]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/polynomial/diag_rational.lyx
Add subdir-objects to Automake options.
[cln.git] / doc / polynomial / diag_rational.lyx
1 #This file was created by <bruno> Sun Feb 16 14:19:06 1997
2 #LyX 0.10 (C) 1995 1996 Matthias Ettrich and the LyX Team
3 \lyxformat 2.10
4 \textclass article
5 \begin_preamble
6 \catcode`@=11 % @ ist ab jetzt ein gewoehnlicher Buchstabe
7 \def\Res{\mathop{\operator@font Res}}
8 \def\ll{\langle\!\langle}
9 \def\gg{\rangle\!\rangle}
10 \catcode`@=12 % @ ist ab jetzt wieder ein Sonderzeichen
11
12 \end_preamble
13 \language default
14 \inputencoding latin1
15 \fontscheme default
16 \epsfig dvips
17 \papersize a4paper 
18 \paperfontsize 12 
19 \baselinestretch 1.00 
20 \secnumdepth 3 
21 \tocdepth 3 
22 \paragraph_separation indent 
23 \quotes_language english 
24 \quotes_times 2 
25 \paperorientation portrait 
26 \papercolumns 0 
27 \papersides 1 
28 \paperpagestyle plain 
29
30 \layout LaTeX Title
31
32 The diagonal of a rational function
33 \layout Description
34
35 Theorem:
36 \layout Standard
37
38 Let 
39 \begin_inset Formula  \( M \)
40 \end_inset 
41
42  be a torsion-free 
43 \begin_inset Formula  \( R \)
44 \end_inset 
45
46 -module, and 
47 \begin_inset Formula  \( d>0 \)
48 \end_inset 
49
50 .
51  Let 
52 \begin_inset Formula 
53 \[
54 f=\sum _{n_{1},...,n_{d}}a_{n_{1},...,n_{d}}\, x_{1}^{n_{1}}\cdots x_{d}^{n_{d}}\in M[[x_{1},\ldots x_{d}]]\]
55
56 \end_inset 
57
58 be a rational function, i.
59 e.
60  there are 
61 \begin_inset Formula  \( P\in M[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
62 \end_inset 
63
64  and 
65 \begin_inset Formula  \( Q\in R[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
66 \end_inset 
67
68  with 
69 \begin_inset Formula  \( Q(0,\ldots ,0)=1 \)
70 \end_inset 
71
72  and 
73 \begin_inset Formula  \( Q\cdot f=P \)
74 \end_inset 
75
76 .
77  Then the full diagonal of 
78 \begin_inset Formula  \( f \)
79 \end_inset 
80
81
82 \begin_inset Formula 
83 \[
84 g=\sum ^{\infty }_{n=0}a_{n,\ldots ,n}\, x_{1}^{n}\]
85
86 \end_inset 
87
88 is a D-finite element of 
89 \begin_inset Formula  \( M[[x_{1}]] \)
90 \end_inset 
91
92 , w.
93 r.
94 t.
95  
96 \begin_inset Formula  \( R[x_{1}] \)
97 \end_inset 
98
99  and 
100 \begin_inset Formula  \( \{\partial _{x_{1}}\} \)
101 \end_inset 
102
103 .
104
105 \layout Description
106
107 Proof:
108 \layout Standard
109
110 From the hypotheses, 
111 \begin_inset Formula  \( M[[x_{1},\ldots ,x_{d}]] \)
112 \end_inset 
113
114  is a torsion-free differential module over 
115 \begin_inset Formula  \( R[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
116 \end_inset 
117
118  w.
119 r.
120 t.
121  the derivatives 
122 \begin_inset Formula  \( \{\partial _{x_{1}},\ldots ,\partial _{x_{d}}\} \)
123 \end_inset 
124
125 , and 
126 \begin_inset Formula  \( f \)
127 \end_inset 
128
129  is a D-finite element of 
130 \begin_inset Formula  \( M[[x_{1},\ldots ,x_{d}]] \)
131 \end_inset 
132
133  over 
134 \begin_inset Formula  \( R[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
135 \end_inset 
136
137  w.
138 r.
139 t.
140  
141 \begin_inset Formula  \( \{\partial _{x_{1}},\ldots ,\partial _{x_{d}}\} \)
142 \end_inset 
143
144 .
145  Now apply the general diagonal theorem ([1], section 2.
146 18) 
147 \begin_inset Formula  \( d-1 \)
148 \end_inset 
149
150  times.
