真性特異点。 の原点まわりの展開に、正の次数が無限に現れるためです。

そこへ大定理を当てると、高々 1 つの例外を除いてすべての値を無限回とることが出ます。これが小定理。

例外がちょうど 1 つになる理由

例外が 2 つ以上ありえないことは、被覆の言葉で説明されます。

を抜いた平面には、単位円板からの正則な普遍被覆があります。モジュラー 関数と呼ばれる写像。

を落とすなら、 を被覆へ持ち上げられます。持ち上げた関数は平面全体から円板への正則写像なので、有界。

リウヴィルの定理から定数になり、 も定数です。落とせる値が 1 つまでだという結論が、ここから出ます[1]

例外の位置は自由です。 の例外は で、どこへでも置けます。個数だけが 1 つに縛られる。

正規族による証明

もう 1 つの筋が、正規族を使う方法です。モンテル・カラテオドリの定理を土台にします。

球面の相異なる 3 値を落とす有理型関数の族は、正規である[5,6]。この定理から大定理が導けます。

真性特異点 のまわりで が 2 値を落とすと仮定する。縮小した円環の上で という族を作ると、これが正規になる。

正規性から部分列が広義一様収束し、 で極か除去可能特異点を持つことが出ます。真性という仮定に反する。

定量的な形

ピカールの定理には、数値で押さえた形もあります。ショットキーの定理と呼ばれるもの。

が単位円板で正則、 を落とし、 が与えられているとする。このとき での の上界が、 だけで決まります。

ランダウの定理も同じ系列です。 を決めると、 を落とせる円板の半径に上限が付く。

これらから、極限の議論を経ずにピカールの定理を導くこともできます。定量的な評価のほうが、応用では使いやすい場面もある。

例外値の探し方

具体的な関数の例外値は、方程式を解いて調べます。 に解がないような を探す。

には例外がありません。 についての 2 次方程式に直り、どの でも解を持ちます。

の例外は の例外も です。指数関数を重ねても、落ちる値は増えません。

には例外がありません。 をとり、それ以外の値も拾います。落とす値を持つ整関数のほうが、むしろ特別。

有理型の場合

有理型関数では、球面の値として も数えます。例外は 2 つまで。

は原点の近くで を落とします。ちょうど 2 つの例外が出る例。

は原点が真性特異点ではありませんが、極が原点へ集まる非孤立特異点です。ピカールの枠の外になります[7,8]

よくある誤り

例外は高々 1 つ。2 つ落とす整関数は定数しかありません
落とす値が必ずあるわけではない。多項式は 1 つも落としません
大定理は「値をとる」と言っています。近づくだけの主張ではありません
とる回数は無限回です。1 回だけとる、という結論ではない
極や除去可能特異点には使えません。真性特異点のまわりの話です
有理型なら例外は 2 つまで。 を値として数えるためです
非孤立な特異点は対象外。分岐点や極の集積点では成り立ちません
例外値の位置は自由に動きます。縛られるのは個数だけ

真性特異点のまわりでは、関数が値をほとんどとり尽くします。そのことを、抜ける値をきっちり 1 個まで数え上げる形で言い切ったものがピカールの定理です。カゾラーティ・ワイエルシュトラスの「稠密」から、ここまで踏み込めます。

参考文献

Picard theorem - Wikipedia
Théorèmes de Picard - Wikipédia(フランス語)
Casorati-Weierstrass theorem - Wikipedia
Liouville's theorem (complex analysis) - Wikipedia)
Montel's theorem - Wikipedia
Normal family - Wikipedia
Isolated singularity - Wikipedia
Riemann sphere - Wikipedia
有界な整関数は定数、というリウヴィルの定理をはるかに超えていきます。定数でない整関数が値として落とせるのは高々一個。真性特異点のまわりでは、高々一個の例外を除くすべての値を、近づくのではなく実際に、しかも無限回とります。指数関数が原点だけを落とす様子、e の 1/z 乗がどの値も無限個の点でとる様子を追い、稠密としか言わないカゾラーティ・ワイエルシュトラスとの差を見ます。0 と 1 を落とすと円板に閉じ込められるという被覆の議論、正規族を使う筋、ショットキーやランダウの定量版、有理型なら例外が二つになる理由まで。