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雅可比 Theta 函式


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 theta_n(z,q),儘管有時也使用符號 Theta_n(z,q)theta_n(z,q) (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 q 表示,記為 theta_n(z,q),或用 半週期比 tau 表示,記為 theta_n(z|tau),其中 |q|<1qtau 的關係為

 q=e^(ipitau).
(1)

多值函式 q^lambda 被解釋為代表 e^(lambdapiitau)。那麼對於複數 z,雅可比 theta 函式定義為

theta_1(z,q)=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^(n-1/2)q^((n+1/2)^2)e^((2n+1)iz)
(2)
theta_2(z,q)=sum_(n=-infty)^(infty)q^((n+1/2)^2)e^((2n+1)iz)
(3)
theta_3(z,q)=sum_(n=-infty)^(infty)q^(n^2)e^(2niz)
(4)
theta_4(z,q)=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)e^(2niz).
(5)

將雙重無限和寫成單重無限和,得到稍微不太對稱的形式

theta_1(z,q)=2sum_(n=0)^(infty)(-1)^nq^((n+1/2)^2)sin[(2n+1)z]
(6)
=2q^(1/4)sum_(n=0)^(infty)(-1)^nq^(n(n+1))sin[(2n+1)z]
(7)
theta_2(z,q)=2sum_(n=0)^(infty)q^((n+1/2)^2)cos[(2n+1)z]
(8)
=2q^(1/4)sum_(n=0)^(infty)q^(n(n+1))cos[(2n+1)z]
(9)
theta_3(z,q)=1+2sum_(n=1)^(infty)q^(n^2)cos(2nz)
(10)
theta_4(z,q)=1+2sum_(n=1)^(infty)(-1)^nq^(n^2)cos(2nz)
(11)

(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 463-464)。顯式寫出級數得到

theta_1(z,q)=2q^(1/4)sinz-2q^(9/4)sin(3z)+2q^(25/4)sin(5z)+...
(12)
theta_2(z,q)=2q^(1/4)cosz+2q^(9/4)cos(3z)+2q^(25/4)cos(5z)+...
(13)
theta_3(z,q)=1+2qcos(2z)+2q^4cos(4z)+2q^9cos(6z)+...
(14)
theta_4(z,q)=1-2qcos(2z)+2q^4cos(4z)-2q^9cos(6z)+...
(15)

(Borwein 和 Borwein 1987, p. 52;Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)。theta_1(z,q)z奇函式,而其他三個是 z 的偶函式。

下表說明了雅可比 theta 函式的準雙週期性。

theta_itheta_i(z+pi)/theta_i(z)theta_i(z+taupi)/theta_i(z)
theta_1-1-N
theta_2-1N
theta_31N
theta_41-N

這裡,

 N=q^(-1)e^(-2iz).
(16)

對於 theta_4 的具體情況,準週期性可以如下建立:

theta_4(z+pi,q)=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)e^(2niz)e^(2nipi)
(17)
=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)e^(2niz)
(18)
=theta_4(z,q)
(19)
theta_4(z+pitau,q)=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)e^(2nipit)e^(2niz)
(20)
=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)q^(2n)e^(2niz)
(21)
=-q^(-1)e^(-2iz)sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^(n+1)q^((n+1)^2)q^(2(n+1)iz)
(22)
=-q^(-1)e^(-2iz)sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)q^(2niz)
(23)
=-q^(-1)e^(-2iz)theta_4(z,q).
(24)

雅可比 theta 函式可以用彼此表示

theta_1(z,q)=-ie^(iz+piitau/4)theta_4(z+1/2pitau,q)
(25)
theta_2(z,q)=theta_1(z+1/2pi,q)
(26)
theta_3(z,q)=theta_4(z+1/2pi,q)
(27)

(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 theta_3(z,q)theta_4(z,q) 滿足恆等式

 theta_4(z,q)=theta_3(z,-q).
(28)
JacobiThetaFunctions

定義

 theta_i(q)=theta_i(z=0,q)
(29)

