無窮乘積、魏爾斯特拉斯因式分解與米塔-列夫勒

指定零點定理

假設你寫下任意一張零點願望清單:平面上的一串點 a_1, a_2, ...,可以重複以表示重數,唯一的要求是它們不堆積——它們奔向無窮遠,|a_n| -> infinity。問題:是否存在一個整函數,其零點「恰好」是那些點、恰好具那些重數、且別無其他?指定零點定理回答:是,總是如此。這是魏爾斯特拉斯理論的存在性那一半,敘述成一種自由:只要零點沒有有限聚點,你便可隨心所欲地指定一個整函數的零點。

其建構正是魏爾斯特拉斯乘積。對每個 a_n 你取一個基本因子 E_(p_n)(z/a_n),它在 a_n 處貢獻單一零點、別無其他,並把次數 p_n 取得增長得剛好夠快,使乘積在緊緻集上一致收斂。(取 p_n = n 永遠有效,無論 a_n 如何表現。)若你還想在原點有 m 階零點,就加上一個因子 z^m。所得乘積是整函數,且恰好在你的清單上消失。唯一的結構限制——零點不能在有限點堆積——並非魏爾斯特拉斯強加,而是恆等定理所迫:零點在某有限處堆積的整函數必恆為零。

這是全純函數何等靈活的驚人陳述。在數線上,你一般無法找到一個零點集任意的實解析函數;在複平面上,只要該集是離散的,你總能找到。它也解放了後續的建構:一旦你能造出零點任意、極點任意(極點用米塔-列夫勒)的函數,你便能透過取商造出零點與極點皆任意的亞純函數——函數論的全部設計自由都建立在此定理之上。

要求一個整函數恰好在平方數 1, 4, 9, 16, ...(各為單零點)處消失。由於這些數奔向無窮遠,定理保證存在這樣的函數;一個明確的建構是對 n >= 1 取 E_(p_n)(z/n^2) 的乘積,例如取 p_n = 1(次數 1 已給出 sum 1/n^4 < infinity,足夠收斂)。結果是一個唯一零點為完全平方數的整函數。

任何奔向無窮遠的離散序列都能成為某整函數的精確零點集——此處是完全平方數。

條件 |a_n| -> infinity(無有限聚點)並非可選。依恆等定理,非零整函數的零點只能在無窮遠處堆積;若你的願望清單在有限點堆積,唯一在其上消失的函數將是零函數。

又稱
Weierstrass existence theoremexistence of entire functions with given zeros指定零點存在定理