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  数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (6): 1089-1105   PDF (379 KB)    
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杨拍
拟正规定则和Picard型定理
杨拍     
成都信息工程大学应用数学学院 成都 610225
摘要: 得到了亚纯函数族的一个拟正规定则,并给出了它在值分布理论中的一个应用.
关键词: 亚纯函数     拟正规定则     Picard型定理    
Quasinormal Criterion and Picard Type Theorem
Yang Pai     
College of Applied Mathematics, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
Abstract: In this paper, we obtain a quasinormal criterion of meromorphic functions and give an example of application in the value distribution theory.
Key words: Meromorphic function     Quasinormal criterion     Picard type theorem    
1 引言

首先,Hayman 有下述结果.

定理 A[1]k 为正整数,α 为有穷非零复数,f 为超越亚纯函数. 如果对任意的 zC,恒有 f(z)0,那么 f(k)α 在复平面 C 内有无穷多个零点.

近年来,一些的研究表明,如果定理 A 中 f 能取到 0 但零点重级足够高, 那么结论仍然是正确的 (参见文献 [2-3]).

一个自然的问题是: 定理 A 中的有穷非零复数能否被替换为 f(z) 的一个小函数?

2000年,Fang 研究了 f 的不动点并得到下述结果.

定理 B[4]f 为超越亚纯函数. 如果 f 的零点和重点都是重级的,那么 fz 在复平面 C 内有无穷多个零点.

2005年,Xu 借助于 Bergweiler 和 Pang 的方法 (参见文献[5]) 证明了下述结果.

定理 C[6]k 为正整数,α(0) 为有理函数,f 为超越亚纯函数. 如果 f 的零点重级至少为 k+1 (至多有限个零点例外),f 的极点重级至少为 2 (至多有限个极点例外), 那么 f(k)α 在复平面 C 内有无穷多个零点.

2008年,Pang 等推广了定理 A 和定理 C (k=1),得到了下述结果.

定理 D[7]α(0) 为有理函数,f 为超越亚纯函数. 如果 f 的零点都是重级的 (至多有限个零点例外), 那么 fα 在复平面 C 内有无穷多个零点.

2013年,Yang 和 Nevo 证明了

定理 E[8]f 为超越亚纯函数,h 为非常数的椭圆函数,并且满足当 rT(r,h)=o{T(r,f)}. 如果 f 的零点都是重级的 (至多有限个零点例外), 那么 f=h 在复平面 C 内有无穷多个根.

其他相关的研究参见文献[9,10,11,12,13]. 本文研究的核心问题是: 定理 D 中, f 的零点都是重级这一条件能否减弱? 本文在一定条件下回答了上述问题.

定理 1.1k 为正整数,P(0) 为多项式,f 为无穷级亚纯函数. 如果 f 的零点重级至少为 k (至多有限个零点例外), 且存在常数 M>0 使得当 f(z)=0|f(k)(z)|M, 那么 f(k)P 在复平面 C 内有无穷多个零点.

借助于 Nevo,Pang 和 Zalcman 的方法 (参见文献 [14]), 本文证明了下述拟正规定则,此拟正规定则在证明定理 1.1 时起着至关重要的作用.

定理 1.2{ψn}D 内的亚纯函数族,且在 D 内 %ψnχψ, ψnχψ, 其中 ψ(0)D 内亚纯. 设 {fn}D 内的亚纯函数族,且对任意的 nN 和任意的 zD,恒有 f(k)n(z)ψn(z). 如果对任意的 nN,fn 的零点重数至少为 k, 且存在常数 M>0 使得当 fn(z)=0|f(k)n(z)|M, 那么 {fn}D 内拟正规.

FD 内的亚纯函数族, 如果对于 F 的任一序列 {fn},都存在 {fn} 的子序列 {fnk},以及 D 中的点集 E (在 D 内无聚点), 使得 {fnk}DE 内按球距内闭一致收敛, 则称 FD 内拟正规 (参见文献 [15]), 其中集合 E 和子列 {fnk} 有关. 如果上述定义中的 E 总能满足 |E|v (v 是一个非负整数), 则称 FDv 阶拟正规. 因而,FD0 阶拟正规当且仅当 FD 内正规. 设 z0D, 如果 Fz0 的某一个邻域内拟正规,则称 F 在点 z0 拟正规. 因而,FD 内拟正规当且仅当 FD 内的每一个点都拟正规. 另一方面,如果 D 内的亚纯函数族 F 不是 v 阶拟正规的, 那么存在 z1,z2,,zν+1D 以及序列 {fn}F, 使得 {fn} 的任意子列在 z1,z2,,zν+1 中的每一个点都不正规.

2 符号、概念和基本引理

N 表示正整数集,C 表示复平面,D 表示 C 内的区域. 设 z0Cr>0,Δ(z0,r):={z||zz0|<r},Δ:=Δ(0,1),Δ(z0,r):={z|0<|zz0|<r},ˉΔ(z0,r):={z||zz0|r}, 以及 Γ(z0,r)={z||zz0|=r}. n(D,f) 表示 f(z)D 内的极点个数(计算重数),n(r,f):=¯n(Δ(0,r),f). 在 Dfnχf 意味着 {fn}D 内按球距内闭一致收敛到 f, 其中 fD 内的亚纯函数或者 f. 在 Dfnf 意味着 {fn}D 内在通常意义下(按欧式距离)内闭一致收敛到 f, 其中 fD 内的亚纯函数.

此外,为了方便表述,本文引入两个特殊的符号. D:={f|fD内亚纯}D,k,M:={f|fD内亚纯; f 的零点重级至少为k; 对任意的zD, 恒有当f(z)=0|f(k)(z)|M, 其中M>0是一个常数}.

fD,记

f#(z):=|f(z)|1+|f(z)|2,和,S(D,f):=1πD[f#(z)]2dxdy. (2.1)

Ahlfors-Shimizu 特征函数定义为 T0(r,f):=r0S(t,f)tdt,其中 S(t,f)=S(¯Δ(0,t),f). 令 T(r,f) 表示 Nevanlinna 特征函数. 因为 T(r,f)T0(r,f) 是自变量 r 的有界函数,因而 T0(r,f)T(r,f) 在某些情形下可以相互替换.