為自變數 z=0 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

theta_1(q)=0
(30)
theta_2(q)=sum_(n=-infty)^(infty)q^((n+1/2)^2)
(31)
=q^(1/4)(2+2q^2+2q^6+2q^(12)+2q^(20)+2q^(30)+...)
(32)
theta_3(q)=sum_(n=-infty)^(infty)q^(n^2)
(33)
=1+2q+2q^4+2q^9+2q^(16)+2q^(25)+...
(34)
theta_4(q)=sum_(n=-infty)^(infty)(-1)^nq^(n^2)
(35)
=1-2q+2q^4-2q^9+2q^(16)-2q^(25)+...
(36)

(OEIS A089800, A000122, 和 A000122;Borwein 和 Borwein 1987, p. 33)。

函式 theta_3(q) 也由下式給出

 theta_3(q)=((-q,-q)_infty)/((q,-q)_infty),
(37)

其中 (a;q)_infty 是一個 q-Pochhammer 符號

函式

theta(x)=sum_(n=-infty)^(infty)e^(-n^2pix)
(38)
=theta_3(0,e^(-pix))
(39)
=theta_3(0|ix)
(40)

有時在數論背景下定義(Davenport 1980, p. 62)。類似地,函式

psi(x)=sum_(n=1)^(infty)e^(-n^2pix)
(41)
=1/2[theta_3(0,e^(-pix))-1]
(42)

有時也定義(Edwards 2001, p. 15)。此函式滿足

 (1+2psi(x))/(1+2psi(x^(-1)))=1/(sqrt(x))
(43)

(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

 1/2+psi(1)+4psi^'(1)=0
(44)

(Edwards 2001, p. 17)。

特殊值包括

 theta_3(e^(-pi))=(pi^(1/4))/(Gamma(3/4)) 
theta_3(e^(-pisqrt(2)))=(Gamma(9/8))/(Gamma(5/4))sqrt((Gamma(1/4))/(2^(1/4)pi)) 
theta_3(e^(-pisqrt(6))) 
 =[-(Gamma(1/(24))Gamma(5/(24))Gamma(7/(24))Gamma((11)/(24)))/(16sqrt(6)(-18-12sqrt(2)+10sqrt(3)+7sqrt(6))pi^3)]^(1/4)  
theta_4(-e^(-pi))=(pi^(1/4))/(Gamma(3/4)) 
theta_4(e^(-pi))=(pi^(1/4))/(2^(1/4)Gamma(3/4))
(45)

 (theta_2(-e^(-pisqrt(3))))/(theta_3(-e^(-pisqrt(3))))=(4sqrt(3)-7)^(1/4),
(46)

其中 Gamma(z)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

 theta_4^'(e^(-pi))=-(e^pi[pi^2-2Gamma^4(3/4)])/(8·2^(1/4)pi^(3/4)Gamma^5(3/4)).
(47)
JacobiThetaZQ

上面的圖顯示了雅可比 theta 函式作為自變數 znome q 的函式繪製的圖,限制為實數值。

JacobiTheta1
JacobiTheta2
JacobiTheta3
JacobiTheta4

透過檢查固定 z 在複平面中對於 |q|<1theta_i(z,q)實部虛部,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

theta_3(z,q)=theta_3(2z,q^4)+theta_2(2z,q^4)
(48)
theta_4(z,q)=theta_3(2z,q^4)-theta_2(2z,q^4)
(49)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)和

(theta_k^'(z+pi))/(theta_k(z+pi))=(theta_k^'(z))/(theta_k(z))
(50)
(theta_k^'(z+pitau))/(theta_k(z+pitau))=-2i+(theta_k^'(z))/(theta_k(z))
(51)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 465),對於 k=1, ..., 4,其中 theta_k(z)=theta_k(z,q)theta_i=theta_i(0,q)。涉及雅可比 theta 函式平方的一類恆等式是

theta_1^2(z)theta_4^2=theta_3^2(z)theta_2^2-theta_2^2(z)theta_3^2
(52)
theta_2^2(z)theta_4^2=theta_4^2(z)theta_2^2-theta_1^2(z)theta_3^2
(53)
theta_3^2(z)theta_4^2=theta_4^2(z)theta_3^2-theta_1^2(z)theta_2^2
(54)
theta_4^2(z)theta_4^2=theta_3^2(z)theta_3^2-theta_2^2(z)theta_2^2
(55)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 466)。在 (55) 中取 z=0 得到特殊情況

 theta_4^4=theta_3^4-theta_2^4,
(56)

