En análisis complejo y teoría de funciones geométricas , las matrices de Grunsky , u operadores de Grunsky , son matrices infinitas introducidas en 1939 por Helmut Grunsky . Estas matrices corresponden a una única función holomorfa en el disco unitario o a un par de funciones holomorfas en el disco unitario y su complemento. Las desigualdades de Grunsky expresan propiedades de acotación de estas matrices, que en general son operadores de contracción o, en casos especiales importantes, operadores unitarios . Como demostró Grunsky, estas desigualdades se cumplen si y solo si la función holomorfa es univalente . Las desigualdades son equivalentes a las desigualdades de Goluzin, descubiertas en 1947. En términos generales, las desigualdades de Grunsky proporcionan información sobre los coeficientes del logaritmo de una función univalente; generalizaciones posteriores de Milin , a partir de la desigualdad de Lebedev-Milin , lograron exponenciar las desigualdades para obtener desigualdades para los coeficientes de la función univalente misma. La matriz de Grunsky y sus desigualdades asociadas se formularon originalmente en un contexto más general de funciones univalentes entre una región delimitada por un número finito de curvas de Jordan suficientemente suaves y su complemento: los resultados de Grunsky, Goluzin y Milin se generalizan a ese caso.
Históricamente, las desigualdades para el disco se utilizaron para demostrar casos especiales de la conjetura de Bieberbach hasta el sexto coeficiente; de Branges empleó las desigualdades exponenciadas de Milin en la solución final. Una exposición detallada de estos métodos se puede encontrar en Hayman (1994) . Los operadores de Grunsky y sus determinantes de Fredholm también están relacionados con las propiedades espectrales de dominios acotados en el plano complejo . Estos operadores tienen además aplicaciones en el mapeo conforme , la teoría de Teichmüller y la teoría de campos conformes .
Matriz de Grunsky
Si f ( z ) es una función holomorfa univalente en el disco unitario, normalizada de modo que f (0) = 0 y f′ (0) = 1, la función
es una función univalente no nula en | z | > 1 que tiene un polo simple en ∞ con residuo 1:
La misma fórmula de inversión aplicada a g devuelve f y establece una correspondencia biunívoca entre estas dos clases de funciones.
La matriz de Grunsky ( c nm ) de g se define mediante la ecuación
Es una matriz simétrica . Sus entradas se denominan coeficientes de Grunsky de g .
Tenga en cuenta que
de modo que los coeficientes puedan expresarse directamente en términos de f . En efecto, si
entonces para m , n > 0
y d 0 n = d n 0 viene dado por
con
Desigualdades de Grunsky
Si f es una función holomorfa en el disco unitario con matriz de Grunsky ( c nm ), las desigualdades de Grunsky establecen que
para cualquier secuencia finita de números complejos λ 1 , ..., λ N .
Polinomios de Faber
Los coeficientes de Grunsky de una función univalente normalizada en | z | > 1
son polinomios en los coeficientes b i que se pueden calcular recursivamente en términos de los polinomios de Faber Φ n , un polinomio mónico de grado n que depende de g .
Al derivar en z la relación definitoria de los coeficientes de Grunsky y multiplicar por z se obtiene
Los polinomios de Faber se definen mediante la relación
Dividiendo esta relación por z e integrando entre z e ∞ se obtiene
Esto proporciona las relaciones de recurrencia para n > 0
con
De este modo
de modo que para n ≥ 1
Esta última propiedad determina de forma única el polinomio de Faber de g .
Teorema del área de Milin
Sea g ( z ) una función univalente en | z | > 1 normalizada de modo que
y sea f ( z ) una función holomorfa no constante en C .
Si
es la expansión de Laurent en z > 1, entonces
Prueba
Si Ω es una región abierta acotada con frontera suave ∂Ω y h es una función diferenciable en Ω que se extiende a una función continua en la clausura, entonces, por el teorema de Stokes aplicado a la 1-forma diferencial
Para r > 1, sea Ω r el complemento de la imagen de | z |> r bajo g ( z ), un dominio acotado. Entonces, por la identidad anterior con h = f′ , el área de f (Ω r ) viene dada por
Por eso
Dado que el área es no negativa
El resultado se obtiene haciendo disminuir r a 1.