151
152 \layout Description
153
154 Theorem:
155 \layout Standard
156
157 Let 
158 \begin_inset Formula  \( R \)
159 \end_inset 
160
161  be an integral domain of characteristic 0 and 
162 \begin_inset Formula  \( M \)
163 \end_inset 
164
165  simultaneously a torsion-free 
166 \begin_inset Formula  \( R \)
167 \end_inset 
168
169 -module and a commutative 
170 \begin_inset Formula  \( R \)
171 \end_inset 
172
173 -algebra without zero divisors.
174  Let 
175 \begin_inset Formula 
176 \[
177 f=\sum _{m,n\geq 0}a_{m,n}x^{m}y^{n}\in M[[x,y]]\]
178
179 \end_inset 
180
181  be a rational function.
182  Then the diagonal of 
183 \begin_inset Formula  \( f \)
184 \end_inset 
185
186
187 \begin_inset Formula 
188 \[
189 g=\sum ^{\infty }_{n=0}a_{n,n}\, x^{n}\]
190
191 \end_inset 
192
193  is algebraic over 
194 \begin_inset Formula  \( R[x] \)
195 \end_inset 
196
197 .
198
199 \layout Description
200
201 Motivation
202 \protected_separator 
203 of
204 \protected_separator 
205 proof:
206 \layout Standard
207
208 The usual proof ([2]) uses complex analysis and works only for 
209 \begin_inset Formula  \( R=M=C \)
210 \end_inset 
211
212 .
213  The idea is to compute
214 \begin_inset Formula 
215 \[
216 g(x^{2})=\frac{1}{2\pi i}\oint _{|z|=1}f(xz,\frac{x}{z})\frac{dz}{z}\]
217
218 \end_inset 
219
220 This integral, whose integrand is a rational function in 
221 \begin_inset Formula  \( x \)
222 \end_inset 
223
224  and 
225 \begin_inset Formula  \( z \)
226 \end_inset 
227
228 , is calculated using the residue theorem.
229  Since 
230 \begin_inset Formula  \( f(x,y) \)
231 \end_inset 
232
233  is continuous at 
234 \begin_inset Formula  \( (0,0) \)
235 \end_inset 
236
237 , there is a 
238 \begin_inset Formula  \( \delta >0 \)
239 \end_inset 
240
241  such that 
242 \begin_inset Formula  \( f(x,y)\neq \infty  \)
243 \end_inset 
244
245  for 
246 \begin_inset Formula  \( |x|<\delta  \)
247 \end_inset 
248
249
250 \begin_inset Formula  \( |y|<\delta  \)
251 \end_inset 
252
253 .
254  It follows that for all 
255 \begin_inset Formula  \( \varepsilon >0 \)
256 \end_inset 
257
258  and 
259 \begin_inset Formula  \( |x|<\delta \varepsilon  \)
260 \end_inset 
261
262  all the poles of 
263 \begin_inset Formula  \( f(xz,\frac{x}{z}) \)
264 \end_inset 
265
266  are contained in 
267 \begin_inset Formula  \( \{z:|z|<\varepsilon \}\cup \{z:|z|>\frac{1}{\varepsilon }\} \)
268 \end_inset 
269
270 .
271  Thus the poles of 
272 \begin_inset Formula  \( f(xz,\frac{x}{z}) \)
273 \end_inset 
274
275 , all algebraic functions of 
276 \begin_inset Formula  \( x \)
277 \end_inset 
278
279  -- let's call them 
280 \begin_inset Formula  \( \zeta _{1}(x),\ldots \zeta _{s}(x) \)
281 \end_inset 
282
283  --, can be divided up into those for which 
284 \begin_inset Formula  \( |\zeta _{i}(x)|=O(|x|) \)
285 \end_inset 
286
287  as 
288 \begin_inset Formula  \( x\rightarrow 0 \)
289 \end_inset 
290
291  and those for which 
292 \begin_inset Formula  \( \frac{1}{|\zeta _{i}(x)|}=O(|x|) \)
293 \end_inset 
294
295  as 
296 \begin_inset Formula  \( x\rightarrow 0 \)
297 \end_inset 
298
299 .
300  It follows from the residue theorem that for 
301 \begin_inset Formula  \( |x|<\delta  \)
302 \end_inset 
303
304
305 \begin_inset Formula 
306 \[
307 g(x^{2})=\sum _{\zeta =0\vee \zeta =O(|x|)}\Res _{z=\zeta }\, f(xz,\frac{x}{z})\]
308
309 \end_inset 
310
311  This is algebraic over 
312 \begin_inset Formula  \( C(x) \)
313 \end_inset 
314
315 .
