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無限個の零点をもつ「因数分解」〜ワイエルシュトラスの積表示で整関数を組み立てる

多項式は、零点をすべて並べた積の形に書けます。整関数でも同じことをしたい。

零点が無限個になると、素朴に積を並べただけでは収束しません。項が に近づいても、ずれが積もれば積は崩れる。

ワイエルシュトラスは、各因子に指数関数の補正を掛けて収束させる方法を見つけました。零点をどこに何個置いても、それを実現する整関数が作れる[1]。

代数学の基本定理を、次数が無限の場合まで運んだ定理です。

素朴な積が壊れる理由

零点を とし、 を作ってみます。

各因子は に近づきます。それでも積が収束するとは限らない。

対数をとると和になります。 なので、 が発散すれば和も発散する。

零点が と並ぶ場合がその例です。 が発散するので、素朴な積は使えません。

初等因子

打ち消すために、指数関数を掛けます。 のテイラー展開の頭を、指数の肩で相殺する形。

これを初等因子と呼びます[2]。 が大きいほど、 からのずれが小さくなる。

零点の位置は でも のまま変わりません。指数関数は決して にならないので、掛けても零点が増えない。

定理の主張

零点を並べた列 が、絶対値が無限へ発散するように与えられているとします。

このとき、それらをちょうど零点に持つ整関数が存在します。原点での零点の位数 も自由に指定できる。

は任意の整関数で、 は収束させるために選ぶ非負整数。 ととれば、どんな列でも必ず収束します。

逆に、零点が同じ整関数どうしは の違いしかありません。商をとると零点のない整関数になり、その対数が整関数として作れるためです[6]。

例:サインの積表示

零点が整数全体に並ぶ関数として、 があります。

と を組にして掛けているので、補正の指数が打ち消し合っています。 と が消えるため、素朴な形で書ける。

組にしなければ、初等因子 を使うことになります。片側だけ見ると が発散するので、補正が要る。

因子を足すと、零点が内側から順にそろっていきます。無限に続ければ、サインの形になる。

例:コサインとガンマ関数

の零点は半整数に並びます。同じ形で書ける。

ガンマ関数の逆数は、零点が と負の整数に並ぶ整関数です。こちらは補正が消えず、指数が残ります。

はオイラー・マスケローニ定数。 の部分が、定理の にあたります[3]。

零点が片側にしか並ばないので、組にして打ち消す手が使えません。だから の形がそのまま残る。

収束指数

補正の項数をいくつにとればよいかは、零点の散らばり方で決まります。

これを満たす最小の非負整数 を選べば、 をそろえて使えます。零点が疎なほど は小さくてよい。

零点が に比例するなら 。 に比例するなら が収束するので で足ります。

位数

整関数の伸び方を測る量が位数です。 を での最大値とする。

多項式は位数 、 は位数 、 は位数 です。 を 2 回とるので、指数の肩の次数が拾えます。

位数と零点の散らばり方は結びついています。位数が なら、半径 の中の零点の個数は 程度で押さえられる。

アダマールの因数分解定理

位数が有限なら、ワイエルシュトラスの形をもっと絞れます。

は多項式で、その次数は位数 以下。補正の項数 も、すべての因子で同じ値にそろえられて 以下です。

と の大きいほうを種数と呼びます。位数との間に という関係が成り立つ。

任意の整関数 という自由が、多項式の指数まで狭まります。位数が分かれば、関数の形がかなり決まる[1]。

例:位数から形を決める

位数 の整関数で、零点を持たないものを考えます。

アダマールの定理から の形しかありません。 の次数が 以下で、積の部分が空になるため。

は位数 で、零点が整数に並びます。個数は半径に比例するので、 が収束して 。

は位数 です。零点は に並び、個数は半径の平方根に比例する。 が収束するので で足ります。

零点はどこにでも置ける

定理の言うことは、零点の配置に制限がないという事実でもあります。集積点を持たない列でありさえすればよい。

有限の点に集まってはいけません。集まれば一致の定理から、関数が恒等的に になってしまう[5]。

だから条件は、絶対値が無限へ発散することだけ。どんなに疎でも密でも、実現する整関数が作れます。

有理型関数は商になる

分母と分子に整関数を置けば、有理型関数が作れます。逆も成り立つ。

領域全体で有理型な関数は、共通零点を持たない 2 つの整関数の商として書けます。極の位置を零点に持つ整関数を分母に作り、掛けて分子を得る。

多項式の商が有理関数だったのに対応する形です。次数が無限の場合でも同じ構造が保たれる[7]。

極の側を指定するとどうなるか

零点ではなく、極とその主要部を指定する定理もあります。ミッタク・レフラーの定理[4]。

の極はすべて整数にあり、留数はどれも です。主要部を並べて足すだけでは収束しないので、そこでも補正を入れます。

ワイエルシュトラスが積で零点を作るのに対し、ミッタク・レフラーは和で極を作る。対数微分をとると、片方がもう片方に移ります。

サインの積表示を対数微分すると、コタンジェントの部分分数分解が出ます。2 つの定理が裏表であることが、この計算に現れている。

よくある誤り

素朴な積は収束しません。指数関数の補正が要ります
補正を掛けても零点は変わりません。指数関数は にならない
零点が有限の点に集まってはいけません。一致の定理から関数が消えます
の自由度が残ります。零点だけでは関数が一つに決まりません
位数は を 2 回とって測ります。 の増え方そのものではない
アダマールの定理には位数が有限という条件が要ります
種数と位数は同じではありません。 の関係
ミッタク・レフラーは極を作る定理です。零点を作る定理とは別物

零点の場所を決めるだけで整関数が作れる。逆に、整関数は零点と 1 つの指数因子で書き尽くせる。多項式で当たり前だったことが、無限次数まで持ち上がりました。

参考文献

Weierstrass factorization theorem - Wikipedia
Weierstraßscher Produktsatz - Wikipedia(ドイツ語)
Gamma function - Wikipedia
Mittag-Leffler's theorem - Wikipedia
Identity theorem - Wikipedia
Liouville's theorem (complex analysis) - Wikipedia)
Meromorphic function - Wikipedia
多項式なら零点を並べた積で書けます。零点が無限個になると素朴な積は崩れますが、各因子に指数関数の補正を掛けると収まる。初等因子がどう効くかを追い、零点をどこに何個置いてもそれを実現する整関数が作れることを見ます。サインの積表示では正負を組にして補正が打ち消し合い、ガンマ関数の逆数では打ち消せずに指数が残る。後半は零点の混み具合と関数の伸び方を結ぶ位数、指数部が多項式まで狭まるアダマールの因数分解定理、有理型関数が整関数の商になること、そして極の側を指定するミッタク・レフラーとの裏表の関係まで。