整函數:增長、階與值分布

整函數的階(the order of an entire function)

/ order, rho is spelled 'roh' /

整函數的大小天差地遠。多項式幾乎不增長;e^z 增長很快;e^(z^2) 增長得兇猛;e^(e^z) 則無法估量。我們想要一個單一的數,把每個函數安放在這條爆炸性的標尺上。這個數就是階。它回答的問題是:「當我把 f 的增長與一個乾淨的基準 e^(r^rho) 比較時,哪個指數 rho 正好是增長較慢與增長較快的函數之間的分界線?」

基準是雙指數式 e^(r^rho)。整函數 f 的階 rho 是使得 M(r) 最終對每個 epsilon > 0 都被 e^(r^(rho + epsilon)) 從上方界住的最小的數。寫成公式:rho = 當 r 趨於無窮時 log log M(r) / log r 的上極限(limsup)。雙重對數是訣竅——取一次 log 把大小為 e^(r^rho) 的 M(r) 變成 r^rho,再取一次 log 把它變成 rho log r,所以除以 log r 就分離出 rho。算幾個值:每個多項式的階為 0;e^z 的階為 1(因為 M(r) = e^r,log log M(r) = log r,比值為 1);e^(z^2) 的階為 2;cos(sqrt z)(它是整函數)的階為 1/2。階不必是整數。

階是整函數增長的核心不變量,本領域幾乎每個深刻定理都用它來陳述。有限階是阿達馬因式分解成立的前提,也是零點不能太密的前提;階把 f 的增長直接與其零點的密度聯繫起來。一個誠實的細節:階用上極限定義,所以它捕捉的是最壞、最快的那段增長,而非穩定的增長率;一個函數可以是階 1,卻沿某個半徑序列像 e^r 增長、沿另一些半徑慢得多。

計算 f(z) = e^(z^3) 的階。在使 Re(z^3) = r^3 的射線上 M(r) = e^(r^3),所以 log M(r) = r^3,log log M(r) = 3 log r,與 log r 的比值為 3。階為 3——恰好是指數中多項式的次數,這正是 f = e^P(z) 的一般規律。

對 f = e^P(z)(P 為多項式),階等於 P 的次數。雙重對數正好剝回到那個指數。

階是上極限,所以它記錄的是曾經發生的最快增長,而非均勻的增長率;同階的兩個函數在不同半徑之間可能行為迥異。而有限階是真正的限制——e^(e^z) 的階為無窮,逃出了整套理論。

又称
order rho整函數的階 rho