Bourbaki

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§ 2。渐近展开

1. 比较范围

令 E 为集合,由具有基 F\mathfrak{F} 的过滤器过滤,K 为非离散值域(最常见的是 K=RK = \mathbf{R} 或 K=CK = \mathbf{C})。 H(F,K)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, K)中函数的集合不等于0模R∞R_\infty(即,F\mathfrak{F}中的每个集合中至少有一个点,其中函数不消失),关系“ f≪gf \ll g或f=gf = g”是序关系。

定义 1 08ES

有人说,函数不等于0模R∞R_\infty形成的H(F,K)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, K)的子集E\mathscr{E}是当E\mathscr{E}由关系“f≪gf \ll g或f=gf = g”全序时的比较尺度。

在其他字中,如果E\mathscr{E}中ff和gg是函数,则关系、f≪gf \ll g、g≪fg \ll f、f=gf = g中的一个(且只有一个)始终成立。因此,在 E\mathscr{E} 关系 f≍gf \asymp g(和 更不必说 ∣f∣∼a ∣g∣|f| \sim a\,|g|,其中 aa 是数 >0> 0)*意味着* f=gf = g。

比较量表的每个子集显然也是比较量表。

例 1 08ET

对于xx真实且趋于函数xαx^\alpha(α\alpha任意实数)的+∞+\infty集合是一个比较尺度。当 F\mathfrak{F} 是左端点为 aa 的开区间的集合时,函数 (x−a)α(x-a)^\alpha 也是如此。

例 2 08EU

对于 zz 趋向于函数 znz^n ∞\infty 集合的复数(nn 一个有理整数)是一个比较尺度;当F\mathfrak{F}是该点的邻域的过滤器的点a∈Ca \in \mathbf{C}的补集时,函数(z−a)n(z-a)^n也是如此。

被以下引用 1

被以下引用 例 5

例 3 08EV

设 F 为空间; 函数∥x−a∥α\|x-\mathbf{a}\|^\alpha(α\alpha任意实数)族是当F\mathfrak{F}是该点的邻域滤波器的a\mathbf{a}补线上的迹时的比较尺度。 注,如果pp和qq是F上两个不同的范数,则两个比较量表(p(x−a))α(p(x-\mathbf{a}))^\alpha和(q(x−a))α(q(x-\mathbf{a}))^\alpha中的并通常不是比较量表。

例 4 08EW

对于xx实数趋于+∞+\infty,形式exp⁡(p(x))\exp(p(x))的函数的族E\mathscr{E},其中pp贯穿没有常数项*的*多项式的集合(具有实数系数),是一个比较尺度:它足以注,两个函数在E\mathscr{E}中的商又在E\mathscr{E}中,并且如果p≠0p \neq 0,函数exp⁡(p(x))\exp(p(x))必须趋向于0或+∞+\infty;事实上,p(x)∼αxnp(x) \sim \alpha x^n,其中n>0n > 0和α≠0\alpha \neq 0;如果α>0\alpha > 0则p(x)>12αxnp(x) > \frac{1}{2} \alpha x^n对于xx足够大;如果α<0\alpha < 0则p(x)<12αxnp(x) < \frac{1}{2} \alpha x^n对于xx足够大;在第一种情况下,exp⁡(p(x))\exp(p(x))趋于+∞+\infty,在第二种情况下趋于0。

例 5 08EX

对于形式xα(log⁡x)βx^\alpha (\log x)^\beta的函数的xx实数趋于+∞+\infty集合E\mathscr{E}(为x>1x > 1定义),其中α\alpha和β\beta是任意的实数,是比较量表。事实上,这里两个函数在E\mathscr{E}中的商又是函数在E\mathscr{E}中;足以证明,如果α\alpha和β\beta不都是零,则xα(log⁡x)βx^\alpha (\log x)^\beta趋于0或+∞+\infty;如果α=0,β≠0\alpha = 0, \beta \neq 0,这很清楚;如果 α>0\alpha > 0 一个有 (log⁡x)−β≪xα(\log x)^{-\beta} \ll x^\alpha,并且如果 α<0\alpha < 0 一个有 (log⁡x)β≪x−α(\log x)^\beta \ll x^{-\alpha},对于任何 β\beta、从而命题。

