피카르의 정리는 복소해석학의 중요한 정리로, '피카르의 소정리'와 '피카르의 대정리'로 나뉜다. 소정리는 상수 함수가 아닌 전해석 함수는 모든 복소 평면이거나, 한 점이 빠진 복소 평면을 상으로 갖는다는 것을, 대정리는 해석적 함수가 본질적 특이점을 가지는 경우, 그 특이점의 모든 천공된 근방에서 최대 하나의 예외를 제외하고 모든 복소값을 무한히 많이 취한다는 것을 의미한다. 소정리는 대정리의 따름 정리이며, 두 정리 모두 '단일 예외'가 존재할 수 있다. 피카르의 정리는 리우빌 정리와 카소라티-바이어슈트라스 정리를 강화한 것으로, 에밀 피카르의 이름을 따서 명명되었다. 메로모픽 함수에도 적용되는 대 피카르 정리와 관련 연구가 진행되고 있다.
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만약 가 무한대에서 극점을 갖는다면, 는 다항식이다. 이 경우 대수학의 기본정리에 따라 이다.
만약 가 무한대에서 본질적 특이점을 갖는다면, 피카르의 대정리에 따라 의 꼴이며, 이므로 로 놓을 수 있다.
2. 1. 피카르의 대정리
피카르의 대정리는 복소해석학의 정리로, 고립된 본질적 특이점 근방에서 함수가 취하는 값에 대한 정보를 제공한다. 이 정리에 따르면, 정칙 함수 가 점 에서 본질적 특이점을 가지면, 의 모든 천공된 근방(punctured neighborhood)에서 는 최대 하나의 예외를 제외하고 모든 가능한 복소수 값을 무한히 많이 취한다.[1]
> '''대 피카르 정리 (메로모픽 버전):''' ''M''이 리만 곡면이고, ''w''가 ''M'' 위의 점이며, '''P'''1('''C''') = '''C''' ∪ {∞}가 리만 구를 나타내고, ''f'' : ''M''\{''w''} → '''P'''1('''C''')가 ''w''에서 본질적 특이점을 갖는 정칙 함수라면, ''w''를 포함하는 ''M''의 모든 열린 부분 집합에서 함수 ''f''(''z'')는 '''P'''1('''C''')의 모든 점(최대 두 개의 점 제외)을 무한히 많이 갖는다. 예시: 함수 ''f''(''z'') = 1/(1 − ''e''1/''z'')는 ''z'' = 0에서 본질적 특이점을 가지는 메로모픽 함수이다. 이 함수는 원점이 삭제된 복소 평면('''C*''' = '''C''' - {0})에서 정의되며, 0의 모든 근방에서 값 ∞를 무한히 많이 갖는다. 하지만 0 또는 1의 값은 갖지 않는다.[1]
이 일반화를 통해, 정함수는 다항식이거나 무한대에서 본질적 특이점을 갖기 때문에 ''소 피카르 정리''는 ''대 피카르 정리''에서 도출된다. 소 피카르 정리와 마찬가지로, (최대 두 개의) 갖지 않는 점들은 함수의 공백 값이다.[1]
2. 2. 피카르의 소정리
정칙 함수 에 대하여, 다음 세 명제 가운데 하나가 성립한다. 즉, 상수 함수가 아닌 전해석 함수는 모든 복소 평면이거나, 한 점이 빠진 복소 평면을 상으로 갖는다. 피카르의 소정리는 리우빌 정리를 강화한 것이다. 피카르의 소정리는 피카르의 대정리에서 도출된다.
만약 함수 가 전해석적이고 상수 함수가 아니라면, 가 취하는 값들의 집합은 전체 복소 평면이거나 평면에서 단일 점을 뺀 것이다.[1]
이 정리는 전체 상수 함수가 아닌 함수의 이미지가 무계여야 함을 명시하는 리우빌 정리를 상당히 강화한 것이다.[1] 의 값이 단일 점을 누락하는 경우, 이 점은 함수의 공백 값이라고 한다.[1]
"단일 예외"는 정리에 필요하며, ez는 0이 아닌 전체 상수 함수라는 예시로 설명된다.[1]
피카르의 소정리는 대정리의 따름 정리이며, 상수 이외의 전해석 함수의 치역이 기껏해야 유일한 점을 제외한 복소 평면 전체로 확장됨을 주장한다. 다시 말해, 복소 평면에서 두 점 이상을 결여하는 치역을 갖는 전해석 함수는 상수로 제한됨을 주장한다. 피카르의 정리는 카조라티-바이어슈트라스 정리나 리우빌 정리를 강화한 것이다.