Demostración de Milin de las desigualdades de Grunsky
Si
entonces
Aplicando el teorema del área de Milin,
(La igualdad se cumple aquí si y solo si el complemento de la imagen de g tiene medida de Lebesgue cero).
Así que a fortiori
Por lo tanto, la matriz simétrica
considerado como un operador en C N con su producto interno estándar, satisface
Así pues, por la desigualdad de Cauchy-Schwarz
Con
Esto da como resultado la desigualdad de Grunsky:
Criterio de univalencia
Sea g ( z ) una función holomorfa en z > 1 con
Entonces g es univalente si y solo si los coeficientes de Grunsky de g satisfacen las desigualdades de Grunsky para todo N.
De hecho, ya se ha demostrado que las condiciones son necesarias. Para ver la suficiencia, tenga en cuenta que
Tiene sentido cuando | z | y |ζ| son grandes y, por lo tanto, los coeficientes c mn están definidos. Si se satisfacen las desigualdades de Grunsky, es fácil ver que los | c mn | están uniformemente acotados y, por lo tanto, el desarrollo del lado izquierdo converge para | z | > 1 y |ζ| > 1. Al exponenciar ambos lados, esto implica que g es univalente.
Pares de funciones univalentes
Dejarysean funciones holomorfas univalentes en | z | < 1 y |ζ| > 1, tales que sus imágenes son disjuntas en C. Supongamos que estas funciones están normalizadas de modo que
y
con a ≠ 0 y
La matriz de Grunsky ( c mn ) de este par de funciones se define para todos los valores distintos de cero de m y n mediante las fórmulas:
con
de modo que ( c mn ) sea una matriz simétrica.
En 1972, el matemático estadounidense James Hummel extendió las desigualdades de Grunsky a esta matriz, demostrando que para cualquier secuencia de números complejos λ ±1 , ..., λ ± N
La demostración procede calculando el área de la imagen del complemento de las imágenes de | z | < r < 1 bajo F y |ζ| > R > 1 bajo g bajo un polinomio de Laurent adecuado h ( w ).
Dejarydenotemos los polinomios de Faber de g yy establecer
Entonces:
El área es igual a
donde C 1 es la imagen del círculo |ζ| = R bajo g y C 2 es la imagen del círculo | z | = r bajo F .
Por eso
Dado que el área es positiva, el lado derecho también debe ser positivo. Haciendo que r aumente a 1 y R disminuya a 1 , se deduce que
con igualdad si y solo si el complemento de las imágenes tiene medida de Lebesgue cero.
Al igual que en el caso de una sola función g , esto implica la desigualdad requerida.
Unitaridad
La matriz
Para una función única g o un par de funciones F , g es unitaria si y solo si el complemento de la imagen de g o la unión de las imágenes de F y g tiene medida de Lebesgue cero. Así pues, en términos generales, en el caso de una función, la imagen es una región estrecha en el plano complejo; y en el caso de dos funciones, las dos regiones están separadas por una curva de Jordan cerrada.
De hecho, la matriz infinita A que actúa sobre el espacio de Hilbert de secuencias sumables al cuadrado satisface
Pero si J denota la conjugación compleja de una secuencia, entonces
ya que A es simétrico. Por lo tanto
de modo que A sea unitario.
Formas equivalentes de las desigualdades de Grunsky
Desigualdades de Goluzin
Si g ( z ) es una función univalente normalizada en | z | > 1, z 1 , ..., z N son puntos distintos con | z n | > 1 y α 1 , ..., α N son números complejos, las desigualdades de Goluzin, demostradas en 1947 por el matemático ruso Gennadi Mikhailovich Goluzin (1906–1953), establecen que
Para deducirlas de las desigualdades de Grunsky, sea
para k > 0.
Por el contrario, las desigualdades de Grunsky se derivan de las desigualdades de Goluzin tomando
dónde
con r > 1, tendiendo a ∞.