亚纯函数 f 的级定义为 ρ(f):=¯limrlogT(r,f)logr    ρ(f):=¯limrlogT0(r,f)logr.

{fn}D. 如果对 D 内的任意有界闭集 E,恒有当 n 充分大时 {fn}E 上解析, 我们称 {fn}D 内内闭一致解析.

引理 2.1 (参见文献[14,引理 3]) 设 {ψn}D 内的解析函数族,且在 Dψnψ,其中 ψ(0)D 内解析. 设 {fn}D,且对任意的 nNzD,恒有 fn(z)0f(k)n(z)ψn(z), 那么 {fn}D 内正规.

引理 2.2 (参见文献[14,p12]) 设 f(z) 为无穷级亚纯函数, 则存在点列 an 和正数列 δn0 使得当 nf#(an)S(Δ(an,δn),f).

引理 2.3 (参见文献[3,引理 8]) 设 f(z)=anzn+an1zn1++a0+Q(z)P(z), 其中 a0,a1,,an 是常数且 an0, P(z)Q(z) 是两个互质的多项式且满足 degQ(z)<degP(z). 如果 f(k)(z)1,那么 f(z)=zkk!++a0+b(zc)m, 其中 b(0),cCmN.

Bergweiler(k=1) 和 Xu(k>1) 得到了下述结果 (参见文献 [16,引理 5] 和[17,引理5]).

引理 2.4fC,k,M. 如果 f 的级是有穷的,且对任意的 zC 恒有 f(k)(z)1, 那么下面两种情形必有一种成立.

(1) f(z)=α(zβ)k, 其中 α,βCαk!1;

(2) 如果 k=1,那么 f(z)=z+a+b(zc)m, 其中 a,b,cC,b0mN. 如果 k=2,那么 f(z)=(zc1)2(zc2)22(zc)2f(z)=(zc1)32(zc), 其中 c1,c2c 是判别的常数. 如果 k3,那么 f(z)=(zc1)k+1k!(zc),其中 c1c 是判别的常数.

引理 2.5 (参见文献[10,引理4]) 设 fC,k,M. 如果 f 的级是有穷的,对任意的 zC 恒有 f(z)1, 以及 f(±12)=0, 那么存在只与 M 有关的正常数 K 使得 supz¯Δf#(z)K.

引理 2.6 (参见文献[18,引理 2]) 设 FD,k,M:M1. 如果 FD 内一点 z0 不正规,那么对任意的 0αk,都存在

(a) 点列 znD,znz0,

(b) 函数列 fnF,

(c) 正数列 ρn0,

使得在 Cραnfn(zn+ρnζ)=gn(ζ)χg(ζ), 其中 gC 内的非常数的亚纯函数,且 g#(ζ)g#(0)=kM+1. 另外,g 的级至多为 2.

引理 2.7 (参见文献[19,定理 1]) 设 f 为单位圆盘 Δ 内的亚纯函数,a1,a2,a3 为三个判别的常数. 如果 3i=1(f(z)ai)Δ 内的零点个数 n, 其中每个零点仅计算一次, 那么 S(r,f)n+A1r,0r<1, 其中 A>0 是只与 a1,a2,a3 有关的常数.

3 辅助引理

引理 3.1 (球面导数的性质)

(i) 如果 fC,α(0)C, 那么 (αf)#(z)f#(z)max{|α|,1/|α|}.

(ii) 如果 R(z)=α(zβ)k,其中 α,βC, 那么 R#(z)kmax{1,|α|}.

显然,

(αf)#(z)=|α||f|1+|α|2|f|2{|α||f|1+|f|2=|α|f#(z), |α|1.|α||f||α|2+|α|2|f|2=f#(z)|α|,   |α|<1.

于是 (i) 成立. 当 |α|1 时,

[R#(z)=|αk(zβ)k1|1+|α(zβ)k|2{=k2|zβ|2|α(zβ)k|1+|α(zβ)k|2k2|zβ|<k,|zβ|1.|αk(zβ)k1|k,|zβ|<1.

|α|>1 时,由 (i) 知 R#(z)k|α|,于是 (ii) 成立.

引理 3.2fC,k,MA[1/2,2]. 如果 f 的级是有穷的,对任意的 zC 恒有 f(k)(z)A, 以及 f(±12)=0, 那么存在只与 M 有关的正常数 K 使得 supz¯Δf#(z)K.

首先考虑 k=1 的情形. 根据引理 2.5, 存在只与 M 有关的正常数 K1 使得 supz¯Δ(fA)#K1. 现在考虑 k>1 情形. 结合引理 2.4 可知, k=2f(z)A=(z12)2(z+12)22(zc)2=z22+a1z+a0+b1z+b0(zc)2, 其中 c(±12),a1,a0,b0(0) 是常数,b1=2c(c214). 由引理 2.3 知,b1=0,因而 c=0, f(z)A=(z214)22z2. 记 K2:=supz¯Δ(fA)#=supz¯Δ((z214)22z2)#. 根据引理 3.1, supz¯Δf#(z)K=2max{K1,K2}.

引理 3.3{fn}Δ(z0,r),并且满足

(a) 在 Δ(z0,r)fnχf, 其中 f(0) 可能恒为 ;

(b) 存在 M0>0 使得当 n 充分大时 n(Δ(z0,r),1fn)<M0. 则存在 M>0 使得当 n 充分大时 S(Δ(z0,r/4),fn)<M.

不失一般性,不妨假设 r=2z0=0.

我们分两种情形讨论.

情形 1 在 Δ(0,2)f1f2.

显然,在去心圆盘 Δ(0,2)1fn1χ1f11f10,. 因而存在 s(1,2) 使得 1f1 在圆周 Γ(0,s) 上既无零点也无极点. 当 n 充分大时

n(s,1fn1)n(s,1fn)=n(s,11fn1)n(s,1fn1)=12πiΓ(0,s)(1fn1)1fn1dz12πiΓ(0,s)(1f1)1f1dz.

注意到 12πiΓ(0,s)(1fn1)1fn1dz 是整数, 所以当 n 充分大时 12πiΓ(0,s)(1fn1)1fn1dz=12πiΓ(0,s)(1f1)1f1dz.M1:=12πiΓ(0,s)(1f1)1f1dz+M0. 当 n 充分大时

n(1,1fn1)n(s,1fn1)=12πiΓ(0,s)(1f1)1f1dz+n(s,1fn)<M1.

