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楕円関数と二重周期、ワイエルシュトラスのペー関数はどこから来るのか

2 つの向きに同じ模様がくり返す関数を、楕円関数と呼びます。

と は比が実数でない 2 つの複素数。三角関数が 1 方向にくり返すのに対し、こちらは平面を埋め尽くすようにくり返します。

条件はもう 1 つ。 が有理型であること、つまり極以外の悪い点を持たないことです[4]。

この 2 つを課すと、関数の形がかなり縛られます。正則なだけの楕円関数は定数しかなく、定数でなければ必ず極を持つ。

周期の格子

と の整数倍を足し合わせた点の集合を、周期の格子と呼びます。

関数は格子ぶんずらしても値が変わりません。だから平行四辺形 1 つの上での値が分かれば、全体が決まる。

この平行四辺形を基本領域と呼びます。とり方は 1 通りではありませんが、面積はどうとっても同じ。

周期の組も 1 通りではありません。格子を張る別の組が無数にあります。本体は格子のほうで、周期の組はその表し方にすぎない。

平面を格子で割ると、輪の面がつながった形になります。楕円関数は、この面の上の関数だと見られます。

リウヴィルの 3 つの定理

二重周期という条件から、強い制限がいくつも出ます。基本領域がコンパクトであることが効きます。

まず、極を持たない楕円関数は定数です。基本領域で有界なので全平面で有界になり、リウヴィルの定理が効く[3]。

次に、基本領域の中での留数の和は です。平行四辺形の周にそう積分が、向かい合う辺で打ち消し合って になるため。

だから 1 位の極を 1 つだけ持つ楕円関数は作れません。留数が打ち消す相手を持てないためです[5]。

したがって定数でない楕円関数の位数は 以上。ここでいう位数は、基本領域の中の極の個数を重複を込めて数えたものです。

零点と極の個数

偏角の原理を平行四辺形の周に当てると、もう 1 つ結論が出ます。

零点の個数と極の個数が、重複を込めて等しい。積分が向かい合う辺で打ち消し合うので、差が になります。

値 をとる点の個数も同じです。 に同じ議論を当てればよく、どの値もちょうど位数の回数だけとられる。

零点の和と極の和の差が、格子の点になる、という主張も同じ筋から出ます。こちらは を積分する形[6]。

ワイエルシュトラスの関数

位数 の楕円関数を、格子から直接組み立てます。

各格子点に 2 位の極を置き、収束させるために を引きます。この引き算がないと和が発散する[1]。

偶関数で、格子ぶんずらしても変わりません。導関数を見ると周期性が確かめやすい。

こちらは格子全体の和で、明らかに周期を持ちます。積分して の周期性が出る、という順序で示せます。

微分方程式

と の間には、代数的な関係があります。

と は格子から決まる定数で、不変量と呼ばれます。アイゼンシュタイン級数から作る。

導き方は、両辺の差が楕円関数で極を持たないと示すこと。原点まわりのローラン展開を比べて、主要部が打ち消し合うように係数を選びます。

極がなければ定数で、 での値を見ると 。したがって等式が成り立ちます。

ローラン展開

原点まわりの展開には、偶数次だけが現れます。 が偶関数だからです。

はアイゼンシュタイン級数で、 と はその最初の 2 つから作られます。

定数項がないところが の定義の効き目です[7]。 を引いたぶん、展開がきれいにそろっている。

楕円曲線

微分方程式を 、 と読み替えると、代数曲線の式になります。

を動かすと、点 がこの曲線の上を動きます。格子で割った面から曲線への写像になっている。

判別式 が でなければ、曲線はなめらか。 になると、曲線に尖った点や交差が現れます。

格子から来る 、 では が保証されます。潰れた曲線は、格子が退化した場合にあたる。

加法定理

を 、 とそれらの導関数で書く式があります。

幾何で読むともっと見やすくなります。曲線上の 3 点 、、 が同一直線上に並ぶ。

