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 与 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)。 设
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), 与 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
当 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, 与 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)。 称 在 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 及 ,使
且 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)。 若 满足定义 5.2,则 在半平面 亚纯,其全部极点均位于 ,并且
当 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 在 全纯。
证明(补充与引用)。 记 为 的 Stieltjes 测度。对 有
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。 对 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)。 设 与 的跳点相同,且存在常数 使
若 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。
若进一步假设 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 ),则由 T5.1 可得 且在 时
特例:当 (单位区间内权重一致有界)时,有 若并且计数侧在 处达到上界(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)。 设 在 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 当 )。若 非减(或最终非减),则
若 ,则 若 ,则
证明要点(补充与引用)。 取 ,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
若
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 且 ,则
若 ,则 ,并且
当 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( 或 )展开。
10. 统一“可检清单“(最小充分条件)
- 收敛半平面:计算 ,在 起步。
- 指数–多项式主项:给出 或 的有限指数–多项式渐近(指数率 、次数 、间隙 )。
- 亚纯化:由 T5.1 得到 的极点位置 与阶上界 。
- 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);极点阶在 时不增。如需“位置/阶一致”,需另加“无系统性抵消”(如非负权重)假设。
- 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。
- 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。
- 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)。
- 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)
令 为右连续、局部有界变差函数, 其 Stieltjes 测度。若 且 (),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)
- D. V. Widder, The Laplace Transform, Princeton Univ. Press.
- G. Doetsch, Introduction to the Theory and Application of the Laplace Transformation.
- J. Korevaar, Tauberian Theory: A Century of Developments, Springer.
- W. Feller, An Introduction to Probability Theory and Its Applications, Vol. II, Wiley.
- P. Flajolet, R. Sedgewick, Analytic Combinatorics, Cambridge Univ. Press.