全纯函数在临界点附近取实值的θ的个数求证
我现在遇到这么一个问题,想请大家帮忙看看:
设 $f:\Omega\to \mathbb{C}$ 是全纯函数,其中 $\Omega$ 是包含实数 $\alpha$ 的开集,而且 $f$ 在 $\Omega \cap \mathbb{R}$ 上取实值(所以所有阶导数 $f^{(k)}(\alpha)$ 都是实数)。已知 $f'(\alpha)=0$,且 $f''(\alpha)\ne 0$。
对足够小的 $r>0$,满足 ${z\in \mathbb{C}:|z-\alpha|\le r}\subset \Omega$,定义函数 $g=g_{r}:[0,2\pi)\to \mathbb{C}$ 为:
$$g(\theta)=f(\alpha+r\text{e}^{\theta i}).$$
我要证明的是:存在 $r_0>0$,使得对所有 $0<r\le r_0$,恰好存在四个不同的 $\theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4\in [0,2\pi)$,满足 $g(\theta_i)\in \mathbb{R}$。
我已经做了的尝试,以及卡在了哪里
我先对 $f$ 在 $\alpha$ 处做幂级数展开:
$$f(\alpha+r\text{e}^{\theta i})=f(\alpha)+\frac{1}{2}r2\text{e}{2\theta i}f''(\alpha)+R(r,\theta)$$
其中 $R(r,\theta)=O(r^3)$,而且当 $r\to 0^{+}$ 时,这个大O估计对 $\theta$ 是一致的。我找了个常数 $C>0$,当 $r$ 足够小时,$|R(r,\theta)|\le Cr3$。通过几何分析,$\frac{1}{2}r2\text{e}^{2\theta i}f''(\alpha)+R(r,\theta)$ 的辐角和 $2\theta$(也就是 $\frac{1}{2}r2\text{e}{2\theta i}f''(\alpha)$ 的辐角)的差不会超过 $\theta^{\ast}$,这里 $\theta^{\ast}=\arcsin(\frac{2Cr}{f''(\alpha)})=O(r)$ 当 $r\to 0^{+}$。
这样我就能把式子写成:
$$f(\alpha+r\text{e}^{\theta i})-f(\alpha)=(\frac{1}{2}r2f''(\alpha)+O(r3))\text{e}^{(2\theta +O(r))i}.$$
对足够小的 $r$,我能推出至少存在四个 $\theta$ 使得 $g(\theta)$ 取实值,大概是 $\theta_1=0$,$\theta_2\approx \frac{\pi}{2}$,$\theta_3=\pi$,$\theta_4\approx \frac{3\pi}{2}$ 这几个点。
但卡壳的地方是,我没法证明当 $r$ 足够小时,恰好只有这四个点满足条件,而不会有更多。
我试过用不同方法估计函数
$$h(z)=\frac{1}{2i}(f(\alpha+r\text{e}{zi})-f(\alpha+r\text{e}{-zi}))$$
在实轴上的零点个数,但得到的上界是16个左右,这显然不够精确(这里可以假设 $f$ 满足 $f(\overline{z})=\overline{f(z)}$)。
我还想过考虑动力系统 $x'(t)=f'(x(t))$ 在临界点 $x=\alpha$ 附近的稳定和不稳定流形,但这条思路走不通,没得到有用的结论。
另外,除了 $\theta=0$ 和 $\theta=\pi$ 这两个肯定取实值的点,我还设 $\xi=u+iv$,计算了 $f(\alpha+\xi)$ 的虚部:
$$\text{Im}f(\alpha+\xi)=f''(\alpha)uv+\frac{1}{6}f{(3)}(\alpha)(3u2v-v3)+\frac{1}{6}f{(4)}(\alpha)(u3v-uv3)+O(|\xi|^5).$$
把虚部设为0,忽略大O项的话,能得到 $f(z)$ 取实值的曲线在 $\alpha$ 附近的近似表达式:
$$v=\pm \sqrt{\frac{6f''(\alpha)+3f{(3)}(\alpha)u2+f{(4)}(\alpha)u3}{f{(3)}(\alpha)+f{(4)}(\alpha) u}}$$
(这里假设 $f^{(3)}(\alpha)$ 和 $f^{(4)}(\alpha)$ 不同时为0)。
感觉应该有个很简单的证明方法,但我就是没看出来,希望大家能给点帮助!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者AfterMath

