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关于魏尔斯特拉斯函数双周期性证明中导数双周期性的作用及推导逻辑的问询

关于魏尔斯特拉斯函数双周期性证明中导数双周期性的作用及推导逻辑的问询

嘿,我来帮你拆解Ahlfors在证明魏尔斯特拉斯$\wp$函数双周期性时的这个思路——核心就是用导数的双周期性反推原函数的周期性,咱们一步步来理清楚:

首先,先搞明白为什么$\dot{\wp}(z)$的双周期性是“显然”的:

我们先看导数的定义:
$$\dot{\wp}(z)=-2\sum_{\omega}\frac{1}{(z-\omega)^3}$$
这里的$\omega$是指由两个基本周期$\omega_1, \omega_2$生成的所有格点(也就是所有形如$m\omega_1 + n\omega_2$的复数,其中$m,n$是整数)。当我们给$z$加上任意一个基本周期,比如$\omega_1$,代入导数公式:
$$\dot{\wp}(z+\omega_1)=-2\sum_{\omega}\frac{1}{(z+\omega_1 - \omega)^3}$$
注意到:当$\omega$遍历所有格点时,$\omega - \omega_1$也会遍历所有格点(因为格点集合对加法封闭,减去一个格点还是格点)。所以上面的求和其实和$\dot{\wp}(z)$的求和完全等价,只是求和项的顺序换了而已。而这个级数是绝对收敛的(分母是三次方,格点的数量随半径平方增长,级数$\sum 1/|\omega|^3$收敛),求和顺序不影响结果,因此$\dot{\wp}(z+\omega_1)=\dot{\wp}(z)$。同理对另一个基本周期$\omega_2$也成立,所以$\dot{\wp}(z)$是双周期函数,这就是Ahlfors说它“明显”的原因。

接下来是关键:为什么导数双周期能推出原函数$\wp(z)$双周期?

假设我们取任意一个基本周期$\omega$(比如$\omega_1$),考虑函数$F(z) = \wp(z+\omega) - \wp(z)$。对$F(z)$求导,得到:
$$F'(z) = \dot{\wp}(z+\omega) - \dot{\wp}(z) = 0$$
因为$\dot{\wp}$是双周期的。而在复分析里,导数恒为0的解析函数是常数,所以$F(z)$是一个常数$C$,也就是$\wp(z+\omega) - \wp(z) = C$。

现在只需要证明这个常数$C=0$就行,这时候就要用到$\wp(z)$的奇偶性了:
从$\wp(z)$的定义式:
$$\wp(z)=\frac{1}{z^2}+\sum_{\omega\neq 0} \left(\frac{1}{(z-\omega)2}-\frac{1}{\omega2}\right)$$
把$z$换成$-z$,可以得到:
$$\wp(-z)=\frac{1}{z^2}+\sum_{\omega\neq 0} \left(\frac{1}{(-z-\omega)2}-\frac{1}{\omega2}\right)=\frac{1}{z^2}+\sum_{\omega\neq 0} \left(\frac{1}{(z+\omega)2}-\frac{1}{\omega2}\right)$$
当$\omega$遍历所有非零格点时,$-\omega$也会遍历所有非零格点,所以上面的求和项和原$\wp(z)$的求和项完全一致,因此$\wp(-z)=\wp(z)$,$\wp(z)$是偶函数。

现在我们令$z = -\omega/2$,代入$\wp(z+\omega) - \wp(z) = C$,得到:
$$\wp\left(-\frac{\omega}{2} + \omega\right) - \wp\left(-\frac{\omega}{2}\right) = \wp\left(\frac{\omega}{2}\right) - \wp\left(\frac{\omega}{2}\right) = 0 = C$$
常数$C$等于0,所以$\wp(z+\omega)=\wp(z)$,对两个基本周期$\omega_1, \omega_2$都成立,因此$\wp(z)$是双周期函数。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者tianhaowu

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