← 专著首页目录德麦国际专著第 70 号

第十一章 特征归属表

SDE数学解构导论 · 约 1,538 汉字

一、什么叫归属

定理 9.4 说 S 的每条特征都是 (D, E) 的函数,但没说是哪一个。归属要回答的是更细的问题:某条具体特征,它的成因主要坐落在 D 上,还是 E 上,还是二者的乘积上?

归属之所以不是文字游戏,因为它有一个当场可查的检验:

归属检验 若判定某特征归 D,则换掉 E 之后它应当不变;若判定归 E,则固

定 D 换掉 E 之后它应当翻面。

判错了,反例立刻出现。本章第三节给出五个这样的检验,每一个都可以在一页纸上算完;其中第四个推翻了本编作者原先的判断。

以下固定 D = D_B(第十章第二节的系数递推)。选它是因为它只用到环的加法、乘法与整数的可逆性,因此可以原样搬进任何特征为零的交换环——换 E 时 D 一个符号都不必改,这正是归属检验所需要的实验条件。

二、归属表

S 的特征 归属 检验方式奇函数 D 种子 a₀ = 0 使全部偶次项

为零;一切 E 中不变S 的特征 归属 检验方式振荡、无穷多零点 D 递推中的符号 −1;换成 +1

即得 sinh,E 未动sin² + cos² = 1 D 的首次积分 由递推本身导出;凡递推

可解处皆成立,含矩阵代

数有界,|sin| ≤ 1 D·E 的乘积 不变式来自 D,"平方非

负、二次型正定"来自 E整函数、收敛半径 ∞ E 完备性与赋值周期存在 D 轨道闭合,同构不变量周期数值 = 2π E 的归一化 剥掉单位选择后余下的不

变量是"轨道闭合",不是

那个数加法定理 D ∧ E(交换性) 见反例四:直觉归属在此

被推翻sin(1) 超越 E(ℝ 与 ℚ 的纠缠) Lindemann 定理单调区间、凸性 E 的序结构 ℂ 上无序,该特征整条消

失S 是否存在 E(特征为零) 见反例三:char p 中递推

断裂

三、五个反例

反例一 ℝ → ℂ:有界性翻面

D 不变,E 由实数域换为复数域。

由 sin z = (e^(iz) − e^(−iz)) / (2i),取 z = iy(y ∈ ℝ):

sin(iy) = (e^(−y) − e^(y)) / (2i) = (i/2)(e^(y) − e^(−y)) = i · sinh y。

故 |sin(iy)| = sinh|y| → ∞。数值上 sin(i) = i · 1.1752011936…

这个反例的价值不在"复正弦无界"这件众所周知的事,而在它暴露的机制。恒等式sin²z + cos²z = 1 在 ℂ 上仍然成立——它是 D 的首次积分,跟着 D 走。取 z = i·sinh y、w = cosh y,则

z² + w² = −sinh²y + cosh²y = 1,

等式成立,而 |z| 无界。于是结论很硬:有界性从来不是 D 给的。 D 给的是那条二次恒等式;把二次恒等式转成一条界,需要 E 额外提供"平方非负、二次型正定"这两件事,而 ℝ 有、ℂ 没有。归属表里那一行写"D·E 的乘积",指的正是这个乘法。

反例二 ℝ → ℚ_p:整性翻面

D 不变,E 换为 p 进数域 ℚ_p(p 为素数,配 p 进赋值 |·|_p,完备)。

同一条级数 Σ (−1)^k x^(2k+1)/(2k+1)!。由 Legendre 公式,

v_p(n!) = (n − s_p(n)) / (p − 1),

其中 s_p(n) 为 n 的 p 进数字和。故第 k 项的赋值为

v_p( x^(2k+1)/(2k+1)! ) = (2k+1)·v_p(x) − (2k+1 − s_p(2k+1))/(p−1)。

由于 s_p(2k+1) = O(log k),该式趋于 +∞ 的充要条件是

v_p(x) > 1/(p−1),即 |x|_p < p^(−1/(p−1))。

于是 sin 在 ℚ_p 上只在一个开球内有定义:p = 2 时 |x|₂ ≤ 1/4,p = 3 时 |x|₃ ≤1/3,p 大时球逐渐胀向单位球但永不到达。

"整函数"这条特征,是 ℝ 与 ℂ 借给 sin 的,不在 D 里。 递推一个符号未改,收敛半径从 ∞ 掉到有限。

反例三 特征 0 → 特征 p:存在性消失

D 不变,E 由 ℝ[[x]] 换为 𝔽_p[[x]]。

递推 a_(n+2) = −a_n / ((n+1)(n+2)) 要求 (n+1)(n+2) 在环中可逆。在 𝔽_p 中,当 p |(n+1)(n+2) 时不可逆。

