小皮卡定理(the little Picard theorem)
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一個非常數的整函數必須擊中複平面的多少?你也許會猜它可以有系統地避開整片區域——一個圓盤、一條直線、無窮多個值。小皮卡定理給出一個驚人的「不」。一個非常數的整函數取遍每個複數值,至多只有一個例外。在整個無窮的可能輸出平面中,整函數至多只能漏掉一個點。這是「非常數多項式取遍每個值」(對每個 w,p(z) = w 都有根)這一事實的巨大強化;即使最狂野的超越整函數,也最多只能跳過一個目標。
精確地說:若 f 為整函數,且有兩個相異的複數值是 f 從不等於的,則 f 為常數。等價地,非常數整函數的值域要麼是整個平面,要麼是整個平面去掉恰好一個點。指數函數是顯示「一個例外確實可能」的極端例子:e^z 是非常數的整函數,但 e^z 從不為 0——值 0 被漏掉,且這是唯一被漏掉的值(e^z 取遍每個非零值,且取無窮多次)。你做不到比 e^z 更好;沒有整函數漏掉兩個值。其證明很深,經典上經由模函數、或經由阿達馬因式分解加上巧妙的論證。
小皮卡定理位於增長與值理論的峰頂,因為它顯示:在整個平面上全純是對所取的值的極強約束,而不僅是對光滑性的約束。它大幅銳化了較早的結果:劉維爾定理說有界整函數是常數(它漏掉一整圓盤的值),卡索拉蒂-魏爾斯特拉斯定理說值在壞奇點附近變得稠密;皮卡定理說它們不僅稠密,而是確實被取到,除一個之外全部。陳述的誠實界限:「至多一個」是精確的——那唯一漏掉的值是真實存在的,你必須允許它;而本定理關乎整函數,本性奇點附近的局部版本則是大皮卡定理。
指數函數 e^z 是教科書式的見證。它是非常數的整函數,恰好漏掉值 0——它從不等於 0,因為 e^z = e^x (cos y + i sin y) 的模為 e^x > 0。對其他每個複數 w(包括所有負數,它們是 e^(log|w| + i arg w)),方程 e^z = w 有解,事實上有無窮多個、間隔為 2 pi i。漏掉一個值、其餘全部被取無窮多次:小皮卡定理是緊的。
e^z 只漏掉 0、其餘全部取無窮多次——那唯一被允許的例外的極端情形。
至多漏掉一個值,而非零個:那單一的例外是真實且必要的,如 e^z 所示。定理還需要 f 為非常數的整函數;單純的多項式自然不漏掉任何值,但令人驚訝的是即使超越整函數也只能漏掉一個。