Strongart数学笔记:从单复变函数到多复变函数

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从单复变函数到多复变函数

复变函数论的高维推广似乎并不像实变函数论那样为人所熟知,但我想其基本思想应该是一致的:以单复变函数理论作为基础模型,看看哪些理论是可以自然推广的,哪些理论推广时会遇到困难,这样的困难只是因为高维运算过于繁琐呢,还是有本质性的因素使之不能成立,既然现有的理论不能够成立,那又会出现什么新的构造呢?

一般而言,分析方面结论大都可以自然推广。最基本的恐怕要数幂级数了,幂级数的收敛不仅有相应的命题推广,而且还是一种重要的讨论方法,在证明全纯域与全纯凸域等价的过程中起着基础性的作用。此外还有Cauchy-Riemann equation,在多复变理论中,我们经常使用的是共轭导数为零的形式。值得注意的是,在n维复空间中这样的方程有n^2个,这就暗示着在高维(即n>1)复空间中对单复变几何理论至关重要的Riemann mapping theorem不再成立。

一旦涉及到几何,单复变理论的推广就会受到限制。先来看最基本的几何图形,复变函数中的圆在多复变理论中有两种常见的对应物,一种是无差别对称的球,另一种则是融合了复结构的多圆盘。当我们推广Cauchy integral formula时,原本的积分圆周就会自然转化为多圆盘。值得注意的是,这里被积分的并不是多圆盘的边界,而只是其边界的一部分,被称为骨架,这是积(带边)流形的边界并不

等于流形边界的积的一个自然实例。幸运的是,利用Cauchy integral formula,我们可以得到与单复变理论中类似的Cauchy inequality、唯一性定理、最大模原理、(球或多圆盘上的)Schwarz lemma等重要定理,而由Schwarz lemma可以证明高维球与多圆盘并不是双全纯等价的,因此高维Riemann mapping theorem不成立。

利用Cauchy integral formula,我们还可以通过积分定义全纯函数,这也是可以推广至多复分析的常用技术。它的一个成果就是可以轻松得到连续性假设下的Hartogs theorem,更精密的分析证明了这里的连续性假设是可以省略的,n元复函数全纯iff其各分量全纯,这就是多复变理论中著名的Hartogs theorem.与之相关的一个现象就是所谓的Hartogs phenomenon,它是说高维全纯函数不存在孤立奇点。考虑零点的情形(仅差一个倒数而已),这个结论也不难理解,n维(复)空间中的一个(复)方程的零点通常是n-1维的,只有在n=1的情形时才会出现孤立点!

在高维复空间中,并不是任意一点都可以作为全纯函数的零点,因此我们考虑怎样区域边界恰好能作为零点集,于是便得到所谓全纯域的概念,它可定义为某个全纯函数的极大定义域(沙巴特的《复分析导论第2卷:多复变函数》中还强调要排除多值性,这里暂时不考虑那么精致)。然而,零点的思想方法还是被保留了下来,得到所谓边界上的障碍(无界点)判据:边界上存在稠密障碍的区域必为全纯域。在一维情形中,任意点w都可以作为障碍(考虑f(z)=1/(z-w)),

因此任意区域都是全纯域,可见全纯域只有高维复空间中才有其价值。利用这里的障碍判据,还可以证明欧式凸域比为全纯域,但反之如何呢?

这里处理欧式凸域需要一个视角转化,把欧式凸域视为线性凸包。对此转化其重要作用是单复变理论中的Runge theorem,它暗示着多项式凸包的概念。因此,我们完全可以仿照定义全纯凸包,它要弱于前两种凸包。还是沙巴特的那本书中给了个非常有趣的直观解释:区域多项式凸包填满了内部的“洞”,而欧式凸包则进一步填满了边界的“坑”。借助于幂级数的讨论,可以得到全纯凸性的同步延拓引理:在多圆盘度量的意义上可延拓紧集的全纯凸包也是可延拓的。全纯凸包等于自身的区域称为全纯凸域,先用全纯凸域在内部穷竭,再构造收敛幂级数可以证明全纯凸域必为全纯域;而利用同步延拓引理则可以证明全纯域必为全纯凸域,也就是说全纯域与全纯凸域这两者是等价的。

还有一个与全纯域等价的概念称为伪凸域。它的一个优点就是可以局部判定,伪凸域等价于局部伪凸域,这与全纯域的边界障碍不谋而合。伪凸域的一个动机是实空间中可微函数的凸性判定,即对边界(二阶)光滑的区域而言,它是欧式凸域等价于其定义函数的Hessian 限制在切平面上半正定。类似推广到复Hessian与全纯切空间就得到了边界光滑情形的伪凸域,这里的Hessian则密切联系着多次调和函数的概念,后者的均值不等式性质是讨论的重要工具。这里最关键的函数是-ln d(Z),其中d(Z)是复空间中点Z到区域的距离,这个

函数对于全纯域是多次调和函数,而当它是多次调和函数时,又等价于局部的伪凸性。

然而,我们还需要去掉边界光滑的限制,为此定义伪凸域是可被多次调和函数穷竭的。事实上,这里的多次调和函数还可以被光滑化与严格化,加强为光滑的强多次调和函数,甚至还能再要求其Hessian 在对角线上有给定的下界,这一点在证明Levi conjecture时是非常有用的。显然,只要在上述-ln d(Z)稍加修改,补充一下相应平凡的情形,就可以使其定义的伪凸域与光滑情形一致。对于全纯域的情形也有类似处理,这样就得到全纯域必为伪凸域的结论,而伪凸域是否一定为全纯域就是所谓的Levi conjecture.在Levi conjecture 的证明中,其中间环节就是复微分形式共轭导数方程的可解性,用同调论的语言来说就是其Dolbeault homology group H(p,q)=0,q≥1,在其证明中L^2不等式估计是非常关键的,但其中有不少繁琐的计算,因此我就不再继续详述了。

最后稍微说明一下,对高维复空间中特例的理解,实际上有一个认识在先与逻辑在先的差异。一般人总先学单复分析,然后再进入高维理论的,因此以前的观点忽然改变,总是觉得不容易接受。但要是先接受n维理论甚至于复流形,然后再考虑n=1的特例,很多类似问题就自然而然呈现出来了,大概这也算是未来复分析教材的一个改革方向。

本文作者Strongart是一位自学数学的牛人,现在他依然努力坚持自学数学,似乎又有了新的突破,还录了一些数学专业教学视频放在网上。然而,他却一直没有收到专业人士的邀请,至今只能依靠网络书店购买书籍,无法获取海量的论文资料,也没有机会和一流的学者们交流,最后只能走上娱乐拯救学术的道路,这不论对他自己还是对中国的数学事业都将是一个损失。这里我希望一些有识之士能够用自己的实际行动支持一下!

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