最大模函數(the maximum modulus function)
想像你站在一張平面紙的中心,問道:當你沿著每個方向望向恰好距離 r 處時,這片地形在那個圓上達到的最大高度是多少?對於一個整函數 f——在整個平面上全純的函數——這片地形就是 |f(z)|,也就是 f 的大小。把這個問題的答案對每個半徑 r 收集起來,便得到一條單調上升的曲線 M(r)。它是衡量「當你往無窮遠走時,f 變得多大、長得多快」的最簡單的尺。
精確地說,M(r) 是 |f(z)| 在圓 |z| = r 上取的最大值:M(r) = 在 |z| = r 上 |f(z)| 的最大值。由最大模原理,|f| 在整個閉圓盤 |z| <= r 上的最大值也在邊界圓上取得,所以 M(r) 同時也是整個圓盤上的最大值。函數 M(r) 對 r 單調不減,而且除非 f 是常數,它嚴格遞增並趨於無窮。一個小例子:對 f(z) = e^z,我們有 |e^z| = e^x,其中 x 是 z 的實部,當 z = r 為正實數時最大,所以 M(r) = e^r。對 n 次多項式,M(r) 像常數乘以 r^n 那樣增長。
M(r) 是增長理論的基石:f 的階與型都是把 M(r) 與 e^(r^rho) 相比較而定義的。它還滿足一個漂亮的規律——log M(r) 是 log r 的凸函數(這就是阿達馬三圓定理),所以 M 絕不會忽上忽下。唯一要注意的:M(r) 只衡量最壞的那個方向,也就是 |f| 最大的單一方向;它對 f 在其他方向的行為一無所知,在那些方向 f 可能很小甚至為零。用 M(r) 衡量的增長是上輪廓,而非全貌。
對 f(z) = sin z,寫 sin z = (e^(iz) - e^(-iz)) / (2i)。在虛軸 z = i y 上,e^(-iz) = e^y 一項佔主導,所以 |sin(i y)| = sinh|y| 像 e^|y| / 2 那樣增長。因此 sin z 的 M(r) 像 e^r / 2 那樣指數增長——儘管 sin x 在實軸上始終介於 -1 與 1 之間。
M(r) 揭示出看似溫和的正弦函數在實軸之外其實是個指數級龐大的函數。
M(r) 只記錄每個圓上唯一的最大值;一個整函數可以在某方向極大、在另一方向為零,所以 M(r) 高估了一般的大小。它是 |f| 的上界,而非平均值。