這是此型別的唯一恆等式。

此外,

theta_3^2(x)=1+4(x/(1-x)-(x^3)/(1-x^3)+(x^5)/(1-x^5)-(x^7)/(1-x^7)+...)
(57)
theta_3^4(x)=1+8(x/(1-x)+(2x^2)/(1+x^2)+(3x^3)/(1-x^3)+(4x^4)/(1+x^4)+...).
(58)

雅可比 theta 函式遵循加法規則,例如

theta_1(y+z)theta_1(y-z)theta_4^2=theta_3^2(y)theta_2^2(z)-theta_2^2(y)theta_3^2(z)
(59)
=theta_1^2(y)theta_4^2(z)-theta_4^2(y)theta_1^2(z)
(60)
theta_2(y+z)theta_2(y-z)theta_4^2=theta_4^2(y)theta_2^2(z)-theta_1^2(y)theta_3^2(z)
(61)
=theta_2^2(y)theta_4^2(y)-theta_3^2(y)theta_1^2(z)
(62)
theta_3(y+z)theta_3(y-z)theta_4^2=theta_4^2(y)theta_3^2(z)-theta_1^2(y)theta_2^2(z)
(63)
=theta_3^2(y)theta_4^2(z)-theta_2^2(y)theta_1^2(z)
(64)
theta_4(y+z)theta_4(y-z)theta_4^2=theta_3^2(y)theta_3^2(z)-theta_2^2(y)theta_2^2(z)
(65)
=theta_4^2(y)theta_4^2(z)-theta_1^2(y)theta_1^2(z)
(66)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 487),

theta_3(y+z)theta_3(y-z)theta_2^2=theta_3^2(y)theta_2^2(z)+theta_4^2(y)theta_1^2(z)
(67)
=theta_2^2(y)theta_3^2(z)+theta_1^2(y)theta_4^2(z)
(68)
theta_3(y+z)theta_3(y-z)theta_3^2=theta_1^2(y)theta_1^2(z)+theta_3^2(y)theta_3^2(z)
(69)
=theta_2^2(y)theta_2^2(z)+theta_4^2(y)theta_4^2(z)
(70)
theta_4(y+z)theta_4(y-z)theta_2^2=theta_4^2(y)theta_2^2(z)+theta_3^2(y)theta_1^2(z)
(71)
=theta_2^2(y)theta_4^2(z)+theta_1^2(y)theta_3^2(z)
(72)
theta_4(y+z)theta_4(y-z)theta_3^2=theta_4^2(y)theta_3^2(z)+theta_2^2(y)theta_1^2(z)
(73)
=theta_3^2(y)theta_4^2(z)+theta_1^2(y)theta_2^2(z)
(74)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 488),和

 theta_1(y+/-z)theta_2(y∓z)theta_3theta_4 
 =theta_1(y)theta_2(y)theta_3(z)theta_4(z)+/-theta_3(y)theta_4(y)theta_1(z)theta_2(z)  
theta_1(y+/-z)theta_3(y∓z)theta_2theta_4 
 =theta_1(y)theta_3(y)theta_2(z)theta_4(z)+/-theta_2(y)theta_4(y)theta_1(z)theta_3(z)  
theta_1(y+/-z)theta_4(y∓z)theta_2theta_3 
 =theta_1(y)theta_4(y)theta_2(z)theta_3(z)+/-theta_2(y)theta_3(y)theta_1(z)theta_4(z)  
theta_2(y+/-z)theta_3(y∓z)theta_2theta_3 
 =theta_2(y)theta_3(y)theta_2(z)theta_3(z)∓theta_1(y)theta_4(y)theta_1(z)theta_4(z)  
theta_2(y+/-z)theta_4(y∓z)theta_2theta_4 
 =theta_2(y)theta_4(y)theta_2(z)theta_4(z)∓theta_1(y)theta_3(y)theta_1(z)theta_3(z)  
theta_3(y+/-z)theta_4(y∓z)theta_3theta_4 
 =theta_3(y)theta_4(y)theta_3(z)theta_4(z)∓theta_1(y)theta_2(y)theta_1(z)theta_2(z)
(75)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 488)。

