雅可比 theta 函式是 指數函式的橢圓模擬,可用於表達 雅可比橢圓函式。theta 函式是準雙週期函式,在現代文獻中最常見的表示方法是 ,儘管有時也使用符號
和
(Borwein 和 Borwein 1987)。Whittaker 和 Watson (1990, p. 487) 給出了一個表格,總結了早期作家使用的符號。
theta 函式在 Wolfram 語言中由下式給出EllipticTheta[n, z, q],它們的導數由下式給出EllipticThetaPrime[n, z, q]。
理想氣體的平動配分函式可以使用橢圓 theta 函式推匯出來(Golden 1961, pp. 119 和 133;Melzak 1973, p. 122;Levine 2002, p. 838)。
theta 函式可以用 nome 表示,記為
,或用 半週期比
表示,記為
,其中
且
和
的關係為
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(1)
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設 多值函式 被解釋為代表
。那麼對於複數
,雅可比 theta 函式定義為
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(2)
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(3)
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(4)
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(5)
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將雙重無限和寫成單重無限和,得到稍微不太對稱的形式
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(7)
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(8)
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(9)
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(10)
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(11)
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(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 463-464)。顯式寫出級數得到
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(12)
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(13)
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(14)
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(15)
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(Borwein 和 Borwein 1987, p. 52;Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)。 是
的 奇函式,而其他三個是
的偶函式。
下表說明了雅可比 theta 函式的準雙週期性。
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| 1 |
這裡,
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(16)
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對於 的具體情況,準週期性可以如下建立:
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(17)
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(18)
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(19)
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(20)
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(21)
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(22)
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(23)
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(24)
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雅可比 theta 函式可以用彼此表示
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(25)
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(26)
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(27)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)。給定自變數的任何雅可比 theta 函式都可以用任意其他兩個具有相同自變數的雅可比 theta 函式表示。
函式 和
滿足恆等式
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(28)
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定義
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(29)
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為自變數 的雅可比 theta 函式,如上圖所示。那麼雙重無限和 (◇) 到 (◇) 採取特別簡單的形式
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(30)
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(31)
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(32)
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(33)
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(34)
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(35)
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(36)
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(OEIS A089800, A000122, 和 A000122;Borwein 和 Borwein 1987, p. 33)。
函式 也由下式給出
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(37)
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其中 是一個 q-Pochhammer 符號。
函式
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(38)
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(39)
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(40)
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有時在數論背景下定義(Davenport 1980, p. 62)。類似地,函式
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(41)
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(42)
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有時也定義(Edwards 2001, p. 15)。此函式滿足
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(43)
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(Jacobi 1828;Riemann 1859;Edwards 2001, p. 15),Jacobi 將其歸因於泊松,並遵循 泊松求和公式。也滿足恆等式
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(44)
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(Edwards 2001, p. 17)。
特殊值包括
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(45)
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和
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(46)
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其中 是 伽瑪函式,其中大多數是 拉馬努金 theta 函式的特殊情況。
O. Marichev(私人通訊,2008 年 7 月)給出的特殊導數值為
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(47)
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上面的圖顯示了雅可比 theta 函式作為自變數 和 nome
的函式繪製的圖,限制為實數值。
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透過檢查固定 在複平面中對於
的
的 實部和 虛部,可以獲得特別漂亮的圖,如上圖所示。
雅可比 theta 函式滿足幾乎令人眼花繚亂的大量恆等式,這些恆等式涉及四個函式、它們的導數、自變數的倍數和自變數的和。Whittaker 和 Watson (1990) 給出的不尋常恆等式包括
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(48)
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(49)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)和
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(50)
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(51)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 465),對於 , ..., 4,其中
和
。涉及雅可比 theta 函式平方的一類恆等式是
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(52)
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(53)
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(54)
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(55)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 466)。在 (55) 中取 得到特殊情況
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(56)
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這是此型別的唯一恆等式。
此外,
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(57)
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(58)
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雅可比 theta 函式遵循加法規則,例如
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(59)
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(60)
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(61)
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(62)
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(63)
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(64)
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(65)
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(66)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 487),
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(67)
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(68)
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(69)
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(70)
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(71)
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(72)
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(73)
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(74)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 488),和
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(75)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 488)。
還有一系列 倍角公式
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(76)
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(77)
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(78)
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(79)
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(80)
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(81)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 488)。
雅可比 theta 函式導數與函式本身的比率具有簡單的形式
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(82)
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(83)
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(84)
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(85)
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(86)
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(87)
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(88)
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(89)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 489)。
雅可比 theta 函式可以用乘積而不是和來表示,如下所示
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(90)
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(91)
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(92)
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(93)
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其中
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(94)
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(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 469-470)。
Zucker (1990) 給出了額外的漂亮乘積(“尤拉”)形式,部分總結在下表中,其中
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(95)
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且 q-乘積寫為 ,
,
, 和
。
| theta 函式 | OEIS | 尤拉型 | 雅可比型 |
| A000122 | |||
| A002448 | |||
| A089798 | |||
| A089799 | |||
| A089800 | |||
| A089801 | |||
| A089802 | |||
| A089805 | |||
| A080995 | |||
| A089806 | |||
| A089807 | |||
| A089810 | |||
| A089811 | |||
| A089812 | |||
| A089813 |
其他恆等式包括
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(96)
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(97)
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這裡,
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(98)
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(OEIS A022597)。
雅可比 theta 函式滿足 偏微分方程
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(99)
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其中 。分母中帶有
的雅可比 theta 函式的比率也滿足微分方程
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(100)
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(101)
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(102)
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雅可比虛數變換用 表示
。存在大量漂亮的恆等式,涉及自變數為
、
、
和
以及
、
、
和
的雅可比 theta 函式,它們透過下式相關聯
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(103)
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(104)
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(105)
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(106)
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(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 467-469, 488, 和 490)。使用符號
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(107)
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(108)
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得到多達 288 個形式的恆等式
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(109)
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第一類和第二類完全 橢圓積分可以使用雅可比 theta 函式表示。設
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(110)
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並代入 (◇)
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(111)
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現在寫
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(112)
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和
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(113)
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則
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(114)
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其中 橢圓模量定義為
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(115)
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也定義互補 橢圓模量
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(116)
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現在,由於
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(117)
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我們已經證明
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(118)
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方程的解是
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(119)
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這是一個週期為 雅可比橢圓函式
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(120)
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和
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(121)
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設 是模量為
的 第一類完全橢圓積分,則
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(122)
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(123)
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(124)
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其中 是 互補模量。
雅可比 theta 函式為數學和數學物理學中的許多棘手問題提供瞭解析解。例如,雅可比 theta 函式與 平方和函式 相關,後者給出了
由兩個平方表示的表示數,透過
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(125)
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(126)
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(Borwein 和 Borwein 1987, p. 34)。一般的 五次方程可以用雅可比 theta 函式求解,這些函式還為矩形區域的 格林函式提供了均勻收斂的形式(Oberhettinger 和 Magnus 1949)。
最後,雅可比 theta 函式可以用於 單值化 所有 橢圓曲線。雅可比橢圓函式也可以用於單值化某些超橢圓曲線,儘管只知道兩個這樣的例子。經典例子是 伯恩賽德曲線,第二個是由 Farkas 和 Kra 在 1995 年左右發現的。