注最后一个比较尺度是全序集(对于关系“f ≪\ll g”或f=gf = g“),其阶结构同构于R2\mathbf{R}^2上的*字典顺序*阶 (*集合理论*,III,p. 157);回想一下,在此结构关系(α,β)<(γ,δ)(\alpha, \beta) < (\gamma, \delta)表示“α<γ\alpha < \gamma,或α=γ\alpha = \gamma和β<δ\beta < \delta”)。

类似地,由函数 exp⁡(p(x))\exp(p(x)) 形成的标度,其中 pp 穿过没有常数项的多项式的集合 P0P_0,阶结构同构于阶结构 P0P_0,其中关系p<qp < q意味着多项式q−pq - p的主导项有一个系数>0> 0(*cf.Alg.*,VI.19,*例2*)。

令φ\varphi为从集合F到E的映射,使得φ−1(F)\varphi^{-1}(\mathfrak{F})是F上的过滤器基。如果E\mathscr{E}是E上的比较尺度(对于过滤器基F\mathfrak{F})则函数f∘φf \circ \varphi,如ff 贯穿E\mathscr{E}、形式 F 上的比较尺度(对于过滤器基 φ−1(F)\varphi^{-1}(\mathfrak{F}))。

引用了 1

引用了 例 2

2. 主部分和渐近展开

令E\mathscr{E}为非离散值域 K中由函数与值形成的比较尺度。令V为K上的标准化空间,令f\mathbf{f}为H(F,V)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, V)中的函数;如果V中有函数g∈Eg \in \mathscr{E}和元素a≠0\mathbf{a} \neq 0使得f∼ag\mathbf{f} \sim \mathbf{a}g,则可以说ag\mathbf{a}g是f\mathbf{f}相对于规模E\mathscr{E}的*主部分*。从定义。 V、p. 10、f\mathbf{f} 中的 1 个相对于 E\mathscr{E} 只能有一个主体部分,因为如果g1, g2g_1,\ g_2 是E\mathscr{E} 中的两个函数,并且a1, a2\mathbf{a}_1,\ \mathbf{a}_2 是两个≠0\neq 0 V的元素,则关系a1g1∼a2g2\mathbf{a}_1 g_1 \sim \mathbf{a}_2 g_2蕴含∣g1∣≍∣g2∣|g_1| \asymp |g_2|,因而g1=g2g_1 = g_2,从而(a2−a1)g1≪g1(\mathbf{a}_2 - \mathbf{a}_1)g_1 \ll g_1,并且由于g1g_1与零在任何集合上不相同E\mathscr{E} 这意味着a2=a1\mathbf{a}_2 = \mathbf{a}_1。

如果f\mathbf{f}相对于比较尺度E\mathscr{E}具有主体部分,则相对于每个比较尺度E′⊃E\mathscr{E}' \supset \mathscr{E},它具有*相同的主体部分。

例 1 08EY

对于趋向于 +∞+\infty(或∞\infty)的xx实数(或复数),每个系数为V的多项式a0xn+a1xn−1+…+ana_0 x^n + a_1 x^{n-1} + \ldots + a_n,使得a0≠0a_0 \neq 0,相对于标度xnx^n,具有主部分a0xna_0 x^n (或任何规模包含xnx^n)。由此可见,每个有实数或复数系数的有理分数 a0xn+⋯+amb0xn+⋯+bn\frac{a_0 x^n + \cdots + a_m}{b_0 x^n + \cdots + b_n} 使得 a0b0≠0a_0 b_0 \neq 0 对于相同的尺度具有主部分 a0b0xn\frac{a_0}{b_0} x^n。

例 2 08EZ

函数可以与某个等级的所有函数相比较,但不承认该等级的主要部分。对于例,对于趋向于+∞+\infty的xx实数,x\sqrt{x}相对于标度xnx^n没有本金部分,其中nn是有理数整数; log⁡x\log x相对于xαx^\alpha的规模没有本金部分(α\alpha任意实数); exp⁡(log⁡x)\exp(\sqrt{\log x}) 和 x′=exlog⁡xx' = e^{x \log x} 相对于 xα(log⁡x)βx^\alpha (\log x)^\beta 的标度没有主部分,也相对于 exp⁡(p(x))\exp(p(x)) 的标度(pp 没有常数项的多项式)。