Desigualdades de Bergman-Schiffer
Bergman y Schiffer (1951) dieron otra derivación de las desigualdades de Grunsky utilizando núcleos reproductores y operadores integrales singulares en la teoría de funciones geométricas ; un enfoque relacionado más reciente se puede encontrar en Baranov y Hedenmalm (2008) .
Sea f ( z ) una función univalente normalizada en | z | < 1, sean z 1 , ..., z N puntos distintos con | z n | < 1 y sean α 1 , ..., α N números complejos. Las desigualdades de Bergman-Schiffer establecen que
Para deducir estas desigualdades a partir de las desigualdades de Grunsky, establezca
para k > 0.
Por el contrario, las desigualdades de Grunsky se derivan de las desigualdades de Bergman-Schiffer tomando
dónde
con r < 1, tendiendo a 0.
Aplicaciones
Las desigualdades de Grunsky implican muchas desigualdades para funciones univalentes. También fueron utilizadas por Schiffer y Charzynski en 1960 para dar una demostración completamente elemental de la conjetura de Bieberbach para el cuarto coeficiente; una demostración mucho más compleja había sido hallada previamente por Schiffer y Garabedian en 1955. En 1968, Pedersen y Ozawa utilizaron independientemente las desigualdades de Grunsky para demostrar la conjetura para el sexto coeficiente. [ 1 ] [ 2 ]
En la demostración de Schiffer y Charzynski, si
es una función univalente normalizada en | z | < 1, entonces
es una función univalente impar en | z | > 1.
La combinación del teorema de área de Gronwall para f con las desigualdades de Grunsky para el primer menor de 2 x 2 de la matriz de Grunsky de g conduce a una cota para | a 4 | en términos de una función simple de a 2 y un parámetro complejo libre. El parámetro libre puede elegirse de manera que la cota se convierta en una función de la mitad del módulo de a 2 , y luego se puede comprobar directamente que esta función no es mayor que 4 en el intervalo [0,1].
Como demostró Milin, las desigualdades de Grunsky pueden exponenciarse. El caso más simple procede escribiendo
con un n ( w ) holomorfo en | w | < 1.
Las desigualdades de Grunsky, con λ n = w n, implican que
Por otro lado, si
como series de potencias formales , entonces la primera de las desigualdades de Lebedev-Milin (1965) establece que [ 3 ] [ 4 ]
De forma equivalente, la desigualdad establece que si g ( z ) es un polinomio con g (0) = 0, entonces
donde A es el área de g ( D ),
Para demostrar la desigualdad, observe que los coeficientes están determinados por la fórmula recursiva.
de modo que por la desigualdad de Cauchy-Schwarz
Las cantidades c n obtenidas al imponer la igualdad aquí:
satisfacery por lo tanto, revirtiendo los pasos,
En particular, definiendo b n ( w ) por la identidad
La siguiente desigualdad debe cumplirse para | w | < 1
Beurling transforma
La transformada de Beurling (también llamada transformada de Beurling-Ahlfors y transformada de Hilbert en el plano complejo ) proporciona uno de los métodos más directos para demostrar las desigualdades de Grunsky, siguiendo a Bergman y Schiffer (1951) y Baranov y Hedenmalm (2008) .
La transformada de Beurling se define en L 2 ( C ) como la operación de multiplicación porsobre transformadas de Fourier . Por lo tanto, define un operador unitario. También puede definirse directamente como una integral de valor principal [ 5 ].
Para cualquier región abierta acotada Ω en C, se define un operador acotado T Ω desde el conjugado del espacio de Bergman de Ω sobre el espacio de Bergman de Ω: una función holomorfa de cuadrado integrable se extiende a 0 fuera de Ω para producir una función en L 2 ( C ) a la que se aplica T y el resultado se restringe a Ω, donde es holomorfa. Si f es una aplicación univalente holomorfa del disco unitario D sobre Ω, entonces el espacio de Bergman de Ω y su conjugado pueden identificarse con el de D y T Ω se convierte en el operador integral singular con núcleo
Define una contracción . Por otro lado, se puede comprobar que T D = 0 calculando directamente sobre potencias.utilizando el teorema de Stokes para transferir la integral al contorno.