3. 증명
피카르의 소정리와 대정리는 다양한 방법으로 증명될 수 있다. 피카르의 대정리 증명 (귀류법)함수 ''f''가 점 ''w'' 주변 반지름 ''r''의 천공 원판에서 해석적이고, ''f''가 두 값 ''z''0과 ''z''1을 생략한다고 가정한다. 일반성을 잃지 않고 ''z''0 = 0, ''z''1 = 1, ''w'' = 0, 그리고 ''r'' = 1이라고 가정할 수 있다.
함수 ''F''(''z'') = ''f''(''e''−''z'')는 오른쪽 반평면 Re(''z'') > 0에서 해석적이다. 오른쪽 반평면이 단일 연결되어 있기 때문에, 피카르의 소정리 증명과 유사하게, 오른쪽 반평면에서 정의된 해석 함수 ''G''와 ''H''가 존재하여 ''F''(''z'') = ''e''2π''iG''(''z'')이고 ''G''(''z'') = cos(''H''(''z''))이다. 란다우의 정리와 소 피카르 정리 증명에서 ''H''의 범위에 대한 관찰에 의해, |''H''′(''w'')| ≤ ''C'' / Re(''w'')를 만족하는 상수 ''C'' > 0이 존재한다. 따라서 모든 실수 ''x'' ≥ 2 및 0 ≤ ''y'' ≤ 2π에 대해,
:::
여기서 ''A'' > 0은 상수이다. 따라서 |''G''(''x'' + ''iy'')| ≤ ''x''''A''이다.
다음으로, 오른쪽 반평면에서 ''F''(''z'' + 2π''i'') = ''F''(''z'')임을 관찰하면, 이는 ''G''(''z'' + 2π''i'') − ''G''(''z'')가 항상 정수임을 의미한다. ''G''가 연속적이고 그 영역이 연결 공간이므로, 차이 ''G''(''z'' + 2π''i'') − ''G''(''z'') = ''k''는 상수이다. 즉, 함수 ''G''(''z'') − ''kz'' / (2π''i'')는 주기 2π''i''를 가진다. 따라서 0 주변 반지름 ''e''−2의 천공 원판에서 정의된 해석 함수 ''g''가 존재하여 ''G''(''z'') − ''kz'' / (2π''i'') = ''g''(''e''−''z'')이다.
위에 있는 ''G''에 대한 경계를 사용하여, 모든 실수 ''x'' ≥ 2 및 0 ≤ ''y'' ≤ 2π에 대해,
::
{2\pi}(x+2\pi)\le C'x^{A'}
가 성립하며, 여기서 ''A''′ > ''A''이고 ''C''′ > 0은 상수이다. 주기성 때문에, 이 경계는 실제로 모든 ''y''에 대해 성립한다. 따라서 0 < |''z''| < ''e''−2에 대해 |''g''(''z'')| ≤ ''C''′(−log|''z''|)''A''′의 경계를 갖는다. 리만의 제거 가능한 특이점에 대한 정리에 의해, ''g''는 0 주변 반지름 ''e''−2의 열린 원판에서 해석 함수로 확장된다.
따라서 ''G''(''z'') − ''kz'' / (2π''i'')는 Re(''z'') ≥ 3인 반평면에서 유계이다. 따라서 ''F''(''z'')''e''−''kz''는 Re(''z'') ≥ 3인 반평면에서 유계이며, ''f''(''z'')''z''''k''는 0 주변 반지름 ''e''−3의 천공 원판에서 유계이다. 리만의 제거 가능한 특이점에 대한 정리에 의해, ''f''(''z'')''z''''k''는 0 주변 반지름 ''e''−3의 열린 원판에서 해석 함수로 확장된다. 그러므로 ''f''는 0에서 본질적 특이점을 갖지 않는다.
그러므로 함수 ''f''가 0에서 본질적 특이점을 갖는다면, 0 주변의 열린 원판에서 ''f''의 범위는 최대 하나의 값을 생략한다. ''f''가 어떤 값을 유한 번만 취한다면, 0 주변의 충분히 작은 열린 원판에서 ''f''는 그 값을 생략한다. 따라서 ''f''(''z'')는 최대 하나의 값을 제외하고, 가능한 모든 복소수 값을 무한히 많이 취한다.