本金部分的概念承认广泛的推广。假设函数f∈H(F,V)f \in \mathscr{H}(\mathfrak{F}, V)相对于尺度E\mathscr{E}有一个主体部分a1g1a_1 g_1; 关系 f∼a1g1f \sim a_1 g_1 相当于f−a1g1≪g1f - a_1 g_1 \ll g_1(V,p. 216,def. 4);为了更仔细地研究函数ff,我们会考虑函数f−a1g1f - a_1 g_1。如果这个函数相对于E\mathscr{E}有一个本金部分a2g2a_2 g_2,则必须有g2≪g1g_2 \ll g_1和f−a1g1−a2g2≪g2f - a_1 g_1 - a_2 g_2 \ll g_2。

更一般地,假设标度E\mathscr{E}以参数方式写成形式(gα)(g_\alpha),其中α\alpha贯穿指标AA的集合,赋予全序结构同构于阶的*相反* E\mathscr{E}的结构:关系α<β\alpha < \beta因此等价于gβ≪gαg_\beta \ll g_\alpha。在这些情况下:

引用了 1

引用了 V § 1. 。 函数与过滤后的集合的比较

定义 2 08F0

有人说函数* f∈H(F,V)f \in \mathscr{H}(\mathfrak{F}, V) 承认渐近展开精确 gαg_\alpha (相对于尺度 E\mathscr{E}*) 如果存在一个族 (aλ)λ≤α(a_\lambda)_{\lambda \leq \alpha} 元素的 VV,*除了有限的所有其中数是*00,*使得*f−∑λ≤αaλgλ≪gαf - \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda \ll g_\alpha。 有人说 ∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda 是 ff 精确到 gαg_\alpha的渐近展开,** aλgλa_\lambda g_\lambda (λ≤α\lambda \leq \alpha) 是它的项, aλa_\lambda 它的系数,以及函数 rα=f−∑λ≤αaλgλr_\alpha = f - \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda 剩余的展开。

引用了 2

引用了 V § 1. 。 函数与过滤后的集合的比较, I § 3. 。高阶阶的衍生物

为了表达∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda是ff的渐近展开到精确gαg_\alpha这一事实,最常使用限制来写作

f=∑λ≤αaλgλ+o(gα)(or f=∑λ≤αaλgλ+ok(gα) f = \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda + o(g_\alpha) \quad \text{(or } f = \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda + o_k(g_\alpha)

如果证明中存在多个函数),那么V、p. 219和220的记号之后。

在相对于相同尺度 E\mathscr{E} 的两个渐近展开(两个函数,无论是否不同)中,有人说精度大于指标的那个是“更精确”。

If ∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda is an asymptotic expansion of ff to precision gαg_\alpha, then, for every β<α\beta < \alpha, ∑λ≤βaλgλ\sum_{\lambda \leq \beta} a_\lambda g_\lambda is an asymptotic expansion of ff to precision gβg_\beta (V, p. 215, prop. 5): one says that it is obtained by reducing the precision of the given expansion ∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda of ff to gβg_\beta.

如果 ∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda 和 ∑λ≤αbλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} b_\lambda g_\lambda 渐近展开到两个函数 f1,f2f_1, f_2 的*相同*精度 gαg_\alpha,则 ∑λ≤α(aλ+bλ)gλ\sum_{\lambda \leq \alpha} (a_\lambda + b_\lambda) g_\lambda 是 f1+f2f_1 + f_2 到精度 gαg_\alpha 的渐近展开 (V,p. 215,第 5 条);对于每个标量 cc,∑λ≤αaλcgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda c g_\lambda 是 f1cf_1 c 到精度 gαg_\alpha 的渐近展开。由此可见,如果函数承认渐近展开达到精度 gαg_\alpha,那么这个展开是*唯一*的:足以看出函数 0 不承认渐近展开具有精度 gαg_\alpha 且系数为 ≠0\neq 0。因为,如果 0=∑λ≤αaλgλ+rα0 = \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda + r_\alpha 和 γ\gamma 是指标 λ≤α\lambda \leq \alpha 中最小的一个,使得aλ≠0a_\lambda \neq 0,那么就会有 aγgγ=−∑γ<λ≤αaλgλ−rα≪gγa_\gamma g_\gamma = - \sum_{\gamma < \lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda - r_\alpha \ll g_\gamma,这是荒谬的。

