施瓦茨引理、自同構與雙曲幾何

三線定理(three-lines theorem)

三線定理是針對鉛直帶的最大原理一個精確、定量的精煉。想像一個定義在複平面中兩條鉛直線之間帶狀區域上的函數。你知道它在左緣與右緣上能有多大。三線定理告訴你它在中間任何一條鉛直線上能有多大——而答案是一個乾淨、可預測的內插:最大值是兩個邊緣最大值的「對數凸」混合。它是一個帶有精確內部界的最大原理,而非僅僅一條不等式。

敘述如下。設 f 在帶 a <= Re z <= b 上解析且有界。設 M(x) 表示 |f(z)| 沿鉛直線 Re z = x 的上確界。定理說 log M(x) 是 x 的凸函數。具體地說,對 a <= x <= b,M(x) <= M(a)^((b - x)/(b - a)) * M(b)^((x - a)/(b - a))——中間線上的界是兩個邊緣界的加權幾何平均,權重由 x 離各邊緣的遠近給出。證明是把弗拉格門-林德勒夫套用於輔助函數 f(z) M(a)^((z - b)/(b - a)) M(b)^((a - z)/(b - a)),巧妙地選取使它在兩緣上以 1 為界;最大原理(以弗拉格門-林德勒夫形式,因帶無界)便給出處處以 1 為界,展開後即得所述不等式。

這個定理是複內插理論的分析核心:里斯-索林內插定理(讓你由一個算子在兩對 L^p 空間之間有界,推得它在所有中間對之間有界)本質上就是三線定理的化身。它也是在臨界帶中估界ζ函數與狄利克雷級數的標準工具。一個誠實的提醒:「log M(x) 為凸」才是精確內容——而非「M(x) 為凸」(後者一般而言為假)。而 f 在帶上的有界性是貨真價實的假設;去掉它你就掉回弗拉格門-林德勒夫的世界,那裡無窮處不受控的增長會毀掉結論。

設在線 Re z = 0 上 |f| <= 4、在線 Re z = 1 上 |f| <= 100,且 f 在其間有界且解析。在中線 Re z = 1/2 上三線界給出 |f| <= 4^(1/2) * 100^(1/2) = 2 * 10 = 20——兩個邊緣界的幾何平均,遠小於樸素的最壞情形 100。

log M(x) 為凸:中線界是幾何平均 sqrt(4 * 100) = 20。

凸的是 log M(x),而非 M(x) 本身。把定理讀成「最大值線性變化」或「M 為凸」是錯的;正確的內插是邊緣界的加權幾何平均。

又稱
Hadamard three-lines theoremPhragmen-Lindelof three-lines theorem三直線定理