魏爾施特拉斯分解定理

魏爾施特拉斯分解定理（英語：Weierstrass factorization theorem）是指任意整函數${\displaystyle f(z)}$可以分解為如下無窮乘積的形式：

${\displaystyle f(z)=}$${\displaystyle z^{m}e^{g(z)}}$${\displaystyle \prod _{n=1}^{\infty }}$${\displaystyle (1-{\tfrac {z}{a_{n}}})}$${\displaystyle e^{{\tfrac {z}{a_{n}}}+{\tfrac {1}{2}}({\tfrac {z}{a_{n}}})^{2}+{\tfrac {1}{3}}({\tfrac {z}{a_{n}}})^{3}+\cdots +{\tfrac {1}{h}}({\tfrac {z}{a_{n}}})^{h}}}$${\displaystyle =z^{m}e^{g(z)}\prod _{n=1}^{\infty }E_{p_{n}}\left({\frac {z}{a_{n}}}\right)}$

其中${\displaystyle g(z)}$是另一整函數，${\displaystyle h}$是上述無窮乘積收斂的最小整數，稱為虧格。${\displaystyle E_{p_{n}}}$是魏爾施特拉斯的基本因子。這種無窮乘積稱為典範乘積。求解${\displaystyle g(z)}$的方法一般是兩邊同時取對數再求導數，這樣右邊就可以化為無窮級數形式，通過對比無窮級數理論中的相關結果得出${\displaystyle g(z)}$的形式。

基本因子

英文為primary factors或是elementary factors。也有譯為「主要因子」的版本。^[1]

對於任意的${\displaystyle n\in \mathbb {N} _{0}}$，基本因子${\displaystyle E_{n}(z)}$的定義如下：^[2]

${\displaystyle {\begin{aligned}&E_{n}(z)=(1-z)\exp \left(h_{n}(z)\right)\\&h_{n}(z)={\begin{cases}0&{\text{ if }}n=0,\\{\frac {z^{1}}{1}}+{\frac {z^{2}}{2}}+\cdots +{\frac {z^{n}}{n}}&{\text{ otherwise. }}\end{cases}}\end{aligned}}}$

其中，級數${\displaystyle h_{n}(z)={\frac {z^{1}}{1}}+{\frac {z^{2}}{2}}+{\frac {z^{3}}{3}}+\cdots +{\frac {z^{n}}{n}}}$。

對於級數${\displaystyle h_{n}(z)}$，有如下性質。以下性質在後續引理的證明中會用到（主要是3.、4.與5.）。

1. ${\displaystyle |z|<1}$的情況下，${\displaystyle h_{n}(z)}$可被展開為${\displaystyle {\frac {1}{1-z}}=1+z^{1}+z^{2}+z^{3}+\cdots }$。接著兩邊同時積分，可得${\displaystyle {\begin{aligned}\int {\frac {1}{1-z}}dz=-\log(1-z)={\frac {z^{1}}{1}}+{\frac {z^{2}}{2}}+{\frac {z^{3}}{3}}+\cdots \end{aligned}}}$。所以${\displaystyle h_{n}(z)}$的極限可以表示為${\displaystyle h_{\infty }(z)=\lim _{n\to \infty }h_{n}(z)=-\log(1-z)}$。
2. 因為${\displaystyle (1-z)=\exp(\log(1-z))=\exp \left(-h_{\infty }(z)\right)}$，所以${\displaystyle {\frac {1}{1-z}}=\exp \left(h_{\infty }(z)\right)}$。
3. 如果將${\displaystyle h_{\infty }(z)}$與${\displaystyle h_{n}(z)}$之間的差額定義為新的級數${\displaystyle r_{n}(z)=h_{\infty }(z)-h_{n}(z)}$。
4. 利用2.與3.改寫${\displaystyle E_{n}(z)}$的定義式：${\displaystyle {\begin{aligned}&E_{n}(z)=(1-z)\exp \left(h_{n}(z)\right)=(1-z)\exp \left(h_{\infty }(z)-r_{n}(z)\right)\\&\quad =(1-z){\frac {1}{1-z}}\exp \left(-r_{n}(z)\right)=\exp \left(-r_{n}(z)\right)\end{aligned}}}$。改寫後的基本因子定義式${\displaystyle E_{n}(z)=\exp \left(-r_{n}(z)\right)}$將會在後續引理的證明中用到。
5. 將3.的關係寫成級數形式：${\displaystyle r_{n}(z)={\frac {z^{n+1}}{n+1}}+{\frac {z^{n+2}}{n+2}}+{\frac {z^{n+3}}{n+3}}+\cdots =\sum _{k=n+1}^{\infty }{\frac {z^{n+1}}{n+1}}={\frac {z^{n+1}}{n+1}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {n+1}{n+1+k}}z^{k}}$。

利用以上性質，可以證明下面的重要引理。該引理在後續證明魏爾施特拉斯分解定理時有關鍵性作用。^[2]

引理 (15.8, Rudin): 對於${\displaystyle |z|\leq 1,n\in \mathbb {N} _{0}}$，

${\displaystyle {\begin{aligned}\left|1-E_{n}(z)\right|\leq |z|^{n+1}\end{aligned}}}$成立。

