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S5. 沿方向的亚纯化与极点定位

—— 方向计数、指数–多项式渐近与 Laplace–Stieltjes 极点结构

摘要(定性)

在 S1 的管域/换序基线与 S2/S3/S4 的镜像—延拓范式之上,建立沿给定方向的计数/加权累积与其 Laplace–Stieltjes 变换之间的统一解析结构:当方向计数或加权累积具有限的指数–多项式渐近时,其沿方向的拉普拉斯–Stieltjes 变换在适当半平面内亚纯,全部极点由各指数率项的主尺度产生,极点位置由指数率决定、阶数受对应多项式次数的上界约束;在自然的单调/非负或变差控制下,反向可由变换的极点型奇性回推出计数的指数–多项式主项。该结果与 S4 的“极点 = 主尺度“原则一致,并与 S2 的二项闭合—横截几何、S3 的完成函数模板( 正规化)相互拼接。


0. 记号与前置(与 S1/S2/S3/S4 对齐)

方向切片与参数化。 固定方向 与横向偏置 ),记

对离散谱

定义方向位移

方向计数与加权累积。

两者视作右连续、局部有界变差函数(或相应 Stieltjes 测度的分布函数)。

【边界规范化与起点】如存在有限个 的初始点,其贡献可吸收进常数(或整函数)项而不影响后续极点定位。为避免符号歧义并保证边界项消失,以下均采用规范化:

如未做规范化,有限个 的项在方向变换中仅贡献常数/整函数,不改变 的极点集合与阶。

方向 Laplace–Stieltjes 变换(收敛半平面内)。

因此在绝对收敛半平面内(并在上述规范化下),

工作准则。 一切换序/逐项操作遵循 S1 的管域与主导收敛准则;离散—连续桥接仅使用 S4 的有限阶 Euler–Maclaurin(EM)分解,其伯努利层与余项在参数 上全纯/整函数,不改变极点集合。

局部零结构接口。 在主导两项情形,使用 S2 的二项闭合—横截模板判定方向切片上一元函数零的简单性与局部结构。

完成函数接口。 必要时使用 S3 的 正规化因子于乘法侧配平增长并构造对称完成函数。


1. 收敛阈与基本半平面

引理 5.1(方向绝对收敛的阈值)。

则: (i) 当 时, 绝对收敛; (ii) 若存在无穷多跳点(即 ),且 ,则 发散。若仅有限个跳点,则 为有限和因而在 平面整,断言 (ii) 不适用。 在命题 5.3 的局部多项式有界前提下(权重在单位长度区间内受控), 具有相同的方向绝对收敛半平面与阈值;否则权重可能改变绝对收敛阈值。

证明。对任意 ,存在 使 )。分部积分得

时右端有界且边界项消失,得 (i)。反向取子列 使 ,与几何级数对比得 (ii)。当且仅当存在无穷多跳点()时,收敛边界(abscissa)满足 参见 Widder《The Laplace Transform》或 Doetsch《Laplace Transformation》。若仅有限跳点,则约定 (此时 为整函数)。此外,在命题 5.3 的局部多项式有界前提下, 具有相同的方向绝对收敛半平面;若仅有限跳点,则二者在 平面整,收敛边界按约定取


2. 指数–多项式主项 亚纯延拓与极点上界

定义 5.2(方向指数–多项式渐近)。 具有有限指数–多项式渐近,若存在有限指标集 、实数 (允许重复)、多项式 ,使

局部有界变差、右连续。将此定义用于非加权计数 时, 取实多项式且系数非负。

为处理重复速率,记唯一速率集合 ,并对每个 定义聚合多项式

定理 T5.1(Abelian 方向亚纯化与极点上界)。 满足定义 5.2,则 在半平面 亚纯,其全部极点均位于 ,并且

时,整体 因子消去一阶,进一步有

更具体地,若

则在 邻域有主部展开

其中 全纯。

证明(补充与引用)。 的 Stieltjes 测度。对

代入渐近式并逐项积分:第二项在 全纯;第一项对每个 给出

由解析延拓唯一性得结论。这可视为 Abelian/传递定理的直接实例: 给出极点结构(参见 Flajolet–Sedgewick《Analytic Combinatorics》;Widder;Doetsch)。

计数版。 结论相同;在率 处最高阶主部系数为 )。若 则该系数非负; 时为 时为非正。

与 S4 的一致性。 伯努利层与余项在 上全纯,仅主尺度项可能产生极点,故“极点 = 主尺度“。


3. 从计数到加权:极点位置不右移(阶至多增加

命题 5.3(位置不右移;阶的上界)。 的跳点相同,且存在常数 使

满足定义 5.2,则 满足上界 因而其最大指数率不大于计数侧(极点位置不右移),并且绝对收敛半平面不右移。仅凭上述上界不能断言极点阶。

进一步假设 亦满足定义 5.2(例如:权重最终非负、单位区间内多项式有界且无系统性抵消,使其拥有与计数侧相同的速率集并存在带隙 ),由 T5.1 可得 且在

特例:当 (单位区间内权重一致有界)时,有 若并且计数侧在 达到上界(例如非负/无系统性抵消,使 ),则进一步有(阶不增) 并且位置与阶与计数侧一致(仅主部系数改变)。