還有一系列 倍角公式

theta_3(2z)theta_3^3=theta_3^4(z)+theta_1^4(z)
(76)
theta_2(2z)theta_2theta_4^2=theta_2^2(z)theta_4^2(z)-theta_1^2(z)theta_3^2(z)
(77)
theta_3(2z)theta_3theta_4^2=theta_3^2(z)theta_4^2(z)-theta_1^2(z)theta_2^2(z)
(78)
theta_4(2z)theta_4^3=theta_3^4(z)-theta_2^4(z)
(79)
=theta_4^4(z)-theta_1^4(z)
(80)
theta_1(2z)theta_2theta_3theta_4=2theta_1(z)theta_2(z)theta_3(z)theta_4(z)
(81)

(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

(theta_1^'(z))/(theta_1(z))=cotz+4sum_(n=1)^(infty)(q^(2n))/(1-q^(2n))sin(2nz)
(82)
=cotz+4sum_(n=1)^(infty)(q^(2n)sin(2z))/(q^(4n)-2q^(2n)cos(2z)+1)
(83)
(theta_2^'(z))/(theta_2(z))=-tanz+4sum_(n=1)^(infty)(-1)^n(q^(2n))/(1-q^(2n))sin(2nz)
(84)
=-tanz-4sum_(n=1)^(infty)(q^(2n)sin(2z))/(q^(4n)+2q^(2n)cos(2z)+1)
(85)
(theta_3^'(z))/(theta_3(z))=4sum_(n=1)^(infty)(-1)^n(q^n)/(1-q^(2n))sin(2nz)
(86)
=-4sum_(n=1)^(infty)(q^(2n-1)sin(2z))/(2q^(2n-1)cos(2z)+q^(4n-2)+1)
(87)
(theta_4^'(z))/(theta_4(z))=4sum_(n=1)^(infty)(q^(2n-1)sin(2z))/(1-2q^(2n-1)cos(2z)+q^(4n-2))
(88)
=4sum_(n=1)^(infty)(q^nsin(2nz))/(1-q^(2n))
(89)

(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

theta_1(z)=2Gq^(1/4)sinzproduct_(n=1)^(infty)[1-2q^(2n)cos(2z)+q^(4n)]
(90)
theta_2(z)=2Gq^(1/4)coszproduct_(n=1)^(infty)[1+2q^(2n)cos(2z)+q^(4n)]
(91)
theta_3(z)=Gproduct_(n=1)^(infty)[1+2q^(2n-1)cos(2z)+q^(4n-2)]
(92)
theta_4(z)=Gproduct_(n=1)^(infty)[1-2q^(2n-1)cos(2z)+q^(4n-2)],
(93)

其中

 G=product_(n=1)^infty(1-q^(2n))
(94)

(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

 (n)=product_(k=1)^infty(1-q^(kn))
(95)

q-乘積寫為 w=Q_0, x=Q_1, y=Q_2, 和 z=Q_3

其他恆等式包括

theta_4(q)=(2)product_(k=1)^(infty)(1-q^(2k-1))^2
(96)
theta_4^3(q)=((1)^4)/((2))product_(k=1)^(infty)(1-q^(2k-1))^2.
(97)

這裡,

 product_(k=1)^infty(1-q^(2k-1))^2=1-2q+q^2-2q^3+4q^4+...
(98)

(OEIS A022597)。

雅可比 theta 函式滿足 偏微分方程

 1/4pii(partial^2y)/(partialz^2)+(partialy)/(partialtau)=0,
(99)

其中 y=theta_j(z|tau)。分母中帶有 theta_4 的雅可比 theta 函式的比率也滿足微分方程

 d/(dz)[(theta_1(z))/(theta_4(z))]=theta_4^2(theta_2(z)theta_3(z))/(theta_4^2(z))
(100)
 d/(dz)[(theta_2(z))/(theta_4(z))]=-theta_3^2(theta_1(z)theta_3(z))/(theta_4^2(z))
(101)
 d/(dz)[(theta_3(z))/(theta_4(z))]=-theta_2^2(theta_1(z)theta_2(z))/(theta_4^2(z)).
(102)