De ello se deduce que el operador con núcleo
actúa como una contracción en el conjugado del espacio de Bergman de D. Por lo tanto, si
entonces
Operador de Grunsky y determinante de Fredholm
Si Ω es un dominio acotado en C con frontera suave, el operador T Ω puede considerarse como un operador contractivo antilineal acotado en el espacio de Bergman H = A 2 (Ω). Está dado por la fórmula
para u en el espacio de Hilbert H = A 2 (Ω). T Ω se denomina operador de Grunsky de Ω (o f ). Su realización en D mediante una función univalente f que mapea D sobre Ω y el hecho de que T D = 0 muestra que está dado por restricción del núcleo
y por lo tanto es un operador de Hilbert-Schmidt .
El operador antilineal T = T Ω satisface la relación de autoadjuntividad.
para u , v en H.
Por lo tanto, A = T 2 es un operador lineal autoadjunto compacto en H con
de modo que A es un operador positivo. Por el teorema espectral para operadores autoadjuntos compactos, existe una base ortonormal u n de H que consta de autovectores de A :
donde μ n es no negativo debido a la positividad de A. Por lo tanto,
con λ n ≥ 0. Dado que T conmuta con A , deja sus autoespacios invariantes. La relación de positividad muestra que actúa trivialmente sobre el autoespacio cero. Los demás autoespacios no nulos son todos de dimensión finita y mutuamente ortogonales. Por lo tanto, se puede elegir una base ortonormal en cada autoespacio de modo que:
(Tenga en cuenta quepor la antilinealidad de T .)
Los valores distintos de cero de λ n (o a veces sus recíprocos) se denominan autovalores de Fredholm de Ω:
Si Ω es un dominio acotado que no es un disco, Ahlfors demostró que
El determinante de Fredholm para el dominio Ω se define mediante [ 6 ] [ 7 ].
Tenga en cuenta que esto tiene sentido porque A = T 2 es un operador de clase traza .
Schiffer y Hawley (1962) demostraron que siy f fija 0, entonces [ 8 ] [ 9 ]
Aquí las normas están en los espacios de Bergman de D y su complemento D c y g es una aplicación univalente de D c sobre Ω c fijando ∞.
Una fórmula similar se aplica en el caso de un par de funciones univalentes (véase más abajo).
Operadores integrales singulares en una curva cerrada
Sea Ω un dominio acotado simplemente conexo en C con frontera suave C = ∂Ω. Por lo tanto, existe una aplicación holomorfa univalente f del disco unitario D sobre Ω que se extiende a una aplicación suave entre las fronteras S 1 y C .
Notas
- ^ Düren 1983 , págs. 131-133
- ↑ Koepf 2007
- ^ Düren 1983 , págs. 143-144
- ↑ Aparte de la demostración elemental de este resultado que se presenta aquí, hay varias otras demostraciones analíticas en la literatura. Nikolski (2002 , p. 220) , siguiendo a de Branges , señala que es una consecuencia de desigualdades estándar relacionadas con núcleos reproductores . Widom (1988) observó que era una consecuencia inmediata de la fórmula límite de Szegő (1951). De hecho, si f es el polinomio trigonométrico de valor real en el círculo dado como el doble de la parte real de un polinomio g ( z ) que se anula en 0 en el disco unitario, la fórmula límite de Szegő establece que los determinantes de Toeplitz de e f aumentan a e A donde A es el área de g ( D ). El primer determinante es por definición solo el término constante en e f = | e g | 2 .
- ↑ Ahlfors 1966
- ↑ Schiffer 1959 , pág. 261
- ↑ Schiffer y Hawley 1962 , pág. 246
- ↑ Schiffer y Hawley, 1962 , págs. 245-246
- ↑ Takhtajan y Teo 2006
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- Análisis complejo
- Teoría de los módulos
- teoría de operadores