证明略(分部求和与局部有界振幅控制)。

说明. 在母映射中,权重 在单位长度的 区间内多项式有界,极点几何的位置由指数率决定而与相位层无涉;对极点阶,仅在 时与计数侧一致,否则至多增加


4. 方向 Tauberian:极点 指数–多项式主项

定理 T5.2(单极点的 Tauberian 反演,Ikehara–Delange 型)。 全纯并可延拓至包含 的开邻域,在 有阶 的极点,且 在上述邻域内有界(例如:在 具有连续且有界的边界值,且 )。若 非减(或最终非减),则

,则 ,则

证明要点(补充与引用)。,用 Laplace–Stieltjes 反演

向左移路至 并取环绕 的小圆,主部来自该极点的留数;其余边界在单调性与 的垂线增长控制下为低阶项。此为一侧 Tauberian 范畴的典型结论:对非减(或最终非减),在 的有限阶极点蕴含 (参见 Korevaar, Tauberian Theory;Feller, Vol. II)。

注。 若失去单调性,可在全变差有界与局部平均化条件下得到 的上界;等号型结论需更强 Tauberian 工具。


5. 极点阶的上—下界与主项系数

则由 T5.1

且最高阶主部系数为

反向地,在 T5.2 的单极点情形,若 ,则

,则 ,并且

时,由于主部存在整体 因子,极点阶自动降一阶,普遍上界可收紧为

给出主项最高次系数。


6. 与 S4 的 EM 范式拼接(“极点 = 主尺度”)

对沿方向的离散和(如 或更一般的谱和),采用 S4 的有限阶 EM 分解为“主尺度积分 + 若干伯努利层 + 余项“。伯努利层与余项在 上全纯/整函数,仅主尺度项可能产生极点;与第 2 节的指数–多项式主项相结合,可在所需竖条内完成亚纯延拓与极点定位


7. 方向零–极点的互补几何(与 S2 对齐)

在方向切片 上,若某区段由两项主导,则 S2 的二项闭合给出零的局部方程(相位对径与幅度平衡),一般位置下零为简单零。与之互补地,极点来自方向累积(计数或加权)之指数增长,并非由局部两项相消产生。于是,截面函数的零—极点在几何上互补。


8. 完成函数与增长配平(与 S3 对齐)

为在更宽竖条上控制垂线增长或实现关于 的镜像对称,可取 S3 的 -对称 因子 ,定义完成函数

在 T5.1 的半平面内, 仍亚纯;借助 Stirling 估计,沿垂线的指数增长得到配平。若 同时消去主尺度极点,则 在该半平面内全纯(无极点)。


9. 反例与边界族(失效原因标注)

  • R5.1(亚指数累积):若 仅有 级增长,则 仅在 收敛且一般无极点;指数–多项式前提不成立。
  • R5.2(剧烈振荡权重):若加权跳跃在单位区间内呈超多项式爆长,命题 5.3 失效,可导致极点阶上升或出现自然边界。
  • R5.3(无限伯努利层):将 EM 误作无穷级数会破坏一致可和并伪造极点;必须坚持有限阶并验证余项全纯。
  • R5.4(方向退化):若 (所有项沿该方向同速),则方向切片退化;零/极点结构需改以横向参数()展开。

10. 统一“可检清单“(最小充分条件)

  1. 收敛半平面:计算 ,在 起步。
  2. 指数–多项式主项:给出 的有限指数–多项式渐近(指数率 、次数 、间隙 )。
  3. 亚纯化:由 T5.1 得到 的极点位置 与阶上界
  4. 权重稳健性(上界向):核对命题 5.3 的局部多项式有界条件,保证极点位置不右移(指数率不大于计数侧);极点不增。如需“位置/阶一致”,需另加“无系统性抵消”(如非负权重)假设。
  5. Tauberian 反演(等号型):在单调/非负等前提且满足 T5.2 的 Ikehara–Delange 边界条件时,由极点得到指数–多项式主项;若缺少该边界条件,仅可得上界,不保证等号型主项。
  6. EM 拼接:任何离散—连续互换均以 S4 的有限阶 EM 执行;伯努利层与余项在 上全纯。
  7. 几何一致性:主导两项区间内与 S2 的二项闭合—横截模板一致(零的简单性与退化分支)。
  8. 增长配平(可选):需要镜像/增长控制时,选用 S3 的对称 因子构造完成函数。

附录 A:Laplace–Stieltjes 基本公式(变差与分部积分)

为右连续、局部有界变差函数, 其 Stieltjes 测度。若 ),则

边界项在 下消失。若再假设 非减,则有反演公式

并配合留数定理与垂线增长估计给出 T5.2 的主项与误差控制。


结语

沿方向的计数/加权累积将母映射的谱—尺度数据压缩为一元可检对象;当其呈有限的指数–多项式增长时,沿方向的 Laplace–Stieltjes 变换在适当半平面内亚纯,其极点完全由主尺度决定:位置等于指数率,阶至多为相应多项式次数加一。该方向版解析结构与 S4 的 EM 范式严格一致,并与 S2 的零集几何、S3 的完成函数模板互补,为后续 S6 的信息刻度与 S7 的 -函数接口提供了可检、可拼接的极点—增长基线。


参考文献(指引性)

  1. D. V. Widder, The Laplace Transform, Princeton Univ. Press.
  2. G. Doetsch, Introduction to the Theory and Application of the Laplace Transformation.
  3. J. Korevaar, Tauberian Theory: A Century of Developments, Springer.
  4. W. Feller, An Introduction to Probability Theory and Its Applications, Vol. II, Wiley.
  5. P. Flajolet, R. Sedgewick, Analytic Combinatorics, Cambridge Univ. Press.