显然,在去心圆盘 Δ(0,2)1fn12χ1f121f120,. 因而存在 t(1,2) 使得 1f12 在圆周 Γ(0,t) 上既无零点也无极点. 当 n 充分大时

n(t,1fn2)n(t,1fn)=n(t,11fn12)n(t,1fn12)=12πiΓ(0,t)(1fn12)1fn12dz12πiΓ(0,t)(1f12)1f12dz.

与前面的证明类似,可知存在 M2>0 使得当 n 充分大时 n(1,1fn2)<M2. 根据引理 2.7,存在只与 0,1,2 有关的正常数 A 使得当 n 充分大时

S(12,fn)n(1,1fn)+n(1,1fn1)+n(1,1fn2)+2A<M3,

其中 M3=M0+M1+M2+2A.

情形 2 在 Δ(0,2)f1f2.

显然,在 Δ(0,2)f3f4. 与 情形 1 中的证明类似, 可知存在正常数 M4 使得当 n 充分大时 S(12,fn)M4.

M:=max{M3,M4},于是当 n 充分大时 S(12,fn)M.

引理 3.4{ψn}D,且在 Dψnψ,其中 ψ(z)(≠̸0)D 内解析. 设 {fn}D,k,M,且对任意的 nN 和任意的 zD,恒有 f(k)n(z)ψn(z). 如果 {fn}D 内一点 z0 不正规, 那么存在点列 znz0,{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}), 及正数列 ρn0 使得在 Cρknfn(zn+ρnζ)χψ(z0)m+ki=1(ζαi)k!(ζβ)m, 其中 mN,αi,βCαiβ (i=1,,m+k).

显然,{fn}D,k,M1,其中 M1=max{ψ(z0),1/ψ(z0)}(M+1). 根据引理 2.6, 存在点列 znz0,{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}),及正数列 ρn0 使得在 C

ρknfn(zn+ρnζ)=gn(ζ)χg(ζ), (3.1)
其中 gC 内的非常数的亚纯函数,并且满足
g#(ζ)g#(0)=kM1+1=kmax{ψ(z0),1/ψ(z0)}(M+1)+1. (3.2)
另外,g 的级至多为 2. 显然,g 的零点重级至少为 k,且当 g(ζ)=0 时恒有|g(k)(ζ)|M. 注意到 g(k)n(ζ)=f(k)n(zn+ρnζ)ψn(zn+ρnζ) 以及在 Cψn(zn+ρnζ)ψ(z0), 由 Hurwitz 定理和 (3.1)式 知,在 Cg(k)(ζ)ψ(z0)g(k)(ζ)ψ(z0).

如果 g(k)(ζ)ψ(z0), 那么结合 g 的零点重级至少为 k 知,g(ζ)=ψ(z0)(ζc)kk!, 再由引理 3.1 知, g#(ζ)kmax{ψ(z0),1/ψ(z0)},但这与 (3.2)式 矛盾. 于是 g(k)(ζ)ψ(z0). 假设 g(ζ)=α(ζβ)k,其中 α,βCαk!ψ(z0). 因为 g(ζ)=0 时恒有 |g(k)(ζ)|M,所以 |g(k)(β)|=|αk!|M 以及 |α|M, 再由引理 3.1 知, g#(ζ)kmax{1,M}k(M+1),但这与 (3.2) 式矛盾. 结合引理 2.4 知,g(ζ) 可写成下述形式, g(ζ)=ψ(z0)m+ki=1(ζαi)k!(ζβ)m, 其中 mN,αi,βCαiβ (i=1,,m+k).

引理 3.5{ψn}D,且在 Dψnψ,其中 ψ(z)(≠̸0)D 内解析. 设 {fn}D,k,M 为解析函数族,且对任意的 nN 和任意的 zD,恒有 f(k)n(z)ψn(z). 则 {fn}D 内正规.

假设 {fn}D 内一点 z0 不正规, 根据引理 3.4, 存在点列 znz0,{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}),及正数列 ρn0 使得在 C

gn(ζ)=ρknfn(zn+ρnζ)χg(ζ)=ψ(z0)m+ki=1(ζαi)k!(ζβ)m, (3.3)
其中 mN,αi,βCαiβ (i=1,,m+k). 因为 {fn}D 内解析函数族,所以 g(ζ) 为整函数, 但这与 (3.3) 式矛盾.

引理 3.6{ψn}D,且在 Dψnψ,其中 ψ(z)(≠̸0)D 内解析. 设 {fn}D,k,M,且对任意的 nN 和任意的 zD,恒有 f(k)n(z)ψn(z). 设 aD 内的一点,并且满足

(a) 存在 δ>0 使得每一个 fn(a,δ) 内至多有一个极点(单级或重级);

(b) {fn} 的任意子列在点 a 都不正规;

(c) {fn}D{a} 内正规.

(i) 在 D{a}fn(z)f(z), 其中 f(z)=zaζ1aζk1aψ(ζk)dζkdζk1dζ1. 换句话说,f 能解析地开拓成 D 内的全纯函数,并且满足 f(k)(z)=ψ(z)f(j)(a)=0,其中 j=0,1,2,,k1.

(ii) 存在 η>0M>0 使得当 n 充分大时 S(Δ(a,η),fn)M.

事实上,我们只需证明从 {fn} 的每一个子列中可以选出一个子函数列使得 (i) 和 (ii) 成立. 任意选定 {fn} 的一个子列,为了表述简洁,仍然记作 {fn}.

不失一般性,不妨假设 ψ(a)=1a=0.

