韋爾斯特拉斯間隙(Weierstrass gap)
/ VY-er-shtrahss /
固定緊曲面上單一個點 p,問:對哪些 n,存在一個亞純函數,在 p 處恰好有 n 階極點、其餘各處皆無?在球面上每個 n >= 0 都可以(z^n 在無窮遠處有 n 階極點)。但在有洞的曲面上,某些階是被禁止的——不存在在那一個點處恰好有那個階極點的函數。那些被禁的階就是韋爾斯特拉斯間隙,它們揭示附於每個點的隱藏結構。
精確地說,對虧格 g 的緊黎曼曲面上一點 p,考慮除子 n[p] 與隨 n 從 0 增大時的維數 l(n[p])。每一步 n -> n+1 要嘛使 l 保持不變(沒有「新」的、極點階恰為 n+1 的函數——一個間隙),要嘛使它增加一(出現新函數——非間隙或極點數)。韋爾斯特拉斯間隙定理說恰好有 g 個間隙,且全都落在 n = 1, 2, ..., 2g - 1 之中。對一般點,間隙是前 g 個正整數 1, 2, ..., g(「預期」的間隙序列)。間隙序列偏離此一般序列的點即韋爾斯特拉斯點。計算上:由黎曼-羅赫,l(n[p]) - l((n-1)[p]) 跳變當且僅當 l(K - n[p]) 下降,即當且僅當存在一個在 p 處恰好 n - 1 階為零的全純微分——故間隙可由全純 1 形式在 p 處的為零階讀出。
為何重要:間隙編碼一個點有多「特殊」,並把局部極點結構與整體虧格相繫(恆為恰好 g 個間隙)。非間隙構成一個數值半群,引出韋爾斯特拉斯點的豐富理論,這些點數目有限且內蘊地被區分——一個附於曲面的典範有限集,用於研究自同構與模。誠實提醒:「韋爾斯特拉斯點」有兩個相關意涵——有時指任意點,由其完整間隙序列描述;有時專指序列「非」一般的點。在球面(g = 0)上根本沒有間隙、也沒有韋爾斯特拉斯點;此現象確實是關於正虧格的。而間隙定理是逐點套用黎曼-羅赫的直接推論,並非獨立的奇蹟。
在虧格 2 曲線上恰有 g = 2 個間隙。在一般點間隙是 {1, 2}、非間隙從 3, 4, 5, ... 開始;但在六個韋爾斯特拉斯點(超橢圓覆疊的分歧點)上,間隙序列是 {1, 3}:確實存在一個有二階極點的函數(超橢圓的 x),這在一般點是不可能的——非間隙中那個例外的 2 正是把該點標記為韋爾斯特拉斯點之處。
虧格 2 一般點:間隙 {1,2};韋爾斯特拉斯點:間隙 {1,3}——恰在該處存在一個 2 次函數。
恆有恰好 g 個間隙(黎曼-羅赫的推論,並非魔法),落在 1..2g-1 之間。當心「韋爾斯特拉斯點」的雙重用法:有時指任意帶間隙資料的點,有時專指間隙序列「非」一般的點。虧格 0 根本沒有間隙。