316  Hence 
317 \begin_inset Formula  \( g(x) \)
318 \end_inset 
319
320  is algebraic over 
321 \begin_inset Formula  \( C(x^{1/2}) \)
322 \end_inset 
323
324 , hence also algebraic over 
325 \begin_inset Formula  \( C(x) \)
326 \end_inset 
327
328 .
329
330 \layout Description
331
332 Proof:
333 \layout Standard
334
335 Let 
336 \begin_inset Formula 
337 \[
338 h(x,z):=f(xz,\frac{x}{z})=\sum ^{\infty }_{m,n=0}a_{m,n}x^{m+n}z^{m-n}\in M[[xz,xz^{-1}]]\]
339
340 \end_inset 
341
342 Then 
343 \begin_inset Formula  \( g(x^{2}) \)
344 \end_inset 
345
346  is the coefficient of 
347 \begin_inset Formula  \( z^{0} \)
348 \end_inset 
349
350  in 
351 \begin_inset Formula  \( h(x,z) \)
352 \end_inset 
353
354 .
355  Let 
356 \begin_inset Formula  \( N(x,z):=z^{d}Q(xz,\frac{x}{z}) \)
357 \end_inset 
358
359  (with 
360 \begin_inset Formula  \( d:=\max (\deg _{y}P,\deg _{y}Q) \)
361 \end_inset 
362
363 ) be 
364 \begin_inset Quotes eld
365 \end_inset 
366
367 the denominator
368 \begin_inset Quotes erd
369 \end_inset 
370
371  of 
372 \begin_inset Formula  \( h(x,z) \)
373 \end_inset 
374
375 .
376  We have 
377 \begin_inset Formula  \( N(x,z)\in R[x,z] \)
378 \end_inset 
379
380  and 
381 \begin_inset Formula  \( N\neq 0 \)
382 \end_inset 
383
384  (because 
385 \begin_inset Formula  \( N(0,z)=z^{d} \)
386 \end_inset 
387
388 ).
389  Let 
390 \begin_inset Formula  \( K \)
391 \end_inset 
392
393  be the quotient field of 
394 \begin_inset Formula  \( R \)
395 \end_inset 
396
397 .
398  Thus 
399 \begin_inset Formula  \( N(x,z)\in K[x][z]\setminus \{0\} \)
400 \end_inset 
401
402 .
403
404 \layout Standard
405
406 It is well-known (see [3], p.
407 64, or [4], chap.
408  IV, Â§2, prop.
409  8, or [5], chap.
410  III, Â§1) that the splitting field of 
411 \begin_inset Formula  \( N(x,z) \)
412 \end_inset 
413
414  over 
415 \begin_inset Formula  \( K(x) \)
416 \end_inset 
417
418  can be embedded into a field 
419 \begin_inset Formula  \( L((x^{1/r})) \)
420 \end_inset 
421
422 , where 
423 \begin_inset Formula  \( r \)
424 \end_inset 
425
426  is a positive integer and 
427 \begin_inset Formula  \( L \)
428 \end_inset 
429
430  is a finite-algebraic extension field of 
431 \begin_inset Formula  \( K \)
432 \end_inset 
433
434 , i.
435 e.
436  a simple algebraic extension 
437 \begin_inset Formula  \( L=K(\alpha )=K\alpha ^{0}+\cdots +K\alpha ^{u-1} \)
438 \end_inset 
439
440 .
441  
442 \layout Standard
443
444
445 \begin_inset Formula  \( \widetilde{M}:=(R\setminus \{0\})^{-1}\cdot M \)
446 \end_inset 
447
448  is a 
449 \begin_inset Formula  \( K \)
450 \end_inset 
451
452 -vector space and a commutative 
453 \begin_inset Formula  \( K \)
454 \end_inset 
455
456 -algebra without zero divisors.
457  
458 \begin_inset Formula  \( \widehat{M}:=\widetilde{M}\alpha ^{0}+\cdots +\widetilde{M}\alpha ^{u-1} \)
459 \end_inset 
460
461  is an 
462 \begin_inset Formula  \( L \)
463 \end_inset 
464
465 -vector space and a commutative 
466 \begin_inset Formula  \( L \)
467 \end_inset 
468
469 -algebra without zero divisors.