根据引理 3.4, 存在点列 zn0,{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}), 及正数列 ρn0 使得在 C

gn(ζ)=ρknfn(zn+ρnζ)χg(ζ)=m+ki=1(ζαi)k!(ζβ)m, (3.4)
其中 mN,αi,βCαiβ (i=1,,m+k). 由 (3.4) 式和 条件(a) 知, fnm+k 个零点 zn,i=zn+ρnαn,i 和一个 m 级极点 tn=zn+ρnβn, 其中 αn,ign 的零点且满足 αn,iαi, βngn 的极点且满足 βnβ. 记
Rn(z):=m+ki=1(zzn,i)k!(ztn)mzkk!(收敛区域为 C{0}), (3.5)
ˆfn(z):=fn(z)Rn(z)    ˆgn(ζ):=ˆfn(zn+ρnζ). (3.6)
由 (3.4) 式知, ˆgn(ζ)C 内内闭一致解析. 根据最大模原理,在 C
ˆgn(ζ)=ˆfn(zn+ρnζ)=k!(ζβn)mgn(ζ)m+ki=1(ζαn,i)ˆg(ζ)=1. (3.7)

我们断言存在 δ1(0,δ) 使得当 n 充分大时 ˆfnΔ(0,δ1) 内无零点. 否则,选取 {ˆfn} 的一个子列(仍然记作 {ˆfn}), 并假设 ˆzn{ˆfn} 的模最小的一个零点且满足 ˆzn0. 令 ˆzn=zn+ρnˆζn. 由 (3.7) 式知,ˆζn. 记

Ln(z):=Rn(zn+(ˆznzn)z)(ˆznzn)k=m+ki=1(zαn,iˆζn)k!(zβnˆζn)mzkk! (收敛区域为 C{0}), (3.8)
Fn(z):=fn(zn+(ˆznzn)z)(ˆznzn)k    ˆFn(z):=Fn(z)Ln(z)=ˆfn(zn+(ˆznzn)z). (3.9)
不难证明 {Fn(z)}{ˆFn(z)} 具有下述性质

(a1) {Fn(z)}C{0} 内内闭一致解析;

(a2) Fn(z) 的零点重级至少为 k, 且当 Fn(z)=0|F(k)n(z)|M;

(a3) F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z), 其中在 Cψn(zn+(ˆznzn)z)1;

(a4) {ˆFn(z)}C 内内闭一致解析, ˆFn(1)=0,以及在 ΔˆFn(z)0.

根据引理 3.5, {Fn}C{0} 内正规. 由 (3.8) 和 (3.9) 式知, {ˆFn}C{0} 内也正规. 选取 {ˆFn} 的一个子列(仍然记作 {ˆFn}), 使得在 C{0}ˆFnˆF. 由性质 (a4) 知,ˆF(1)=0. 假设在 C{0}ˆF0. 由 (3.8) 和 (3.9) 式知, 在 C{0}Fn(z)0,F(k)n(z)0,以及 F(k+1)n(z)0. 于是

|n(1,F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z))n(1,1F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z))=12π||z|=1F(k+1)n(z)(ˆznzn)ψn(zn+(ˆznzn)z)F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z)dz|0.

因而,当 n 充分大时

n(1,F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z))=n(1,1F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z))=0,

但这是不可能的,因为 βn/ˆζn0F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z) 的极点. 因而,在 C{0}ˆF0. 注意到在 ΔˆFn(z)0,根据最大模原理, 在 CˆFnˆF. 由 (3.7) 式知,ˆFn(0)=ˆfn(zn)=ˆgn(0)1, 所以 ˆF(0)=1. 由 ˆF(0)=1,ˆF(1)=0 和 性质 (a4) 知,ˆF(z) 为非常数的整函数. 由 (3.8) 和 (3.9) 式知, 在 C{0}

0F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z)(zkˆF(z)/k!)(k)1. (3.10)

假设在 C(zkˆF(z)/k!)(k)10. 显然,在 CˆF(z)Pk(z)zk, 其中 Pk(z) 是一个次数为 k 的多项式. 由 ˆF(0)=1 知,Pk(z)zk,进而 ˆF(z)1, 但这与 ˆF(1)=0 矛盾. 于是在 C(zkˆF(z)/k!)(k)10. 注意到 F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z)0, 由最大模原理和 (3.10)式 知,在 C0F(k)n(z)ψn(zn+(ˆznzn)z)(zkˆF(z)/k!)(k)1. 根据 Hurwitz 定理, 在 C(zkˆF(z)/k!)(k)10, 但这与 (zkˆF(z)/k!)(k)1|z=0=0 矛盾.

于是,存在 δ1(0,δ) 使得当 n 充分大时 ˆfnΔ(0,δ1) 内无零点, 再由条件 (a),(3.5) 和 (3.6) 式知, 当 n 充分大时 ˆfnΔ(0,δ1) 内既无零点也无极点. 由 条件(c),(3.5) 和 (3.6) 式知, {ˆfn}D{0} 内正规, 再由最大模原理知, {ˆfn} 在点 0 也正规,进而 {ˆfn} 在整个区域 D 内正规. 选取 {ˆfn} 的一个子列(仍然记作 {ˆfn}), 使得在 Dˆfnχˆf. 由ˆfn(zn)=ˆgn(0)1 知, ˆf(0)=1.于是 ˆfΔ(0,δ1) 内解析. 由 (3.5) 和 (3.6)式 知, 在 D{0}fnχf=zkˆf/k!, 进而在 Δ(0,δ1)

0f(k)n(z)ψn(z)f(k)(z)ψ(z)=(zkˆf/k!)(k)ψ(z). (3.11)
由 Hurwitz 定理和 (3.11) 式知, 在 Δ(0,δ1)f(k)(z)ψ(z)0f(k)(z)ψ(z)0. 假设在 Δ(0,δ1)f(k)(z)ψ(z)0. 由最大模原理和 (3.11) 式知,在 Δ(0,δ1)
0f(k)n(z)ψn(z)f(k)(z)ψ(z)=(zkˆf/k!)(k)(z)ψ(z). (3.12)
由 Hurwitz 定理和 (3.12)式 知, 在 Δ(0,δ1)f(k)(z)ψ(z)0, 但这与 [f(k)(z)ψ(z)]|z=0=[(zkˆf/k!)(k)(z)ψ(z)]|z=0=0 矛盾. 于是,在 Δ(0,δ1)f(k)(z)ψ(z)0. 显然,0f(k) 的可去奇点,进而 0 也是 f 的可去奇点, 通过定义 f0 点的函数值,可以假设 Df(k)(z)ψ(z). 由 (3.5) 和 (3.6) 式知,ˆf(z)=k!f(z)zk, 又因 ˆf(0)=1,所以 0f(z)k 级零点. 故而,在 Df(z)=z0ζ10ζk10ψ(ζk)dζkdζk1dζ1. 于是 (i) 成立.

