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解法: 補助関数によるゲルフォント・シュナイダーの超越性証明(1934年)

ステップ 5/7: 解析的な上界:Jensen の公式が Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0) を小さくする
ざっくり言うと

複素解析には Jensen の公式という古典的な道具があり、正則関数の原点における値を、大きな円上でどれだけ大きくなるか、そしてその円の内部にどこに零点があるかと結びつける。我々の Φ\Phi は点 z0,…,zmz_0,\dots,z_m のすべてで高位の零点を持つため、この公式は本質的に次のことを述べる:Φ\Phi が円の内部でこれほど多く消えているため、原点におけるその値(またはその ss 階導関数の値)は非常に小さくならざるを得ない——実際、円の半径を適切に選べば、LL のどんな固定べきによっても埋め合わせられないほど小さい。

評価を注意深く実行すると、∣Φ(s)(0)∣|\Phi^{(s)}(0)| はある定数 c>0c>0(KK にのみ依存する)に対しておおよそ e−cLlog⁡Le^{-cL\log L} のように減衰することが分かる——LL が大きければ本当に微小な量である。

∣log⁡(s!)−log⁡∣Φ(s)(0)∣∣≲[K:Q] Llog⁡L\Big|\log\big(s!\big) - \log|\Phi^{(s)}(0)|\Big| \lesssim [K:\mathbb{Q}]\, L\log L
詳しい解説

Jensen の公式は、ff が半径 rr の円板上で正則で、内部に零点 a1,…,ana_1,\dots,a_n を持つ(f(0)≠0f(0)\ne0)とき、log⁡∣f(0)∣=−∑jlog⁡(r/∣aj∣)+12π∫02πlog⁡∣f(reiθ)∣ dθ\log|f(0)|=-\sum_j\log(r/|a_j|)+\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\log|f(re^{i\theta})|\,d\theta が成り立つと述べる;ff が 00 で位数 ss まで消えるとき、公式は log⁡∣f(s)(0)/s!∣\log|f^{(s)}(0)/s!| を同じ量に関連付けるように一般化される(Siu、「Jensen の公式」)。F(z)=Φ(z)F(z)=\Phi(z) に適用するが、z1,…,zm≠z0z_1,\dots,z_m\ne z_0 である mm 個の点のみに限定すると(各点が log⁡(r/∣zj∣)\log(r/|z_j|) の項を寄与し、FF がそこで位数 ≥L\ge L の零点を持つことを用いる)、不等式が得られる。これらが円板内の Φ\Phi の零点すべてを文字通り尽くしているわけではないからである(Siu、(‡)(\ddagger) と表記された不等式)。

円 ∣z∣=r|z|=r 上での Φ\Phi の増大度を評価する:eze^z と eβze^{\beta z} は位数 11 である(すなわち ∣ez∣≤Cϵe∣z∣1+ϵ|e^z|\le C_\epsilon e^{|z|^{1+\epsilon}})ため、また GG の係数と次数の大きさが ≲L\lesssim L であるため、log⁡∣Φ(reiθ)∣≲L+Jr1+ϵ\log|\Phi(re^{i\theta})|\lesssim L+Jr^{1+\epsilon} が得られる(Siu、付録の導関数評価 ∥Dλ(fjgk)∥≤(2J+L)LC2J+L\|D^\lambda(f^jg^k)\|\le(2J+L)^LC^{2J+L} による増大度評価)。r=L1/2r=L^{1/2} を選ぶと二つの項がつり合い、log⁡∣Φ(reiθ)∣≲L\log|\Phi(re^{i\theta})|\lesssim L が得られる。

Jensen の公式の両辺を組み合わせると(左辺は mm 個の既知の零点から ≳mLlog⁡r=m2Llog⁡L\gtrsim mL\log r=\frac{m}{2}L\log L を寄与し、右辺は [K:Q]Llog⁡L[K:\mathbb{Q}]L\log L に O(L)O(L) を加えたもので抑えられる。代数的数 Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0) の「サイズ」は、その共役を考慮するために [K:Q][K:\mathbb{Q}] という追加の因子を要するからである)、最終的な解析的上界が得られる:mm を [K:Q][K:\mathbb{Q}] に対して十分大きく選べば、[K:Q][K:\mathbb{Q}] に依存する明示的な定数 c>0c>0 に対して log⁡∣Φ(s)(0)∣≲−c Llog⁡L\log|\Phi^{(s)}(0)|\lesssim -c\,L\log L(Siu、主定理の証明、増大度の最終比較)。

このステップの用語
Jensen の公式
正則関数 ff に対する log⁡∣f(0)∣\log|f(0)| を、円板内部の零点の位置と境界円上の log⁡∣f∣\log|f| の平均によって表す複素解析の公式——「多くの零点」を関数の値に対する数値的な上界へと変換する鍵となる道具である。