分数の部分が、その直線の傾きです。2 点を通る直線と曲線の 3 つ目の交点を求め、上下にひっくり返す、という手順が式になっている。

これが楕円曲線の群構造です。曲線上の点に足し算が入り、無限遠点が単位元になります。

すべての楕円関数は で書ける

同じ格子に対する楕円関数は、 と の有理式として書けます。

偶関数なら だけの有理式。奇関数なら を 1 つ掛けた形になります。一般の関数は、偶部分と奇部分に分ければよい。

証明は、極を打ち消す有理式を作って差を見る流れです。差が極を持たない楕円関数になるので定数。

と が生成元になる、という言い方もできます。格子を決めれば、楕円関数の全体が 1 つの体として決まる。

三角関数との対応

三角関数を思い出すと、対応が見えてきます。 は 1 方向に周期を持ち、 という代数関係で結ばれる。

と も、微分方程式という代数関係で結ばれます。周期が 1 つから 2 つに増えたぶん、関係式の次数が上がった形。

三角関数が円のパラメータ表示を与えるように、 は楕円曲線のパラメータ表示を与えます。円が楕円曲線に置き換わった、と読める。

逆関数の側で見ると、 が平方根の積分だったのに対し、 の逆関数は 3 次式の平方根の積分です。

この積分が楕円積分と呼ばれるもの。楕円関数という名前は、楕円の弧長を求める積分から来ています。

ヤコビの楕円関数

もう 1 つの流儀がヤコビの関数です。、、 の 3 つ。

は の直接の一般化で、 が成り立ちます。 が加わるところが三角関数との違い。

母数と呼ばれるパラメータ を持ち、 で三角関数に戻ります。振り子の運動の厳密解などに現れる。

とは代数的に結ばれていて、どちらからどちらへも移せます。どの流儀を使うかは場面しだい[2]。

周期と不変量の対応

格子を決めると 、 が決まります。逆に を満たす 、 を与えると、それを実現する格子がただ一通り決まる。

格子と楕円曲線が 1 対 1 に対応する、という主張です。数論や代数幾何で楕円曲線が中心的なのは、この対応があるため。

格子を定数倍しても曲線の形は本質的に変わりません。比 だけが効き、さらにモジュラー群の作用で移り合うものは同じと見なします。

よくある誤り

楕円関数は楕円の方程式ではありません。名前は楕円の弧長を測る積分から来ています
正則な楕円関数は定数だけ。定数でなければ必ず極を持ちます
位数 の楕円関数は作れません。留数の和が にならないためです
周期の組は一通りではありません。本体は格子のほう
の定義から を落とすと発散します。収束因子として要ります
は偶関数で、 は奇関数。展開の次数がそろう理由がここ
判別式が になる 、 は、格子からは出てきません
ヤコビの関数とワイエルシュトラスの関数は別の流儀。式をそのまま混ぜられません

1 方向の周期から 2 方向の周期へ。条件を 1 つ足しただけで、関数の姿が代数曲線と結びつき、群の構造まで現れます。三角関数の次にある世界として、この広がりが楕円関数の面白さです。

参考文献

Weierstrass elliptic function - Wikipedia
Fonction elliptique - Wikipédia(フランス語)
Liouville's theorem (complex analysis) - Wikipedia)
Meromorphic function - Wikipedia
Residue theorem - Wikipedia
Argument principle - Wikipedia
Laurent series - Wikipedia
三角関数は一方向に繰り返します。二方向にしたものが楕円関数で、周期が一つ増えただけで形が強く縛られる。正則なだけなら定数、定数でなければ必ず極を持ち、しかも位数は二以上。留数の和が消えることと偏角の原理から出てくる、この一連の制限をたどります。格子から直接組み立てるワイエルシュトラスの関数、それが満たす微分方程式と楕円曲線、三点が一直線に並ぶ加法定理と群構造へ。すべての楕円関数がこの一つで書けること、楕円積分という名前の由来、ヤコビの流儀との違いまで。