下一步证明 (ii) 也成立. 注意到当 n 充分大时 ˆfnΔ(0,δ1) 内无零点, 由 (3.6) 式知,当 n 充分大时 n(Δ(0,δ1),1fn)<m+k+1. 根据引理 3.3, 存在 M>0 使得当 n 充分大时 S(Δ(0,δ1/4),fn)<M.η=δ1/4,于是 (ii) 成立.

引理 3.7fC,k,M. 如果 f 的级是无穷的, 且存在常数 A(0) 使得 f(k)(z)A, 那么 f 有无穷多个判别的零点对 (an,bn) 具有下述性质 an,bn,|anbn|0    supz¯ΔL#n(z), 其中 Ln(z)=f((an+bn)/2+(anbn)z)(anbn)k.

根据引理 2.2, 存在点列 τn 和正数列 δn0 使得 f#(τn)S(Δ(τn,δn), f). 记 fn(z):=f(z+τn),于是

f#n(0)    S(Δ(0,δn),fn). (3.13)
由 Marty 正规定则和 (3.13)式 知,{fn} 的任意子列在点 0 不正规.

根据引理 3.4, 存在点列 zn0,{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}), 及正数列 ρn0 使得在 C

gn(ζ)=ρknfn(zn+ρnζ)χg(ζ)=Am+ki=1(ζαi)k!(ζβ)m, (3.14)
其中 mN,αi,βCαiβ (i=1,,m+k). 根据 Hurwitz 定理, 存在点列 αn,iαi 和点列 βn,jβ 使得当 n 充分大时 gn(αn,i)=0gn(βn,j)=, 其中 i=1,2,,m+kj=1,2,,m. 记 zn,i:=zn+ρnαn,itn,j:=zn+ρnβn,j. 显然有,fn(zn,i)=0zn,i0; fn(tn,j)=tn,j0.

我们断言,对任意的 δ>0,恒有当 n 充分大时 n(Δ(0,δ),1fn)>m+k. 否则,由 (3.14)式 知, 存在 δ1>0{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn})使得 fnΔ(0,δ1) 内有且仅有 m+k 个零点 zn,i,其中 i=1,2,,m+k. 注意到 zn,i0, 根据引理 2.1,{fn}Δ(0,δ1) 内正规. 选取 {fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}), 使得在 Δ(0,δ1)fnχf.

我们断言在 Δ(0,δ1)f0. 假设在 Δ(0,δ1)f0. 显然,在 Δ(0,δ1)fn(z)0,f(k)n0,以及 f(k+1)n0. 于是, |n(δ12,f(k)nA)n(δ12,1f(k)nA)|=12π|Γf(k+1)nf(k)nAdz|0, 其中 Γ=Γ(0,δ1/2). 因而,当 n 充分大时 n(δ12,f(k)nA)=n(δ12,1f(k)nA)=0, 但这是不可能的,因为 tn,10f(k)nA 的一个极点.

故而在 Δ(0,δ1)ˆf0. 根据引理 3.3, 则存在 M>0 使得当 n 充分大时 n(Δ(0,δ1/4),fn>M,, 但这与 (3.13) 式矛盾.

于是,对任意的 δ>0,恒有当 n 充分大时 n(Δ(0,δ),1fn)>m+k. 不妨假设 ˆznfn 的一个零点且满足 ˆzn0ˆznzn,i, 其中 i=1,2,,m+k.记 ˆzn:=zn+ρnˆαn. 由 Hurwitz 定理和 (3.14) 式知, ˆαn.

an:=τn+zn+ρnαn,1, bn:=τn+zn+ρnˆαn, cn:=τn+zn+ρnβn,1,以及 Ln(z):=f((an+bn)/2+(anbn)z)(anbn)k. 显然有, γn=cn(an+bn)/2anbn=2βn,1αn,1ˆαn2(αn,1ˆαn)12, Ln(γn)=fn(tn,1)(anbn)k=    Ln(12)=0, 所以 {Ln} 在点 1/2 不正规. 由 Marty 正规定则知,supz¯ΔL#n(z). 很明显,|anbn|=|zn,1ˆzn|0. 注意到 τn, 如果必要的话,选取 (an,bn) 的一个子列(仍然记作 (an,bn)), 总可以保证零点对 (an,bn) 相互是判别的并满足 anbn.

引理 3.8{ψn}D,且在 Dψnψ,其中 ψ(z)(≠̸0)D 内解析. 设 {fn}D,k,M,且对任意的 nN 和任意的 zD,恒有 f(k)n(z)ψn(z). 设 aD 内的一点,并且满足

(a) {fn} 在点 a 不正规;

(b) 每一个 fn 至少有两个判别的极点 vn,1avn,2a.则从 {fn} 中可以选出一个子列(仍然记作 {fn})使得每一个 fn 至少有一对零点 (an,bn) 具有下述性质 ana,bna  supz¯ΔL#n(z), 其中 Ln(z)=f((an+bn)/2+(anbn)z)(anbn)k.

不失一般性,不妨假设 ψ(a)=1a=0.

根据引理 3.4, 存在点列 zn0,{fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}), 及正数列 ρn0 使得在 C

gn(ζ)=ρknfn(zn+ρnζ)χg(ζ)=m+ki=1(ζαi)k!(ζβ)m, (3.15)
其中 mN,αi,βCαiβ (i=1,,m+k). 由 (3.15) 式知, fnm+k 个零点 zn,i=zn+ρnαn,i 和一个极点 tn=zn+ρnβn, 其中 αn,ign 的零点且满足 αn,iαi, βngn 的极点且满足 βnβ.

我们断言当 n 充分大时 tn 必为 fnm 级极点. 否则,选取 {fn} 的一个子列(仍然记作 {fn}), 并假设 fns2 个判别的级为 mj 的极点 tn,j=zn+ρnβn,j, 并且满足 βn,jβj=sj=1mj=m, 其中 j=1,2,,s. 由 (3.15)式 知,在 C{β}0f(k)n(zn+ρnζ)ψn(zn+ρnζ)=g(k)n(ζ)ψn(zn+ρnζ)g(k)(ζ)1. 显然,在 C{β}g(k)(ζ)10. 根据最大模原理,在 C

0g(k)n(ζ)ψn(zn+ρnζ)χg(k)(ζ)1. (3.16)
显然,tn,j[g(k)n(ζ)ψn(zn+ρnζ)]mj+k 级极点, 再由 Hurwitz 定理和 (3.16) 式知, β[g(k)(ζ)1]m+sk 级极点. 但由 (3.15)式 知, β[g(k)(ζ)1]m+k 级极点,矛盾.