如果说函数 ff 承认渐近展开的精度为 gαg_\alpha,其所有系数均为 零,则相当于说与 f≪gαf \ll g_\alpha。如果 ff 承认渐近展开 ∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda 达到精度 gαg_\alpha,其系数不全为零,并且如果 γ\gamma 是指标 λ\lambda 的最小的,使得 aλ≠0a_\lambda \neq 0,则aγgγa_\gamma g_\gamma 是ff 相对于E\mathscr{E} 尺度的*本部分*,因为一个人有f−aγgγ=∑γ<λ≤αaλgλ+rα≪gγf - a_\gamma g_\gamma = \sum_{\gamma < \lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda + r_\alpha \ll g_\gamma;类似地,如果 μ≤α\mu \leq \alpha 是指标,使得 aμ≠0a_\mu \neq 0,则 aμgμa_\mu g_\mu 是 f−∑λ<μaλgλf - \sum_{\lambda < \mu} a_\lambda g_\lambda 的主部分。

应用中最重要的渐近展开是那些相对于x−nx^{-n}(分别是z−nz^{-n})的标度,其中nn是正或负整数,因为xx趋于+∞+\infty或−∞-\infty(分别当复数 zz 趋于 ∞\infty),或者当实数 xx 从右或左趋于 cc 时(分别当复数时),或相对于 (x−c)n(x - c)^n(或 (z−c)n(z - c)^n)的比例zz趋于cc)。我们在I、p. 21中看到,实数变量xx的每个向量函数在点c∈Rc \in \mathbf{R}可微分kk倍都承认阶的泰勒展开 kk 在此点,即相对于 (x−c)n(x - c)^n 的标度,渐近展开到精度 (x−c)k(x - c)^k。

3. 渐近展开的和和乘积

如果f1,f2f_1, f_2允许渐近展开分别达到精度gαg_\alpha和gβg_\beta,相对于比较尺度E\mathscr{E},通过将两个展开*限制*到该精度,可以将展开推导到精度gmin⁡(α,β)g_{\min(\alpha, \beta)};我们已经在 V、p. 222 中看到了如何获得 f1+f2f_1 + f_2 到精度 gmin⁡(α,β)g_{\min(\alpha, \beta)} 的渐近展开。

令V1,V2V_1, V_2和VV为域KK上的三范数空间,并令(x,y)↦[x.y](\mathbf{x}, \mathbf{y}) \mapsto [\mathbf{x}. \mathbf{y}]为从V1×V2V_1 \times V_2到VV的*连续双线性映射*;我们进一步假设,对于这个截面的其余部分,E\mathscr{E}的比例是这样的,E\mathscr{E}中任何两个函数的*乘积*再次在E\mathscr{E}中(对于所有给出的例比较比例(在V中, p. 220))。

现在让f1,f2f_1, f_2分别是H(F,V1)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, V_1)和H(F,V2)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, V_2)中的两个函数,相对于标度E\mathscr{E},分别具有渐近展开、f1=∑λ≤αaλgλ+rαf_1 = \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda + r_\alpha和f2=∑μ≤βbμgμ+rβf_2 = \sum_{\mu \leq \beta} b_\mu g_\mu + r_\beta的精度gαg_\alpha和gβg_\beta。进一步假设aλa_\lambda和bμb_\mu都不全是零,并令aγgγa_\gamma g_\gamma和bδgδb_\delta g_\delta作为f1f_1和f2f_2的主部分。到假设,可以写出gγgβ=gρg_\gamma g_\beta = g_\rho和gδgα=gσg_\delta g_\alpha = g_\sigma;让我们证明,和∑[aλ.bμ]gλgμ\sum [\mathbf{a}_\lambda . \mathbf{b}_\mu] g_\lambda g_\mu接管了所有对(λ,μ)(\lambda, \mu),使得gmin⁡(ρ,σ)≪gλgμg_{\min(\rho, \sigma)} \ll g_\lambda g_\mu是*[f1.f2][f_1.f_2]*精确*gmin⁡(ρ,σ)g_{\min(\rho, \sigma)}的*渐近展开。现在[f1.f2][f_1.f_2]和这个和之间的差异是项的有限数的和,每个形式[aλ.bμ]gλgμ[\mathbf{a}_\lambda . \mathbf{b}_\mu] g_\lambda g_\mu和gλgμ≪gmin⁡(ρ,σ)g_\lambda g_\mu \ll g_{\min(\rho, \sigma)},或者形式[aλ.rβ]gλ[\mathbf{a}_\lambda . \mathbf{r}_\beta] g_\lambda其中λ≥γ\lambda \geq \gamma,或形式[rα.bμ]gμ[\mathbf{r}_\alpha . \mathbf{b}_\mu] g_\mu,其中μ≥δ\mu \geq \delta;但由于 [x.y][\mathbf{x}. \mathbf{y}] 是连续的,因此可以从 (V, p. 213, 命题 3 和 V, p. 215, 命题 6) 得到[aλ.rβ]gλ≼rβgλ≪gβgγ=gρ[\mathbf{a}_\lambda . \mathbf{r}_\beta] g_\lambda \preccurlyeq \mathbf{r}_\beta g_\lambda \ll g_\beta g_\gamma = g_\rho λ≥γ\lambda \geq \gamma,类似地[rα.bμ]gμ≼rαgμ≪gαgδ=gσ[\mathbf{r}_\alpha . \mathbf{b}_\mu] g_\mu \preccurlyeq \mathbf{r}_\alpha g_\mu \ll g_\alpha g_\delta = g_\sigma μ≥δ\mu \geq \delta, 从而命题(V,p. 215,道具 5)。

