데데킨트 에타함수

이 항목의 스프링노트 원문주소

데데킨트 에타함수

개요

푸앵카레 상반평면에서 정의된 복소함수
무한곱으로 정의되는 모듈라 형식(weight 1/2)

$\eta(\tau) = q^{1/24} \prod_{n=1}^{\infty} (1-q^{n})$

$q=e^{2\pi i\tau}$
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)

$\eta(\tau+1) =e^{\frac{\pi i}{12}}\eta(\tau)$

$\eta(-\frac{1}{\tau}) =\sqrt{\frac{\tau}{i}}\eta(\tau)=\sqrt{-i\tau}\eta({\tau})$

여기서 $-\frac{\pi}{4}<\arg \sqrt{-i\tau}<\frac{\pi}{4}$ 이 되도록 선택
더 일반적으로, , 인 정수 a,b,c,d에 대하여 다음이 성립한다.

$\eta \left( \frac {a\tau+b} {c\tau+d}\right) =\epsilon(a,b,c,d) \{-i\left(c\tau+d\right)\}^{1/2}\eta(\tau)$

여기서,

$\epsilon(a,b,c,d)=\exp\{\pi i \left(\frac{a+d}{12c}+s(-d,c)\right)\}$

는 데데킨트 합

유리수점(cusp) 근처에서의 변화

(정리)

$q=e^{-t}$ 으로 두면 $t\to 0$ 일 때,

$\prod_{n=1}^{\infty}(1-q^n)=1+\sum_{n\geq 1}^{\infty}\frac{(-1)^nq^{n(n+1)/2}}{(q)_n}\sim \sqrt\frac{2\pi}{t}\exp(-\frac{\pi^2}{6t})=\sqrt{\frac{2\pi}{t}}\exp(-\frac{(2\pi)^2}{24t})$

(증명)

분할수의 생성함수(오일러 함수) 에서

$\epsilon\sim 0$ 일 때, $1-q\sim \epsilon$ 이고 $\prod_{n=1}^\infty \frac {1}{1-q^n} \sim \exp(\frac{\pi^2}{6\epsilon})=\exp(\frac{(2\pi)^2}{24\epsilon})$

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

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, 데데킨트 에타함수의 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

q-초기하급수(q-hypergeometric series)의 오일러 공식

$\prod_{n=0}^{\infty}(1+zq^n)=1+\sum_{n\geq 1}\frac{q^{n(n-1)/2}}{(1-q)(1-q^2)\cdots(1-q^n)} z^n$
로 두면, 데데킨트 에타함수의 다음과 같은 표현을 얻는다

$\prod_{n=1}^{\infty}(1-q^n)=1+\sum_{n\geq 1}^{\infty}\frac{(-1)^nq^{n(n+1)/2}}{(1-q)(1-q^2)\cdots(1-q^n)}$