我们分两种情形讨论.

情形 1 存在 δ1>0 使得当 n 充分大时 fnΔ(0,δ1) 内有且仅有 m+k 个零点 (计算重数).

由引理 2.1 和 (3.15) 式知, {fn}Δ(0,δ1) 内正规. 选取 {fn} 的一个子列(仍然记作 {fn})使得在 Δ(0,δ1)fnχf. 记

Rn(z):=m+ki=1(zzn,i)k!(ztn)mzkk! (收敛区域为 C{0}), (3.17)
ˆfn(z):=fn(z)Rn(z)    ˆgn(ζ):=ˆfn(zn+ρnζ). (3.18)
显然,1/ˆgn(ζ)C 内内闭一致解析, 根据最大模原理,在 C
ˆgn(ζ)=ˆfn(zn+ρnζ)=k!(ζβn)mgn(ζ)m+ki=1(ζαn,i)ˆg(ζ)=1. (3.19)
由 (3.17) 和 (3.18)式 知, 在 Δ(0,δ1)ˆfn(z)χˆf(z)=k!f(z)zk.

我们断言在 Δ(0,δ1)ˆf0. 假设在 Δ(0,δ1)ˆf(z)=k!f(z)zk0. 显然,在 Δ(0,δ1)fn0,f(k)n0,以及 f(k+1)n0. 于是, |n(δ12,f(k)nψn)n(δ12,1f(k)nψn)|=12π|Γf(k+1)nψnf(k)nψndz|12π|Γψψdz|=0, 其中 Γ=Γ(0,δ1/2). 因而,当 n 充分大时 n(δ12,f(k)nψn)=n(δ12,1f(k)nψn)=0, 但这是不可能的,因为 tn0f(k)nψn 的一个极点.

于是,在 Δ(0,δ1)ˆf0. 注意到当 n 充分大时 ˆfn(z)Δ(0,δ1) 内无零点, 根据最大模原理, 在 Δ(0,δ1)ˆfnχˆf=k!fzk. 因为 ˆfn(zn)=ˆgn(0)1,所以 ˆf(0)=1, 进而 ˆfn 在点 0 的某一个邻域内无极点. 然而,由 条件(b) 和 (3.18) 式知, ˆfn 至少有一个极点 υn0,矛盾.

情形 2 从 {fn} 中可以选取一个子列(仍然记作 {fn})使得每一个 fn 至少有一个零点 bn0, 其中 bnzn,i (i=1,2,,m+k).

an:=zn+ρnαn,1,bn:=zn+ρnˆαn, cn:=zn+ρnβn,以及 Ln(z):=f((an+bn)/2+(anbn)z)(anbn)k. 由 Hurwitz 定理 和 (3.15) 式知,ˆαn. 类似引理 3.7 的证明 可知 supz¯ΔL#n(z).

引理 3.9{ψn}D,且在 Dψnψ,其中 ψ(z)(≠̸0)D 内解析. 设 {fn}D,k,M,且对任意的 nN 和任意的 zD,恒有 f(k)n(z)ψn(z). 设 aD 内的一点. 如果 {fn} 的任意子列在点 a 都不正规, 那么存在 δ>0 使得当 n 充分大时 fn(a,δ) 内只有一个极点(单级或重级).

假设结论不成立, 则从 {fn} 中可以选取一个子列(仍然记作 {fn})使得每一个 fn 至少有两个判别的极点 μnaνna.

不失一般性,不妨假设 ψ(a)=1a=0. 设 δ 为正整数且满足 ¯Δ(0,2δ)D 以及

对任意的 z¯Δ(0,δ), 恒有 1/2|ψ(z)|2. (3.20)

根据引理 3.8, 从 {fn} 中可以选出一个子列(仍然记作 {fn})使得每一个 fn 至少有一对零点 (μn,νn) 具有下述性质

μn0,  νn0, (3.21)
supz¯ΔG#n(z)>K+1, (3.22)
其中 Gn(z)=fn((μn+νn)/2+(μnνn)z)(μnνn)k, 常数 K 由引理 3.2 确定.

En:={(u,v)|uvfnΔ(0,δ) 内判别的零点,且满足 supz¯ΔT#n(z)>K+1, 其中 Tn(z)=fn((μ+ν)/2+(μν)z)(μν)k}.

由 (3.21) 和 (3.22) 式知, 当 n 充分大时 (μn,νn)En,因而当 n 充分大时 En 不是空集. 假设 (an,bn)fnΔ(0,δ) 内的一对零点,并且满足
(an,bn)En    ρ(an,bn)=min{ρ(u,v)|(u,v)En}, (3.23)

其中 ρ(z,w)=|zw|δ|(z+w)/2|. 不妨假设 (an+bn)/2d0 (否则,选取子列并重新编号), 显然,d0¯Δ(0,δ). 由 (3.20) 式知,1/2|ψ(d0)|2. 由 (3.21) 和 (3.22) 式知, ρ(μn,νn)0,再由 (3.23) 式知

ρ(an,bn)0    |anbn|0. (3.24)
Hn(z):=fn((an+bn)/2+(anbn)z)(anbn)k. 不难证明 {Hn} 具有下述性质

(a1) 对任意的 R>0,恒有当 n 充分大时 HnΔ(0,R) 内有定义;

(a2) Hn 的零点重级至少为 k,且当 Hn(z)=0|H(k)n(z)|M;

(a3) H(i)n(±12)=0 (i=1,2,,k1),且 |H(k)n(±12)|M;

(a4) H(k)n(z)ψn((an+bn)/2+(anbn)z), 其中 ψn((an+bn)/2+(anbn)z)ψ(d0).

我们分两种情形讨论.

情形 1 {Hn} 存在一个子列在 C 内正规.

