Hadamard三圆定理

Hadamard三圆定理刻画了复平面上全纯函数在每个圆周上的极大模的对数凸性. 我们称述如下:

Theorem 1. 假设$f$是环状区域$\CA\eqdef\set{z\in\CC|0<r_1\leq|z|\leq r_2}$上的全纯函数, 令$M_r\eqdef\max\set{|f(z)|:|z|=r}$, 则$\log M_r$是$\log r$的凸函数. 即, 对$0<r_1\leq r\leq r_2$,
\[
\log M_r\leq(1-s)\log M_{r_1}+s\log M_{r_2},
\]
其中$s=\frac{\log r_1-\log r}{\log r_2-\log r_1}$. 且等号成立, 当且仅当$f(z)=c z^\lambda$, 其中$c$, $\lambda$是常数.


Proof . 首先, 若$f(z)$全纯, 则$\log|f(z)|$满足次平均值不等式. 为此, 我们首先说明$g_\eps(z)\eqdef\frac{1}{2}\log(|f(z)|^2+\eps)$, 当$\eps>0$时是次调和函数.

事实上, 因为$g_\eps$光滑, 只需说明$\Delta g_\eps\geq0$.
\begin{align*}
\frac{1}{4}\Delta g_\eps&=\ppt{z}\ppt{\bar z}g_\eps\\
&=\ppt{z}\dkf{\frac{1}{2}\frac{f\overline{\pt f}}{|f|^2+\eps}}\\
&=\frac{1}{2}\frac{\eps|\pt f|^2}{\xkf{|f|^2+\eps}^2}\geq0.
\end{align*}
特别地, 若$f(z)=z$, 则在$z\neq0$的地方, 对任意的$\alpha\in\RR$, 有$\alpha\log|z|=\frac{\alpha}{2}\log|z|^2$是调和函数. 因此
\[
h_\eps(z)\eqdef \alpha\log|z|+g_\eps(z)=\alpha\log|z|+\frac{1}{2}\log(|f(z)|^2+\eps),
\]
在$\CA$上是次调和函数, 由次调和函数的(弱)极大值原理知
\[
\alpha\log|z|+g_\eps(z)\leq\max\bigg\{\alpha\log r_1+\max_{|z|=r_1}g_\eps(z),\alpha\log r_2+\max_{|z|=r_2}g_\eps(z)\bigg\},\quad\forall z\in\CA.
\]
由于$g_\eps$关于$\eps$是连续的, 因此, 令$\eps\to0$, 得到
\[
\alpha\log|z|+\log|f(z)|\leq\max\bigg\{\alpha\log r_1+\log M_{r_1},\alpha\log r_2+\log M_{r_2}\bigg\},\quad\forall z\in\CA.
\]
特别地, 取$\alpha$使得RHS相等, 即
\[
\alpha=\frac{\log M_{r_2}-\log M_{r_1}}{\log r_1-\log r_2}.
\]
则上式变为
\[
\log M_r\leq\alpha\log (r_1/r)+\log M_{r_1},
\]
代入$\alpha$即得要证的不等式.


References
  1. S. Lang, Complex analysis, Fourth, Graduate Texts in Mathematics, Springer-Verlag, New York, vol. 103, 1999. xiv+485. MR1659317

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