雅可比 theta 函数是 指数函数的椭圆模拟,可用于表达 雅可比椭圆函数。theta 函数是准双周期函数,在现代文献中最常见的表示方法是 ,尽管有时也使用符号
和
(Borwein 和 Borwein 1987)。Whittaker 和 Watson (1990, p. 487) 给出了一个表格,总结了早期作家使用的符号。
theta 函数在 Wolfram 语言中由下式给出EllipticTheta[n, z, q],它们的导数由下式给出EllipticThetaPrime[n, z, q]。
理想气体的平动配分函数可以使用椭圆 theta 函数推导出来(Golden 1961, pp. 119 和 133;Melzak 1973, p. 122;Levine 2002, p. 838)。
theta 函数可以用 nome 表示,记为
,或用 半周期比
表示,记为
,其中
且
和
的关系为
(1)
|
设 多值函数 被解释为代表
。那么对于复数
,雅可比 theta 函数定义为
(2)
| |||
(3)
| |||
(4)
| |||
(5)
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将双重无限和写成单重无限和,得到稍微不太对称的形式
(6)
| |||
(7)
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(8)
| |||
(9)
| |||
(10)
| |||
(11)
|
(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 463-464)。显式写出级数得到
(12)
| |||
(13)
| |||
(14)
| |||
(15)
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(Borwein 和 Borwein 1987, p. 52;Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)。 是
的 奇函数,而其他三个是
的偶函数。
下表说明了雅可比 theta 函数的准双周期性。
1 | ||
1 |
这里,
(16)
|
对于 的具体情况,准周期性可以如下建立:
(17)
| |||
(18)
| |||
(19)
| |||
(20)
| |||
(21)
| |||
(22)
| |||
(23)
| |||
(24)
|
雅可比 theta 函数可以用彼此表示
(25)
| |||
(26)
| |||
(27)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)。给定自变量的任何雅可比 theta 函数都可以用任意其他两个具有相同自变量的雅可比 theta 函数表示。
函数 和
满足恒等式
(28)
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定义
(29)
|
为自变量 的雅可比 theta 函数,如上图所示。那么双重无限和 (◇) 到 (◇) 采取特别简单的形式
(30)
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(31)
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(32)
| |||
(33)
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(34)
| |||
(35)
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(36)
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(OEIS A089800, A000122, 和 A000122;Borwein 和 Borwein 1987, p. 33)。
函数 也由下式给出
(37)
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其中 是一个 q-Pochhammer 符号。
函数
(38)
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(39)
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(40)
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有时在数论背景下定义(Davenport 1980, p. 62)。类似地,函数
(41)
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(42)
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有时也定义(Edwards 2001, p. 15)。此函数满足
(43)
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(Jacobi 1828;Riemann 1859;Edwards 2001, p. 15),Jacobi 将其归因于泊松,并遵循 泊松求和公式。也满足恒等式
(44)
|
(Edwards 2001, p. 17)。
特殊值包括
(45)
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和
(46)
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其中 是 伽玛函数,其中大多数是 拉马努金 theta 函数的特殊情况。
O. Marichev(私人通信,2008 年 7 月)给出的特殊导数值为
(47)
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上面的图显示了雅可比 theta 函数作为自变量 和 nome
的函数绘制的图,限制为实数值。
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通过检查固定 在复平面中对于
的
的 实部和 虚部,可以获得特别漂亮的图,如上图所示。
雅可比 theta 函数满足几乎令人眼花缭乱的大量恒等式,这些恒等式涉及四个函数、它们的导数、自变量的倍数和自变量的和。Whittaker 和 Watson (1990) 给出的不寻常恒等式包括
(48)
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(49)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 464)和
(50)
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(51)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 465),对于 , ..., 4,其中
和
。涉及雅可比 theta 函数平方的一类恒等式是
(52)
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(53)
| |||
(54)
| |||
(55)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 466)。在 (55) 中取 得到特殊情况
(56)
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这是此类型的唯一恒等式。
此外,
(57)
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(58)
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雅可比 theta 函数遵循加法规则,例如
(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),
(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
(75)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 488)。
还有一系列 倍角公式
(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 函数导数与函数本身的比率具有简单的形式
(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)
| |||
(88)
| |||
(89)
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(Whittaker 和 Watson 1990, p. 489)。
雅可比 theta 函数可以用乘积而不是和来表示,如下所示
(90)
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(91)
| |||
(92)
| |||
(93)
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其中
(94)
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(Whittaker 和 Watson 1990, pp. 469-470)。
Zucker (1990) 给出了额外的漂亮乘积(“欧拉”)形式,部分总结在下表中,其中
(95)
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且 q-乘积写为 ,
,
, 和
。
theta 函数 | OEIS | 欧拉型 | 雅可比型 |
A000122 | |||
A002448 | |||
A089798 | |||
A089799 | |||
A089800 | |||
A089801 | |||
A089802 | |||
A089805 | |||
A080995 | |||
A089806 | |||
A089807 | |||
A089810 | |||
A089811 | |||
A089812 | |||
A089813 |
其他恒等式包括
(96)
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(97)
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这里,
(98)
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(OEIS A022597)。
雅可比 theta 函数满足 偏微分方程
(99)
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其中 。分母中带有
的雅可比 theta 函数的比率也满足微分方程
(100)
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(101)
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(102)
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雅可比虚数变换用 表示
。存在大量漂亮的恒等式,涉及自变量为
、
、
和
以及
、
、
和
的雅可比 theta 函数,它们通过下式相关联
(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)。使用符号
(107)
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(108)
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得到多达 288 个形式的恒等式
(109)
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第一类和第二类完全 椭圆积分可以使用雅可比 theta 函数表示。设
(110)
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并代入 (◇)
(111)
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现在写
(112)
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和
(113)
|
则
(114)
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其中 椭圆模量定义为
(115)
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也定义互补 椭圆模量
(116)
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现在,由于
(117)
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我们已经证明
(118)
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方程的解是
(119)
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这是一个周期为 雅可比椭圆函数
(120)
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和
(121)
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设 是模量为
的 第一类完全椭圆积分,则
(122)
| |||
(123)
| |||
(124)
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其中 是 互补模量。
雅可比 theta 函数为数学和数学物理学中的许多棘手问题提供了解析解。例如,雅可比 theta 函数与 平方和函数 相关,后者给出了
由两个平方表示的表示数,通过
(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 函数求解,这些函数还为矩形区域的 格林函数提供了均匀收敛的形式(Oberhettinger 和 Magnus 1949)。
最后,雅可比 theta 函数可以用于 单值化 所有 椭圆曲线。雅可比椭圆函数也可以用于单值化某些超椭圆曲线,尽管只知道两个这样的例子。经典例子是 伯恩赛德曲线,第二个是由 Farkas 和 Kra 在 1995 年左右发现的。