正規族、蒙泰爾定理與黎曼映射定理

正規族(normal family)

正規族是一群在某種有用意義下「緊」的全純函數:不論你從中抽出哪一個無窮序列,總能再抽出一個收斂得很好的子序列。它是數列的波爾查諾-魏爾斯特拉斯性質(每個有界數列都有收斂子列)在函數空間中的類比。緊性是分析學中強大的解題槓桿——它讓你取極限並確知極限仍在局內——而正規族正是這個槓桿對全純函數成立的場景。

嚴格地說,開區域 D 上全純函數的族 F 稱為正規的,若取自 F 的每個序列 f_n 都有一個在 D 上局部一致收斂的子序列——其中極限既可以是全純函數,也可以(在動力系統採用的較寬鬆約定下)是常數無窮,意即子序列在緊集上一致地逃逸到無窮遠。關鍵在於你不需要原序列收斂;你只需能在其中找到一個收斂的子序列。由魏爾斯特拉斯收斂定理,任何這樣的極限仍是全純的,故正規族對取這些子序列極限封閉——它是一個自足、緊緻的函數世界。

為何重要?正規性把存在性問題化為一句「抽出收斂子序列並取極限」。黎曼映射定理正是這樣證明的:你建立一個候選映射的正規族,取一個序列使其在基點的導數趨近最大可能值,抽出局部一致極限,再證明該極限就是所求的共形映射。蒙泰爾定理是實務中辨認正規族的主力(局部有界就足夠)。誠實的提醒:正規性是「族」的性質,而非任一個函數的性質,且收斂子序列的極限可能隨序列而異——並沒有斷言整個族收斂到任何東西。

單位圓盤到自身的所有全純映射所構成的族 F = { f:圓盤 -> 圓盤,f 全純 } 是正規的。每個這樣的 f 處處滿足 |f| <= 1,故該族一致有界;由蒙泰爾定理,任何序列都有局部一致收斂的子序列。(其極限把圓盤映入閉圓盤。)

一致有界(此處 |f| <= 1)使一個族成為正規族——這正是驗證正規性的典型方式。

正規性關乎子序列,而非整個族:不同序列可能收斂到不同函數。是否允許常數無窮作為極限取決於約定(函數論常禁止它;複動力系統則允許)。

又稱
normal family of holomorphic functions正則族Montel family