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解法:盖尔丰德–施奈德利用辅助函数给出的超越性证明(1934年)

第 5/7 步:解析上界:延森公式使Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0)变得极小
通俗地说

复分析中有一个经典工具,延森公式,它把全纯函数在原点处的值与它在一个大圆上增长得有多大、以及零点在这个圆内的位置联系起来。由于我们的 Φ\Phi 在 z0,…,zmz_0,\dots,z_m 这些点上都有高阶零点,这个公式本质上是说:因为 Φ\Phi 在圆内消失得如此之多,它在原点处的值(或其 ss 阶导数的值)必然非常小——事实上,一旦圆的半径选得恰当,这个值会小到 LL 的任何固定次幂都无法弥补。

仔细做这个估计就会发现,∣Φ(s)(0)∣|\Phi^{(s)}(0)| 大致以 e−cLlog⁡Le^{-cL\log L} 的速度衰减,其中常数 c>0c>0 只依赖于 KK——一旦 LL 很大,这就是一个真正微小的量。

∣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
详细分析

延森公式指出,若 ff 在半径为 rr 的圆盘上全纯,内部有零点 a1,…,ana_1,\dots,a_n(且 f(0)≠0f(0)\ne0),则 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;当 ff 在 00 处消失到 ss 阶时,公式推广为把 log⁡∣f(s)(0)/s!∣\log|f^{(s)}(0)/s!| 与相同的量联系起来(Siu,《延森公式》)。把它应用于 F(z)=Φ(z)F(z)=\Phi(z),但只限于 mm 个点 z1,…,zm≠z0z_1,\dots,z_m\ne z_0(每个点贡献一项 log⁡(r/∣zj∣)\log(r/|z_j|),利用 FF 在那里有阶数 ≥L\ge L 的零点),便得到一个不等式,因为这些点并非圆盘内 Φ\Phi 的全部零点(Siu,标记为 (‡)(\ddagger) 的不等式)。

估计 Φ\Phi 在圆周 ∣z∣=r|z|=r 上的增长:由于 eze^z 与 eβze^{\beta z} 的阶为 11(即 ∣ez∣≤Cϵe∣z∣1+ϵ|e^z|\le C_\epsilon e^{|z|^{1+\epsilon}}),且 GG 的系数与次数大小为 ≲L\lesssim L,可得 log⁡∣Φ(reiθ)∣≲L+Jr1+ϵ\log|\Phi(re^{i\theta})|\lesssim L+Jr^{1+\epsilon}(Siu,通过附录中导数界 ∥Dλ(fjgk)∥≤(2J+L)LC2J+L\|D^\lambda(f^jg^k)\|\le(2J+L)^LC^{2J+L} 得到的增长估计)。取 r=L1/2r=L^{1/2} 可使两项平衡,得到 log⁡∣Φ(reiθ)∣≲L\log|\Phi(re^{i\theta})|\lesssim L。

结合延森公式的两端(左端由 mm 个已知零点贡献 ≳mLlog⁡r=m2Llog⁡L\gtrsim mL\log r=\frac{m}{2}L\log L,右端被 [K:Q]Llog⁡L[K:\mathbb{Q}]L\log L 加上 O(L)O(L) 所限制,因为代数数 Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0) 的“大小”需要额外一个因子 [K:Q][K:\mathbb{Q}] 来计入其共轭元素),便得到最终的解析上界:只要 mm 相对于 [K:Q][K:\mathbb{Q}] 选得足够大,就有 log⁡∣Φ(s)(0)∣≲−c Llog⁡L\log|\Phi^{(s)}(0)|\lesssim -c\,L\log L,其中 c>0c>0 是依赖于 [K:Q][K:\mathbb{Q}] 的显式常数(Siu,主定理的证明,增长阶数的最终比较)。

本步骤中的术语
延森公式
复分析中的一个公式,把全纯函数 ff 的 log⁡∣f(0)∣\log|f(0)| 用其在圆盘内部零点的位置以及边界圆上 log⁡∣f∣\log|f| 的平均值表示出来——这是把“很多零点”转化为函数值的数值上界的关键工具。