选取 {Hn} 的一个子列(仍然记作 {Hn})使得在 CHnχH. H 满足下述性质

(b1) H 的零点重级至少为 k,且当 H(z)=0|H(k)(z)|M;

(b2) H(i)(±12)=0 (i=1,2,,k1),且 |H(k)(±12)|M;

(b3) 在 CH(k)(z)ψ(d0);

(b4) supz¯ΔH#(z)K+1.

事实上,由 性质(a2) 和 (a3) 知,性质(b1) 和 (b2) 成立. 由 Hurwitz 定理和 性质(a4) 知,在 CH(k)(z)ψ(d0)H(k)(z)ψ(d0), 再由性质 (b2) 知,H(k)(z)ψ(d0). 因为 (an,bn)En 以及在 CHnχH, 所以 性质(b4) 成立.

由引理 3.2 知, H 为无穷级亚纯函数. 根据引理 3.7, H 至少有一对零点 (α,β) 具有下述性质

|αβ|<1/4    supz¯ΔL#(z)>K+2, 其中 L(z)=H((α+β)/2+(αβ)z)(αβ)k. (3.25)
因为在 CHnχH, 所以存在点列 αnαβnβ 使得 Hn(αn)=Hn(βn)=0, 再由 (3.25) 式知,当 n 充分大时
supz¯ΔL#n(z)>K+1, 其中 Ln(z)=Hn((αn+βn)/2+(αnβn)z)(αnβn)k. (3.26)
ˆan:=an+bn2+(anbn)αn    ˆbn:=an+bn2+(anbn)βn. (3.27)
由 (3.24) 式知, 当 n 充分大时 ˆanΔ(0,δ)ˆbnΔ(0,δ). 记
ˆHn(z):=fn((ˆan+ˆbn)/2+(ˆanˆbn)z)(ˆanˆbn)k. (3.28)
注意到 ˆHn(z)=Ln(z), 由 (3.26) 式知,当 n 充分大时
supz¯ΔˆHn(z)#(z)>K+1, (3.29)
因而 (ˆan,ˆbn)En.

往证当 n 充分大时 ρ(ˆan,ˆbn)<ρ(an,bn).

给定 ε>0, 由 (3.24)式 知,当 n 充分大时

ρ(an,bn)=|anbn|δ|(an+bn)/2|<ε,|anbn|<ε(δ|an+bn2|). (3.30)
于是,当 n 充分大时 ρ(ˆan,ˆbn)=|ˆanˆbn|δ|ˆan+ˆbn2|=|anbn||αnβn|δ|an+bn2+anbn2(αn+βn)|=(δ|an+bn2|)|αnβn|δ|an+bn2+anbn2(αn+βn)||anbn|δ|an+bn2|(δ|an+bn2|)|αnβn|%δ|an+bn2||(anbn)αn+βn2|ρ(an,bn)|αnβn|21ε|αn+βn2|ρ(an,bn). 因为 |αβ|<1/4, 所以当 n 充分大和 ε 充分小时 |αnβn|1ε|αn+βn2|12, 于是,ρ(ˆan,ˆbn)<ρ(an,bn), 但这与 (3.23) 式矛盾.

情形 2 {Hn} 的任意子列在 C 内不正规.

E 表示 {Hn} 所有不正规的点的集合. 首先假设对任意的 ζ0E, 恒有当 n 充分大时 {Hn}ζ0 的某一邻域内至多有一个极点(单级或重级). 根据引理 3.5, {Hn}E 中每一个点拟正规,进而 {Hn}C 内拟正规. 显然,EC 内无聚点. 选取 {Hn} 的一个子列(仍然记作 {Hn})和一个非空集合E0E 使得, 对任意的 ζE0 恒有 {Hn} 的任意子列在点 ζ 不正规, 并且在 CE0HnχH. 如果 ζ1,ζ2E0,那么,根据引理 3.6, 在 CE0H(ζ)=ψ(d0)(ζζ1)kk!=ψ(d0)(ζζ2)kk!. 显然必须有 ζ1=ζ2, 所以集合 E0 中只有一个元素 ζ1. 因而在 C{ζ1}Hn(ζ)χψ(d0)(ζζ1)kk!, 但这与 H(i)n(±12)=0 (i=1,2,,k1) 矛盾.

于是,存在 ζ0E{Hn} 的一个子列(仍然记作 {Hn}) 使得每一个 Hn 至少有两个判别的极点 ζn,1ζ0ζn,2ζ0. 根据引理 3.8, 从 {Hn} 中可以选出一个子列(仍然记作 {Hn})使得每一个 Hn 至少有一对零点 (αn,βn) 具有下述性质

|αnβn|<14    supz¯ΔL#n(z)>K+1, 其中 Ln(z)=Hn((αn+βn)/2+(αnβn)z)(αnβn)k. (3.31)
ˆan:=an+bn2+(anbn)αn    ˆbn:=an+bn2+(anbn)βn. (3.32)
与情形 1 中的证明类似, 可知当 n 充分大时 (ˆan,ˆbn)Enρ(ˆan,ˆbn)<ρ(an,bn), 但这与 (3.23) 式矛盾.

引理 3.10fC,k,M, d 为非负整数. 如果 f 的级是无穷的, 那么存在点列 an 和正数列 δn0 使得 f(an)adn0,f(k)(an)adn    S(Δ(an,δn),f(z)zd).

g(z):=f(z)zd. 显然,g 的级也是无穷的,并且 gC{0} 内的零点重级至少为 k. 设 z0(0)f 的零点,显然有

|g(k)(z0)|=|i=ki=0Cik(zd)(i)f(ki)(z)|z=z0=|f(k)(z0)zd0|M|z0|d. (3.33)
根据引理 2.2, 存在点列 bn 和正数列 εn0 使得
g#(bn)    S(Δ(bn,εn),g). (3.34)
{gn(z)}:={gn(z)|gn(z):=g(z+bn),zΔ}. 显然,当 n 充分大时 gnΔ 内的零点重级至少为 k. 由 (3.33) 式知, 对于充分大的 n,恒有当 gn(z)=0|g(k)n(z)|1. 选取 {gn} 的一个子列(仍然记作 {gn})使得对于任意的 n 恒有 gnΔ,k,1. 由 (3.34)式 知,g#n(0), 所以 {gn} 的任意子列在点 0 不正规.