雅可比虛數變換theta_i(z|tau) 表示 theta_i(z/tau|-1/tau)。存在大量漂亮的恆等式,涉及自變數為 wxyz 以及 w^'x^'y^'z^' 的雅可比 theta 函式,它們透過下式相關聯

2w^'=-w+x+y+z
(103)
2x^'=w-x-y+z
(104)
2y^'=w+x-y+z
(105)
2z^'=w+x+y-z
(106)

(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 467-469, 488, 和 490)。使用符號

 theta_i(w+pi/2,q)theta_j(x+pi/2,q)theta_k(y,q)theta_l(z,q)=[ijkl]
(107)
 theta_i(w^',q)theta_j(x^',q)theta_k(y^'+pi/2,q)theta_l(z^'+pi/2,q)=ijkl,
(108)

得到多達 288 個形式的恆等式

 +/-[a_1a_2a_3a_4]+/-[b_1b_2b_3b_4]=+/-a_1^'a_2^'a_3^'a_4^'+/-b_1^'b_2^'b_3^'b_4^'.
(109)

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

 xi=(theta_1(z))/(theta_4(z)),
(110)

並代入 (◇)

 ((dxi)/(dz))^2=(theta_2^2-xi^2theta_3^2)(theta_3^2-xi^2theta_2^2).
(111)

現在寫

 xi(theta_3)/(theta_2)=y
(112)

 ztheta_3^2=u.
(113)

 ((dy)/(du))^2=(1-y^2)(1-k^2y^2),
(114)

其中 橢圓模量定義為

 k=k(q)=(theta_2^2(q))/(theta_3^2(q)).
(115)

也定義互補 橢圓模量

 k^'=k^'(q)=(theta_4^2(-q))/(theta_3^2(q)).
(116)

現在,由於

 theta_2^4+theta_4^4=theta_3^4,
(117)

我們已經證明

 k^2+k^('2)=1.
(118)

方程的解是

 y=(theta_3)/(theta_2)(theta_1(utheta_3^(-2)|tau))/(theta_4(utheta_3^(-2)|tau))=sn(u,k),
(119)

這是一個週期為 雅可比橢圓函式

 4K(k)=2pitheta_3^2(q)
(120)

 2iK^'(k)=pitautheta_3^2(q).
(121)

K(k) 是模量為 k第一類完全橢圓積分,則

theta_2^2(q)=(2kK(k))/pi
(122)
theta_3^2(q)=(2K(k))/pi
(123)
theta_4^2(q)=(2k^'K(k))/pi,
(124)

其中 k^'=sqrt(1-k^2)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 r_2(n) 相關,後者給出了 n 由兩個平方表示的表示數,透過

theta_3^2(q)=sum_(n=0)^(infty)r_2(n)q^n
(125)
theta_4^2(q)=sum_(n=0)^(infty)(-1)^nr_2(n)q^n
(126)

(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。


另請參閱

Blecksmith-Brillhart-Gerst 定理, 戴德金 eta 函式, 橢圓函式, 半週期比, 雅可比橢圓函式, 雅可比虛數變換, 雅可比三重積, 蘭登公式, Mock Theta 函式, 模方程, 莫代爾積分, 內維爾 Theta 函式, Nome, 五邊形數定理, 龐加萊-福克斯-克萊因自守函式, 五重積恆等式, 拉馬努金 Theta 函式, 施羅特公式, 平方和函式, 韋伯函式

相關的 Wolfram 站點

http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticTheta1/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticThetaPrime1/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticTheta2/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticThetaPrime2/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticTheta3/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticThetaPrime3/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticTheta4/, http://functions.wolfram.com/EllipticFunctions/EllipticThetaPrime4/

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參考文獻

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在 上被引用

雅可比 Theta 函式

請引用為

Weisstein, Eric W. “雅可比 Theta 函式。” 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/JacobiThetaFunctions.html

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