470  
471 \layout Standard
472
473
474 \begin_inset Formula 
475 \begin{eqnarray*}
476 \widehat{M}\ll x,z\gg  & := & \widehat{M}[[x^{1/r}\cdot z,x^{1/r}\cdot z^{-1},x^{1/r}]][x^{-1/r}]\\
477  & = & \left\{ \sum _{m,n}c_{m,n}x^{m/r}z^{n}:c_{m,n}\neq 0\Rightarrow |n|\leq m+O(1)\right\} 
478 \end{eqnarray*}
479
480 \end_inset 
481
482 is an 
483 \begin_inset Formula  \( L \)
484 \end_inset 
485
486 -algebra which contains 
487 \begin_inset Formula  \( \widehat{M}((x^{1/r})) \)
488 \end_inset 
489
490 .
491
492 \layout Standard
493
494 Since 
495 \begin_inset Formula  \( N(x,z) \)
496 \end_inset 
497
498  splits into linear factors in 
499 \begin_inset Formula  \( L((x^{1/r}))[z] \)
500 \end_inset 
501
502
503 \begin_inset Formula  \( N(x,z)=l\prod ^{s}_{i=1}(z-\zeta _{i}(x))^{k_{i}} \)
504 \end_inset 
505
506 , there exists a partial fraction decomposition of 
507 \begin_inset Formula  \( h(x,z)=\frac{P(xz,\frac{x}{z})}{Q(xz,\frac{x}{z})}=\frac{z^{d}P(xz,\frac{x}{z})}{N(x,z)} \)
508 \end_inset 
509
510  in 
511 \begin_inset Formula  \( \widehat{M}\ll x,z\gg  \)
512 \end_inset 
513
514 :
515 \layout Standard
516
517
518 \begin_inset Formula 
519 \[
520 h(x,z)=\sum ^{l}_{j=0}P_{j}(x)z^{j}+\sum ^{s}_{i=1}\sum ^{k_{i}}_{k=1}\frac{P_{i,k}(x)}{(z-\zeta _{i}(x))^{k}}\]
521
522 \end_inset 
523
524 with 
525 \begin_inset Formula  \( P_{j}(x),P_{i,k}(x)\in \widehat{M}((x^{1/r})) \)
526 \end_inset 
527
528 .
529
530 \layout Standard
531
532 Recall that we are looking for the coefficient of 
533 \begin_inset Formula  \( z^{0} \)
534 \end_inset 
535
536  in 
537 \begin_inset Formula  \( h(x,z) \)
538 \end_inset 
539
540 .
541  We compute it separately for each summand.
542
543 \layout Standard
544
545 If 
546 \begin_inset Formula  \( \zeta _{i}(x)=ax^{m/r}+... \)
547 \end_inset 
548
549  with 
550 \begin_inset Formula  \( a\in L\setminus \{0\} \)
551 \end_inset 
552
553
554 \begin_inset Formula  \( m>0 \)
555 \end_inset 
556
557 , or 
558 \begin_inset Formula  \( \zeta _{i}(x)=0 \)
559 \end_inset 
560
561 , we have
562 \layout Standard
563
564
565 \begin_inset Formula 
566 \begin{eqnarray*}
567 \frac{1}{(z-\zeta _{i}(x))^{k}} & = & \frac{1}{z^{k}}\cdot \frac{1}{\left( 1-\frac{\zeta _{i}(x)}{z}\right) ^{k}}\\
568  & = & \frac{1}{z^{k}}\cdot \sum ^{\infty }_{j=0}{k-1+j\choose k-1}\left( \frac{\zeta _{i}(x)}{z}\right) ^{j}\\
569  & = & \sum ^{\infty }_{j=0}{k-1+j\choose k-1}\frac{\zeta _{i}(x)^{j}}{z^{k+j}}
570 \end{eqnarray*}
571
572 \end_inset 
573
574 hence the coefficient of 
575 \begin_inset Formula  \( z^{0} \)
576 \end_inset 
577
578  in 
579 \begin_inset Formula  \( \frac{P_{i,k}(x)}{(z-\zeta _{i}(x))^{k}} \)
580 \end_inset 
581
582  is 
583 \begin_inset Formula  \( 0 \)
584 \end_inset 
585
586 .