根据引理 2.6 (取 α=k(1/2)), 存在点列 zn0,{gn} 的一个子列(仍然记作 {gn}), 及正数列 ρn0 使得在 CGn(ζ)=gn(zn+ρnζ)ρk(1/2)nχG(ζ), 其中 GC 内的非常数的亚纯函数,且 G 的的零点重级少为 k.

我们断言 G(k)(ζ)0. 否则 G(ζ)=ck1ζk1+ck2ζk2++c0, 其中 c0,c1,,ck1 是常数. 于是,G0G 的零点重级至多为 k1,矛盾.

ζ0 既不是 G(k)(ζ) 的零点也不是 G(k)(ζ) 的极点. 记 an:=bn+zn+ρnζ0,则有 g(i)(an)=g(i)n(zn+ρnζ0)=ρki(1/2)nG(i)n(ζ0), 其中 i=0,1,,k. 因而, an,g(i)(an)0g(k)(an),其中 i=0,1,,k1.

于是,f(an)adn=g(an)0f(k)(an)adn=(zdg(z))(k)adn|z=an=i=ki=0CikzdRi(z)g(ki)(z)adn|z=anzdi=ki=0CikRi(z)g(ki)(z)adn|z=an=i=ki=0CikRi(an)g(ki)(an), 其中 R0(z)=1Ri(z)=d(d1)(di+1)zi (i=1,2,3,,k). 记 δn:=εn+|anbn|=εn+|zn+ρnζ0|. 显然,δn0Δ(bn,εn)Δ(an,δn), 因而 S(Δ(an,δn),g).

4 定理 1.2 的证明

根据拟正规的定义,我们只需证明: 对任意给定的 pD,{fn} 在点 p 拟正规. 因为 ψ(0)D 内亚纯,所以存在 δ>0 使得在 Δ(p,δ)ψ0,.

我们分两种情形讨论.

情形 1 ψ(p)0,.

我们断言 {fn} 在点 p 拟正规. 假设 {fn} 在点 p 不是拟正规的. 显然 {fn} 在点 p 不正规,根据 Marty 正规定则,存在 {fn} 的一个子列(依然记作 {fn})使得 {fn} 的任意子列在点 p 不正规. 显然在 Δ(p,δ)ψ0,. 根据引理 3.9, 存在 δ(0,δ) 使得当 n 充分大时 fn(p,δ) 内只有一个极点(单级或重级). 根据引理 3.5, {fn}(p,δ) 内拟正规,进而 {fn} 在点 p 拟正规,矛盾.

情形 2 ψ(p)=0ψ(p)=.

由情形 1 知,{fn}Δ(p,δ) 内拟正规.

我们断言 {fn} 在点 p 拟正规. 假设 {fn} 在点 p 不是拟正规的. 于是存在一个点列 {zi}i=i=1Δ(p,δ){fn} 的一个子列(仍然记作 {fn})满足

(a1) zip;

(a2) 对任意的 zi{zi}i=i=1, {fn} 的任意子列在点 zi 不正规;

(a3) {fn}Δ(p,δ){zi}i=i=1 内正规.

选取 {fn} 的一个子列(依然记作 {fn})使得在 Δ(p,δ){zi}i=i=1fnχf. 根据引理 3.6,f 可以解析开拓为 Δ(p,δ) 内的解析函数并满足 f(k)ψf(zi)=0,其中 i=1,2,. 显然 p 不是 ψ 本性奇点,故而 p 也不是 f 的本性奇点. 又因为 f(zi)=0,其中 i=1,2,,所以 f0,进而 f(k)0, 但这与 f(k)ψ0 矛盾.

5 定理 1.1 的证明

假设结论不成立,即 f(k)(z)P(z) 在复平面 C 内只有有限个零点.

假设当 zP(z)czd,其中 c(0) 是一个常数,d 是一个非负整数.

g(z):=f(z)zd. 根据引理 3.10, 存在点列 an 和正数列 δn0 使得

S(Δ(an,δn),g), (5.1)
f(an)adn0    f(k)(an)adn. (5.2)

fn(z):=f(z+an)adn,zΔ. 由 (5.2) 式知,

fn(0)=f(an)adn0    f(k)n(0)=f(k)(an)adn. (5.3)
因而,{fn} 的任意子列在点 0 不正规.

因为 f(k)(z)P(z)C 内只有有限个零点,所以当 n 充分大时 f(k)n(z)P(z+an)adn,  zΔ. 注意到在 ΔP(z+an)adnc, 根据引理 1.2 (其中 ψn(z)=P(z+an)adn), {fn}Δ 内拟正规. 因而存在 δ1(0,1){fn} 的一个子列 (仍然记作 {fn})使得在 Δ(0,δ1)fnχf. 根据引理 3.9, 存在 δ2(0,δ1) 使得 fnΔ(0,δ2) 内只有一个极点(单级或重级). 根据引理 3.6, 存在 δ3(0,δ2)M1>0 使得当 n 充分大时

S(Δ(0,δ3),fn)M1. (5.4)

gn(z):=g(z+an)=fn(z)(1+zan)d. 于是 g#n(z)=|(1+zan)dfn(z)(1+zan)d(dan+z)fn(z)|top|(1+zan)d|2+|fn(z)|2, 进而

[g#n(z)]22|(1+zan)dfn(z)|2(|(1+zan)d|2+|fn(z)|2)2+2|(1+zan)d(dan+z)fn(z)|2(|(1+zan)d|2+|fn(z)|2)2. (5.5)
利用不等式 CC2+x2max{C,1/C}11+x2, 其中 C>0,可得
2|(1+zan)dfn(z)|2(|(1+zan)d|2+|fn(z)|2)22max{|(1+zan)d|2,1|(1+zan)d|2}[f#n(z)]2. (5.6)
(5.5) 式右端第二项为
12|dan+z|2(2|(1+zan)dfn(z)||(1+zan)d|2+|fn(z)|2)212|dan+z|20. (5.7)
联立 (5.5),(5.6)(5.7) 式可得, 当 |z|<δ3n 充分大时
[g#n(z)]24[f#n(z)]2+1. (5.8)
由 (2.1),(5.4) 和 (5.8)式 知, S(Δ(0,δ3),gn)4M1+1=M2. 于是 S(Δ(an,δ3),g)=S(Δ(0,δ3),gn)M2, 但这与 (5.1) 式矛盾.

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