如果所有aλ\mathbf{a}_\lambda都是零,其中一个有[f1.f2]≪gαgδ[f_1.f_2] \ll g_\alpha g_\delta:在其他字中,一个有[f1.f2][f_1.f_2]的渐近展开,其中零项,精确到gαgδg_\alpha g_\delta;类似地,如果所有 aλ\mathbf{a}_\lambda 和 bμ\mathbf{b}_\mu 都是零,则其中一个具有 [f1.f2][f_1.f_2] 的渐近展开,其中零项的精度为 gαgβg_\alpha g_\beta。

我们主要将前面的结果应用到V是K上的*范数代数*并且双线性函数[x.y][\mathbf{x}. \mathbf{y}]是这个代数中的乘积xy;最重要的情况是V等于R\mathbf{R}或C\mathbf{C}。

In particular, if fif_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) are n functions in H(F,K)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, K) each of which admits an asymptotic expansion with respect to E\mathscr{E} one can obtain an asymptotic expansion with respect to E\mathscr{E} for every polynomial ∑(vi)av1v2vnf1v1…fnvn\sum_{(v_i)} \mathbf{a}_{v_1 v_2} v_n f_1^{v_1} \ldots f_n^{v_n} in the fif_i with coefficients in a normed space V; furthermore, the preceding rules allow one to determine the precision of the expansion obtained, if one knows those of the expansions of the functions fif_i.

4. 渐近展开的合成

令ff在H(F,R)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, \mathbf{R})(或H(F,C)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, \mathbf{C}))中为函数,相对于尺度E\mathscr{E},承认渐进展开达到精度gαg_\alpha,并且*沿着具有基F~\widetilde{\mathfrak{F}}的滤波器具有极限* 0。 On the other hand let h\mathbf{h} be a function with values in a normed space V over R\mathbf{R} (resp. C\mathbf{C}), defined on a neighbourhood of the point 0 in R\mathbf{R} (resp. C\mathbf{C}), and n times differentiable on this neighbourhood; then

h(t)=c0+c1t+⋯+cntn+o(tn) \mathbf{h}(t) = c_0 + c_1 t + \cdots + c_n t^n + o(t^n)

在这个邻域(I,p. 21),从而,在F~\widetilde{\mathfrak{F}}合适的集合上

h∘f=c0+c1f+⋯+cnfn+o(fn). \mathbf{h} \circ f = c_0 + c_1 f + \cdots + c_n f^n + o(f^n).

我们已经看到,在 n 3 中,如何将 c0+c1f+⋯+cnfnc_0 + c_1 f + \cdots + c_n f^n 的形式渐近展开达到由展开的 ff 精度确定的精度 gρg_\rho;另外,假设ff的渐近展开的系数不全是零,并且aγgγa_\gamma g_\gamma是ff的主部分,令gσ=gγng_\sigma = g_\gamma^n;如果 σ<ρ\sigma < \rho 将 h∘f\mathbf{h} \circ f 的展开限制为gσg_\sigma 精度,并将 ∑k=0nckfk\sum_{k=0}^n c_k f^k 的展开限制为该精度;相反,如果ρ≤σ\rho \leq \sigma,则∑k=0nckfk\sum_{k=0}^n c_k f^k的展开也是h∘f\mathbf{h} \circ f的展开,精确到gρg_\rho。