p = 2:a₃ 需要除以 2·3 = 6 ≡ 0,第一步即断。

p 为奇素数:奇数下标链 a₁ → a₃ → a₅ → … 中,第一次出事在 n = p − 2(此时 n 为奇数,n + 2 = p ≡ 0)。而此时 a_(p−2) = (−1)^((p−3)/2)/(p−2)! ≠ 0,因为 (p−2)! 与 p互素。故 a_p 无法定出。

结论:在特征 p 中,不存在满足该递推与该种子的形式幂级数。S 根本不发生。

这就是第八章条款 ⓒ 的现场。F 是偏函数,而它的定义域"特征为零"本身是一条关于E 的结论——不是计算失败,是数学事实。归属表最后一行写"S 是否存在归 E",指的是这个。

反例四 ℝ → M₂(ℂ):加法定理失效,且直觉归属被推翻

D 不变,E 换为二阶复矩阵代数(级数在算子范数下绝对收敛,因 Σ||A||^(2k+1)/(2k+1)! 收敛)。先看什么活下来:sin²A + cos²A = I 仍然成立,因为它来自 e^(iA)e^(−iA) = I,而 iA 与−iA 交换。D 的首次积分不受影响。

再看什么死掉。取

A = [[0, 1], [0, 0]], B = [[0, 0], [−1, 0]]。

二者皆幂零:A² = B² = 0。故 sin A = A、cos A = I、sin B = B、cos B = I,于是

右端 = sin A · cos B + cos A · sin B = A + B。

而 A + B = [[0, 1], [−1, 0]] 满足 (A+B)² = −I。由此 (A+B)^(2k+1) = (−1)^k (A+B),代入级数:

sin(A+B) = Σ_(k≥0) (−1)^k (A+B)^(2k+1)/(2k+1)! = (A+B) · Σ_(k≥0) 1/(2k+1)! =sinh(1) · (A+B)。

左端 ≈ 1.1752 (A+B),右端 = (A+B),差 ≈ 0.1752 (A+B) ≠ 0。

(此处 AB = [[−1,0],[0,0]]、BA = [[0,0],[0,−1]],确实不交换。加法定理成立当且仅当AB = BA。)

这一条是全章最重要的。 加法定理表面上只讲"差异如何复合",因此直觉会把它整条记在 D 名下——本编初稿正是这样写的。矩阵代数把它推翻了:交换性一直在暗中做工,一撤走就塌。正确的归属是 D ∧ E(交换性)。

一张能推翻自己先验判断的表,才是有内容的表。若归属表只会为已知结论重新命名,它就该被丢掉。

反例五 换尺度:2π 不是内禀的

ℝ 作为裸拓扑群没有典范单位:每个非零 λ 给出自同构 σ_λ : x ↦ λx。

令 s_λ := sin ∘ σ_λ。则 s_λ 满足 y″ = −λ²y、y(0) = 0、y′(0) = λ,周期为 2π/λ。取 λ =2π,周期即为 1。

因此:周期的存在是同构不变量(轨道闭合,跟着 D 走);周期的数值是轨道相对于所选归一化的量,跟着 E 走。剥掉单位选择之后剩下的不变量是"这条轨道会回到起点"这一事实,不是那个数。

这不是说 2π 可以随意。它是 D 的种子与 E 的度量之间的一个比值——两边都固定,它才固定。归属表里写"E 的归一化",说的是这个比值的分母在 E 手里。

四、这张表能做什么

五个反例排成一列,可以读出归属表的工作方式:

• 判 D 的(奇性、振荡、首次积分、周期存在)在全部五种 E 下不变;

• 判 E 的(有界、整、序性质、存在性)在换 E 时逐条翻面,且翻面的方向与预

言一致;

• 判 D·E 的(有界性、加法定理)在换 E 时翻面,但翻的是 E 那一半,D 那一半

原样保留——反例一与反例四把这个"半塌"看得最清楚。

这就是归属表比定理 9.4 更值钱的原因:定理只保证"是二者的函数",归属表还预言换掉哪一个会出什么事,因而每一行都可以被单独证伪。

德麦国际专著第 70 号 · 王德生《SDE数学解构导论》