데데킨트 에타함수

개요

푸앵카레 상반평면에서 정의된 복소함수
무한곱으로 정의되는 모듈라 형식(weight 1/2) \[\eta(\tau) = q^{1/24} \prod_{n=1}^{\infty} (1-q^{n})\] 여기서 $q=e^{2\pi i\tau}$이고, $\tau\in\mathbb{H}=\{x+iy|x\in \mathbb{R}, y>0\}$.
모듈라 성질을 기술하기 위해 데데킨트 합이 필요
자연수의 분할수(integer partitions) 의 연구에 중요한 역할
모듈라 성질은 분할수의 생성함수(오일러 함수)를 이해하는데 중요

모듈라 성질

(정리)

\[\eta(\tau+1) =e^{\frac{\pi i}{12}}\eta(\tau)\] \[\eta(-\frac{1}{\tau}) =\sqrt{\frac{\tau}{i}}\eta(\tau)=\sqrt{-i\tau}\eta({\tau})\] 더 일반적으로, $ad-bc=1$, $c>0$인 정수 a,b,c,d에 대하여 다음이 성립한다 \[\eta \left( \frac {a\tau+b} {c\tau+d}\right) =\epsilon(a,b,c,d) \sqrt{-i\left(c\tau+d\right)}\eta(\tau) \label{mod}\] 여기서 $-\frac{\pi}{4}<\arg \sqrt{-i(c\tau+d)}<\frac{\pi}{4}$ 이 되도록 선택하며 ($\Re\left(-i(c\tau+d)\right) >0$이다), \[\epsilon(a,b,c,d)=\exp\left(\pi i \left(\frac{a+d}{12c}+s(-d,c)\right)\right)\] 이고 $s(h,k)$는 데데킨트 합.

유리수점(cusp) 근처에서의 변화

(정리)

$q=e^{-t}$ 으로 두면 $t\to 0$ 일 때, \[\prod_{n=1}^{\infty}(1-q^n)\sim \sqrt\frac{2\pi}{t}\exp(-\frac{\pi^2}{6t})\]

(증명)

분할수의 생성함수(오일러 함수)에서 $\epsilon\sim 0$ 일 때, $1-q\sim \epsilon$ 이고 \[\prod_{n=1}^\infty \frac {1}{1-q^n} \sim \exp(\frac{\pi^2}{6\epsilon})\]

임을 증명하였다. ■

더 일반적으로, $h,k$가 서로 소인 자연수일때, $q=\exp(\frac{2\pi ih}{k})e^{-t}$ 이고 $t\to 0$ 이면 \[\sqrt{\frac{t}{2\pi}}\exp({\frac{\pi^2}{6k^2t}})\eta(\frac{h}{k}+i\frac{t}{2\pi})\sim \frac{\exp\left(\pi i (\frac{h}{12k}-s(h,k))\right)}{\sqrt{k}}\] 이 성립한다. 여기서 $s(h,k)$는 데데킨트 합. 이는 데데킨트 에타함수의 모듈라 성질 \ref{mod}의 결과로 얻어진다

세타함수 형태의 표현

오일러의 오각수정리(pentagonal number theorem)

\[\prod_{n=1}^\infty (1-q^n)=\sum_{k=-\infty}^\infty(-1)^kq^{k(3k-1)/2}\] 의 양변에 $q^{1/24}$를 곱하여, 다음과 같은 세타함수 표현을 얻는다\[\eta(\tau) = q^{1/24} \prod_{n=1}^{\infty} (1-q^{n})=\sum_{n=-\infty}^\infty(-1)^n q^{\frac{(6n+1)^2}{24}}\]

초기하급수 형태의 표현

오일러의 q-초기하급수에 대한 무한곱 공식

\[\prod_{n=0}^{\infty}(1+zq^n)=1+\sum_{n\geq 1}\frac{q^{n(n-1)/2}}{(1-q)(1-q^2)\cdots(1-q^n)} z^n\]

$z=-q$로 두면, 데데킨트 에타함수의 다음과 같은 표현을 얻는다\[\prod_{n=1}^{\infty}(1-q^n)=1+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^nq^{n(n+1)/2}}{(1-q)(1-q^2)\cdots(1-q^n)}\]

판별식함수

판별식 (discriminant) 함수
에타함수의 24제곱은 weight 12인 cusp 형식이다

\[\Delta(\tau)=\eta(\tau)^{24}= q\prod_{n>0}(1-q^n)^{24}=q-24q+252q^2+\cdots\]

special values

$\eta(i)=\frac{\Gamma(\frac{1}{4})}{2 \pi ^{3/4}}$

$\eta(2i)=\frac{\Gamma \left(\frac{1}{4}\right)}{2^{11/8} \pi ^{3/4}}$

$\eta(\frac{i}{2})=\frac{\Gamma \left(\frac{1}{4}\right)}{2^{7/8} \pi ^{3/4}}$

Chowla-셀베르그 공식

매스매티카 파일 및 계산 리소스

사전 형태의 자료

리뷰, 에세이, 강의노트

Freeman J. Dyson Missed opportunities, Bull. Amer. Math. Soc. Volume 78, Number 5 (1972), 635-652.