如果ff的渐近展开的所有项都是零,并且如果gα≪1g_\alpha \ll 1,那么对于每个整数k>0k > 0,f≪gαf \ll g_\alpha等等fk≪gαk≪gαf^k \ll g_\alpha^k \ll g_\alpha;如果cmc_m是指标>0> 0的第一个系数,且不是零(假设指标k>0k > 0的ckc_k不全为0),则c0c_0是h∘fh \circ f精确到的渐近展开 gαmg_\alpha^m。

在截面的其余部分,我们将限制自己的情况,即E\mathscr{E}中的函数具有实数值,并且在F\mathfrak{F}中的集合严格为正,并且我们将仅考虑H(F,R)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, \mathbf{R})中的函数的渐近展开。 Suppose first that for every function g∈Eg \in \mathscr{E} and every real number ν\nu, gνg^\nu again belongs to E\mathscr{E}: this condition is fulfilled, for example, by the scale of the xαx^\alpha or by that of the xα∣log⁡x∣βx^\alpha |\log x|^\beta (α\alpha and β\beta being arbitrary real numbers) on a neighbourhood of +∞+\infty or a neighbourhood of 0 in R\mathbf{R}. 这个性质意味着E\mathscr{E}中两个函数的商再次属于到E\mathscr{E}。 因此,从相对于函数 f∈H(F,R)f \in \mathscr{H}(\mathfrak{F}, \mathbf{R}) 的 E\mathscr{E} 的渐近展开,到精度gαg_\alpha,对于每个实数ν\nu,可以针对∣f∣ν|f|^\nu推导出展开。 让我们限制ff的展开的系数不全是零的情况,并让aγgγa_\gamma g_\gamma作为ff的主要部分;可以写 ∣f∣ν=∣aγ∣νgγν(1+h)ν|f|^\nu = |a_\gamma|^\nu g_\gamma^\nu (1 + h)^\nu,其中

h=∑γ<λ≤αaλaγgλgγ+o(gαgγ). h = \sum_{\gamma < \lambda \leq \alpha} \frac{a_\lambda}{a_\gamma} \frac{g_\lambda}{g_\gamma} + o \left( \frac{g_\alpha}{g_\gamma} \right).
根据我们的假设,∑γ<λ≤αaλaγgλgγ\sum_{\gamma < \lambda \leq \alpha} \frac{a_\lambda}{a_\gamma} \frac{g_\lambda}{g_\gamma}是hh的渐近展开,精确到gα/gγg_\alpha / g_\gamma;由于上述hh沿着F\mathfrak{F}方法趋向于0,给出(1+h)ν(1 + h)^\nu的渐近展开,然后∣f∣ν|f|^\nu的展开乘以∣aγ∣νgγν|a_\gamma|^\nu g_\gamma^\nu。

右 ff 进行同样的假设,可以写出

log⁡∣f∣=log⁡∣aγgγ∣+log⁡(1+h) \log |f| = \log |a_\gamma g_\gamma| + \log (1 + h)
并且 log⁡(1+h)\log (1 + h) 可以展开,如上所述,函数 log⁡(1+t)\log (1 + t) 在 0 的邻域上无限可微;此外,如果log⁡gγ\log g_\gamma承认关于E\mathscr{E}或关于E1⊃E\mathscr{E}_1 \supset \mathscr{E}的渐近展开,则通过将两个渐近展开相加,可以得到log⁡∣f∣\log |f|的渐近展开。

例 08F1

我们有 (1+x)1/x=exp⁡(1xlog⁡(1+x))(1 + x)^{1/x} = \exp \left( \frac{1}{x} \log (1 + x) \right):当 xx 趋于 +∞+\infty 时,我们有 log⁡(1+x)=log⁡x+log⁡(1+1x)\log (1 + x) = \log x + \log \left( 1 + \frac{1}{x} \right)、从而 1xlog⁡(1+x)\frac{1}{x} \log (1 + x) 相对于 xα(log⁡x)βx^\alpha (\log x)^\beta 尺度的渐近展开:

1xlog⁡(1+x)=log⁡xx+1x2−12x3+o1(1x3). \frac{1}{x} \log (1 + x) = \frac{\log x}{x} + \frac{1}{x^2} - \frac{1}{2x^3} + o_1 \left( \frac{1}{x^3} \right).
来自这个展开,以及来自泰勒展开
eu=1+u+u22+u36+o(u3) e^u = 1 + u + \frac{u^2}{2} + \frac{u^3}{6} + o(u^3)

在 u=0u = 0 的邻域上,推导出渐近展开

(1+x)1/x=1+log⁡xx+12(log⁡x)2x2+1x2+16(log⁡x)3x3+log⁡xx3−12x3+o2(1x3) (1 + x)^{1/x} = 1 + \frac{\log x}{x} + \frac{1}{2} \frac{(\log x)^2}{x^2} + \frac{1}{x^2} + \frac{1}{6} \frac{(\log x)^3}{x^3} + \frac{\log x}{x^3} - \frac{1}{2x^3} + o_2 \left( \frac{1}{x^3} \right)

相对于上面解释的xα(log⁡x)βx^\alpha (\log x)^\beta乘方法的比例。

保持相同的假设和记号,efe^f的渐近展开不会构成新的问题,除非f≫1f \gg 1;然后必须区分两种情况,如gα≫1g_\alpha \gg 1或gα≪1g_\alpha \ll 1。第一种情况,给ff给出展开,并不能获得efe^f相对于E\mathscr{E}的本金部分,因为一般不知道余数rαr_\alpha是否趋于0,即erαe^{r_\alpha}是否趋于1。相反,如果gα≪1g_\alpha \ll 1则rσ≪1r_\sigma \ll 1 ef∼exp⁡(∑λ≤αaλgλ)e^f \sim \exp \left( \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda \right)。可以使这个结果更加精确:令aγgγa_\gamma g_\gamma为ff的主部分,令δ\delta为指标(这样γ<δ≤α\gamma < \delta \leq \alpha),其中gδ=1g_\delta = 1;我们把f1=∑λ≤δaλgλf_1 = \sum_{\lambda \leq \delta} a_\lambda g_\lambda,f2=∑δ<λ≤αaλgλ+rαf_2 = \sum_{\delta < \lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda + r_\alpha;我们有f=f1+f2f = f_1 + f_2,所以ef=ef1ef2e^f = e^{f_1} e^{f_2},并且在小节开始时解释的一般方法允许人们形式一个ef2e^{f_2}的渐近展开(从ete^t的泰勒展开开始) 点t=0t = 0)。如果 ef1=∏λ≤δexp⁡(aλgλ)e^{f_1} = \prod_{\lambda \leq \delta} \exp(a_\lambda g_\lambda) 属于到 E\mathscr{E},或者到E1\mathscr{E}_1 包含 E\mathscr{E},那么对于 efe^f 将会有一个渐近展开。

例 08F2

我们有x1/1=exp⁡(log⁡x⋅exp⁡(1xlog⁡x))x^{1/1} = \exp \left( \log x \cdot \exp \left( \frac{1}{x} \log x \right) \right);当 xx 趋于 +∞+\infty 时,log⁡x≪x\log x \ll x,从而 log⁡x⋅exp⁡(1xlog⁡x)\log x \cdot \exp \left( \frac{1}{x} \log x \right) 相对于标度 xα(log⁡x)βx^\alpha (\log x)^\beta 的渐近展开:

log⁡x⋅exp⁡(1xlog⁡x)=log⁡x+(log⁡x)2x+12(log⁡x)3x2+o((log⁡x)3x2). \log x \cdot \exp \left( \frac{1}{x} \log x \right) = \log x + \frac{(\log x)^2}{x} + \frac{1}{2} \frac{(\log x)^3}{x^2} + o \left( \frac{(\log x)^3}{x^2} \right).

这个展开的所有项,从第二个开始,趋于0;由此展开和从u=0u = 0的邻域上的泰勒展开eu=1+u+u2/2+o(u2)e^u = 1 + u + u^2/2 + o(u^2)一推论

x1/1=1+(log⁡x)2+12(log⁡x)4x+12(log⁡x)3x+o((log⁡x)3x). x^{1/1} = 1 + (\log x)^2 + \frac{1}{2} \frac{(\log x)^4}{x} + \frac{1}{2} \frac{(\log x)^3}{x} + o \left( \frac{(\log x)^3}{x} \right).