587
588 \layout Standard
589 \cursor 59 
590 If 
591 \begin_inset Formula  \( \zeta _{i}(x)=ax^{m/r}+... \)
592 \end_inset 
593
594  with 
595 \begin_inset Formula  \( a\in L\setminus \{0\} \)
596 \end_inset 
597
598
599 \begin_inset Formula  \( m<0 \)
600 \end_inset 
601
602 , we have
603 \begin_inset Formula 
604 \[
605 \frac{1}{(z-\zeta _{i}(x))^{k}}=\frac{1}{(-\zeta _{i}(x))^{k}}\cdot \frac{1}{\left( 1-\frac{z}{\zeta _{i}(x)}\right) ^{k}}=\frac{1}{(-\zeta _{i}(x))^{k}}\cdot \sum _{j=0}^{\infty }{k-1+j\choose k-1}\left( \frac{z}{\zeta _{i}(x)}\right) ^{j}\]
606
607 \end_inset 
608
609 hence the coefficient of 
610 \begin_inset Formula  \( z^{0} \)
611 \end_inset 
612
613  in 
614 \begin_inset Formula  \( \frac{P_{i,k}(x)}{(z-\zeta _{i}(x))^{k}} \)
615 \end_inset 
616
617  is 
618 \begin_inset Formula  \( \frac{P_{i,k}(x)}{(-\zeta _{i}(x))^{k}} \)
619 \end_inset 
620
621 .
622
623 \layout Standard
624
625 The case 
626 \begin_inset Formula  \( \zeta _{i}(x)=ax^{m/r}+... \)
627 \end_inset 
628
629  with 
630 \begin_inset Formula  \( a\in L\setminus \{0\} \)
631 \end_inset 
632
633
634 \begin_inset Formula  \( m=0 \)
635 \end_inset 
636
637 , cannot occur, because it would imply 
638 \begin_inset Formula  \( 0=N(0,\zeta _{i}(0))=N(0,a)=a^{d}. \)
639 \end_inset 
640
641
642 \layout Standard
643
644 Altogether we have
645 \begin_inset Formula 
646 \[
647 g(x^{2})=[z^{0}]h(x,z)=P_{0}(x)+\sum _{\frac{1}{\zeta _{i}(x)}=o(x)}\sum ^{k_{i}}_{k=1}\frac{P_{i,k}(x)}{(-\zeta _{i}(x))^{k}}\in \widehat{M}((x^{1/r}))\]
648
649 \end_inset 
650
651
652 \layout Standard
653
654 Since all 
655 \begin_inset Formula  \( \zeta _{i}(x) \)
656 \end_inset 
657
658 (in 
659 \begin_inset Formula  \( L((x^{1/r})) \)
660 \end_inset 
661
662 ) and all 
663 \begin_inset Formula  \( P_{j}(x),P_{i,k}(x) \)
664 \end_inset 
665
666  (in 
667 \begin_inset Formula  \( \widehat{M}((x^{1/r})) \)
668 \end_inset 
669
670 ) are algebraic over 
671 \begin_inset Formula  \( K(x) \)
672 \end_inset 
673
674 , the same holds also for 
675 \begin_inset Formula  \( g(x^{2}) \)
676 \end_inset 
677
678 .
679  Hence 
680 \begin_inset Formula  \( g(x) \)
681 \end_inset 
682
683  is algebraic over 
684 \begin_inset Formula  \( K(x^{1/2}) \)
685 \end_inset 
686
687 , hence also over 
688 \begin_inset Formula  \( K(x) \)
689 \end_inset 
690
691 .
692  After clearing denominators, we finally conclude that 
693 \begin_inset Formula  \( g(x) \)
694 \end_inset 
695
696  is algebraic over 
697 \begin_inset Formula  \( R[x] \)
698 \end_inset 
699
700 .
701
702 \layout Bibliography
703
704 [1] Bruno Haible: D-finite power series in several variables.
705  
706 \shape italic 
707 Diploma thesis, University of Karlsruhe, June 1989.
708
709 \shape default 
710  Sections 2.
711 18 and 2.
712 20.
713
714 \layout Bibliography
715
716 [2] M.
717  L.
718  J.
719  Hautus, D.
720  A.
721  Klarner: The diagonal of a double power series.
722  
723 \shape italic 
724 Duke Math.
725  J.
726
727 \shape default 
728  
729 \series bold 
730 38
731 \series default 
732  (1971), 229-235.
733
734 \layout Bibliography
735
736 [3] C.
737  Chevalley: Introduction to the theory of algebraic functions of one variable.
738  
739 \shape italic 
740 Mathematical Surveys VI.
741  American Mathematical Society.
742
743 \layout Bibliography
744
745 [4] Jean-Pierre Serre: Corps locaux.
746  
747 \shape italic 
748 Hermann.
749  Paris 
750 \shape default 
751 1968.
752
753 \layout Bibliography
754
755 [5] Martin Eichler: Introduction to the theory of algebraic numbers and
756  functions.
757
758 \shape italic 
759  Academic Press.
760  New York, London 
761 \shape default 
762 1966.
763