Γ函數、ζ函數與狄利克雷級數

收斂橫坐標

/ ab-SISS-uh /

狄利克雷級數 sum a_n / n^s 究竟在哪裡收斂?答案有一個美妙簡單的形狀:存在單一實數 sigma_0,稱為收斂橫坐標,它在 s 的實部上扮演門檻。對每個 Re s > sigma_0 的 s 級數收斂,對每個 Re s < sigma_0 的 s 它發散。所以收斂區域永遠是一個右半平面,左邊由垂直線 Re s = sigma_0 界定。「橫坐標」一詞只是指那條邊界線的水平座標。

這是冪級數收斂半徑的精確對應物——但幾何從圓盤變成了半平面。對冪級數 sum a_n z^n,邊界是圓 |z| = R;對狄利克雷級數,邊界是垂直線 Re s = sigma_0。正如半徑可以是 0(處處不收斂)或無窮(處處收斂),橫坐標可以是 +infinity(級數從不收斂)、-infinity(在整個複平面收斂),或介於兩者間的任何有限值。在邊界線本身上,什麼都可能發生——收斂、發散或混合——沒有通則能裁決它。還有一個伴隨門檻,「絕對」收斂橫坐標 sigma_a,滿足 sigma_0 <= sigma_a <= sigma_0 + 1;這個寬度至多 1 的間隙是狄利克雷級數獨有的現象,沒有冪級數的對應物。

它為何重要?橫坐標告訴你級數本身在任何解析延拓之前自然有意義的定義域。對 zeta 橫坐標是 1(級數對 Re s > 1 收斂),而 zeta 的全部戲碼——s = 1 處的極點、臨界帶中的零點、函數方程——都發生在「越過」那個橫坐標、延拓進級數無法抵達的區域之後。一個常見的混淆:收斂橫坐標講的是「級數」,而非函數。zeta(s) 在 Re s = 1 左側很遠處仍有定義且有趣,儘管它的定義級數在那裡發散;橫坐標只標出字面上的和在何處停止運作。

對 zeta,即 sum 1/n^s,收斂橫坐標為 sigma_0 = 1:它對 Re s > 1 收斂,在 s = 1 處發散(調和級數)。對交錯的 eta 級數 sum (-1)^(n-1)/n^s 橫坐標為 0,因為抵消買到了額外一單位的收斂。對係數部分和有界的級數,譬如非主特徵的 sum chi(n)/n^s,橫坐標可以左移到 0。

收斂的邊界是一條垂直線 Re s = sigma_0,是冪級數半徑為 R 的圓在半平面情形的對應物。

級數在橫坐標之外不收斂,並不等於函數在那之外無定義。解析延拓能把函數延伸到遠遠超過 Re s = sigma_0 之處,儘管字面上的級數在那裡發散——zeta 就是頭號例子。

又称
abscissa of convergence sigma_0收斂橫坐標收斂橫軸