證明：

${\displaystyle n=0}$時，${\displaystyle |1-z|\leq |z|}$顯而易見。所以只討論${\displaystyle n\geq 1}$的情況。

i) 將引理左邊的部分（不帶絕對值）定義為一個新函數${\displaystyle u_{n}(z)=1-E_{n}(z)=1-(1-z)\exp h_{n}(z)}$。後續稱此式為式${\displaystyle (1)}$。

運用性質4.與5.改寫式${\displaystyle (1)}$：

${\displaystyle {\begin{aligned}u_{n}(z)=1-E_{n}(z)=1-\exp \left(-r_{n}(z)\right)=1-\exp \left(-{\frac {z^{n+1}}{n+1}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {n+1}{n+1+k}}z^{k}\right)=1-\exp(-{\frac {z^{n+1}}{n+1}})\exp {(-{\frac {z^{n+2}}{n+1}}{\frac {n+1}{n+2}})}\exp {(-{\frac {z^{n+3}}{n+1}}{\frac {n+1}{n+3}})}...\end{aligned}}}$

將指數部分展開後可得（為了簡潔，係數用字母${\displaystyle b,c,d}$表示）：${\displaystyle u_{n}(z)=1-(1-b_{n+1}z^{n+1}+b_{2n+2}z^{2n+2}+...)(1-c_{n+2}z^{n+2}+c_{2n+4}z^{2n+4}+...)(1-d_{n+3}z^{n+3}+d_{2n+4}z^{2n+4}+...)...}$

整理後可得，${\displaystyle u_{n}(z)}$可以用一個新的級數來表示：${\displaystyle u_{n}(z)=1-(1-b_{n+1}z^{n+1}-c_{n+2}z^{n+2}-d_{n+3}z^{n+3}+...)}$。將係數統一用${\displaystyle a}$（如${\displaystyle a_{0}=b_{n+1},a_{1}=c_{n+2}}$）來標註的話，${\displaystyle u_{n}(z)=z^{n+1}\sum _{k=0}^{\infty }a_{k}z^{k}}$。

將該結果微分，可得：

${\displaystyle u'_{n}(z)=a_{0}(n+1)z^{n}+a_{1}(n+2)z^{n+1}+a_{2}(n+3)z^{n+2}+...}$

ii) 將式${\displaystyle (1)}$直接微分，可得

${\displaystyle {\begin{aligned}&u_{n}^{\prime }(z)=-E_{n}^{\prime }(z)=\exp h_{n}(z)-(1-z)h_{n}^{\prime }(z)\exp h_{n}(z)\\&\quad =\exp h_{n}(z)-(1-z){\frac {1-zn}{1-z}}\exp h_{n}(z)=z^{n}\exp h_{n}(z)\end{aligned}}}$

將指數部分展開可得。

${\displaystyle u_{n}^{\prime }(z)=z^{n}\exp h_{n}(z)=z^{n}\exp({\frac {z^{1}}{1}}+{\frac {z^{2}}{2}}+\cdots +{\frac {z^{n}}{n}})=z^{n}\exp(z)\exp({\frac {z^{2}}{2}})\exp({\frac {z^{3}}{3}})...\exp({\frac {z^{n}}{n}})=z^{n}(\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {x^{k}}{k!}})(\sum _{l=0}^{\infty }{\frac {x^{2l}}{2^{l}l!}})...(\sum _{j=0}^{\infty }{\frac {x^{nj}}{n^{j}j!}})}$

結論1：比較i)與ii)的結果。比較${\displaystyle z^{n}}$項可知，${\displaystyle a_{0}(n+1)=1\to a_{0}={\frac {1}{n+1}}}$。同樣的方法比較後續項可知，${\displaystyle a_{k}}$皆為正的實數。

iii) 基於${\displaystyle u_{n}}$新設一個級數${\displaystyle v_{n}(z)={\frac {u_{n}(z)}{z^{n+1}}}=\sum _{k=0}^{\infty }a_{k}z^{k}}$。因為極點是一個可消極點，所以這也是一個整函數。計算${\displaystyle v_{n}(1)={\frac {u_{n}(1)}{1^{n+1}}}=1-E_{n}(1)=1-[(1-1)\exp \left(h_{n}(1)\right)]=1}$

所以在給定的條件${\displaystyle |z|\leq 1}$下，運用絕對值不等式的基本性質和結論1：

${\displaystyle \left|v_{n}(z)\right|\leq \sum _{k=0}^{\infty }\left|a_{k}\|z\right|^{k}\leq \sum _{k=0}^{\infty }a_{k}=v_{n}(1)=1{\text{ if }}|z|\leq 1}$

即，${\displaystyle \left|v_{n}(z)\right|=\left|{\frac {u_{n}(z)}{z^{n+1}}}\right|\leq 1\to \left|1-E_{n}(z)\right|\leq |z|^{n+1}}$成立。引理(15.8)證明完畢。

相關條目

• 複分析
• 卡爾·魏爾施特拉斯

延伸閱讀

• Alford的《複分析》