5. 具有可变系数的渐近展开

我们可以通过以下方式概括本金部分和渐近展开的概念。令 E\mathscr{E} 为由实数(或复数)函数形成的比较尺度,使得对于它们中的每一个,F\mathfrak{F} 中存在集合,其中函数 不会在任何点 处消失。进一步,设CC为H(F,V)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, V)满足中函数的集合,以下三个条件:

(CO₁) 每函数 a∈Ca \in C 就有 a≼1a \preccurlyeq 1。 (CO2) 关系 a≪1a \ll 1 对于函数 a∈Ca \in C 意味着 a=0a = 0。 (CO₃) CC 是向量空间超过 R\mathbf{R}(分别为 C\mathbf{C})。

现在让ff为H(F,V)\mathscr{H}(\mathfrak{F}, V)中的任意函数;如果存在函数g∈Eg \in \mathscr{E}和非零的函数a∈Ca \in C,使得f−ag≪gf - ag \ll g相对于比较标度E\mathscr{E}和系数域,我们会说agag是ff的主部分 CC。如果存在这样一个主体部分,那么它是唯一的:假设有两个主体部分、a1g1a_1 g_1和a2g2a_2 g_2;一个不能有g1≪g2g_1 \ll g_2,因为从(CO₁)可以推断出a1g1≪g2a_1 g_1 \ll g_2和f−a1g1≪g1≪g2f - a_1 g_1 \ll g_1 \ll g_2,所以f≪g2f \ll g_2;但也有 a2g2≪g2a_2 g_2 \ll g_2,因而 a2≪1a_2 \ll 1 与假设 a2≠0a_2 \neq 0 和 (CO2) 相矛盾。所以必须有g1=g2g_1 = g_2;从关系 f−a1g1≪g1,f−a2g1≪g1f - a_1 g_1 \ll g_1, f - a_2 g_1 \ll g_1 可以通过 (CO2) 和 (CO₃) 推导出 (a2−a1)g1≪g1(a_2 - a_1)g_1 \ll g_1 从而 a2−a1≪1a_2 - a_1 \ll 1,从而推导出 a2=a1a_2 = a_1。

例 08F3

对于趋于 +∞+\infty 的 xx 实数,R\mathbf{R} 上的周期有界函数,具有相同的周期 τ\tau、满足条件 (CO₁)、(CO2) 和 (CO₃):如果 lim⁡x→+∞a(x)=0\lim_{x \to +\infty} a(x) = 0,则对于每个ε>0\varepsilon > 0 存在一个x0x_0,使得每个x≥x0x \geq x_0有∣a(x)∣≤ε|a(x)| \leq \varepsilon;对于0≤x≤τ0 \leq x \leq \tau,也可以推出∣a(x)∣≤ε|a(x)| \leq \varepsilon,因为存在整数nn,使得x+nτ≥x0x + n\tau \geq x_0,并且使得a(x)=a(x+nτ)a(x) = a(x + n\tau);因为ε\varepsilon是任意的,所以在[0,τ][0, \tau]上有a(x)=0a(x) = 0,因此无处不在。

对于V、p. 222的记号,我们会说∑λ≤αaλgλ\sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda,其中aλa_\lambda、属于到CC以及除了有限的数之外的所有其他都是零,是一个渐近展开 ff,系数在 CC,精度为 gαg_\alpha,如果 f−∑λ≤αaλgλ≪gαf - \sum_{\lambda \leq \alpha} a_\lambda g_\lambda \ll g_\alpha;对于每个指标μ\mu,使得aμ≠0a_\mu \neq 0,则aμgμa_\mu g_\mu是f−∑λ<μaλgλf - \sum_{\lambda < \mu} a_\lambda g_\lambda的主部分,相对于E\mathscr{E}和C′C',这证明了唯一性的渐近展开 ff(精确到gαg_\alpha)(当它存在时)。

n 3 (V, p. 223) 中给出的方法,用于形成f1+f2f_1 + f_2或[f1.f2][f_1 . f_2]的渐近展开,从f1f_1和f2f_2的给定渐近展开开始,可以再次应用于展开对于可变系数,只要将[aλ.bμ][a_\lambda . b_\mu]属于到系数域CC相应的到范数空间VV或承认系数在CC中的渐近展开。

引用了 1

引用了 § 2. 。渐近展开

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