デデキントのイータ関数

デデキントのイータ関数 (デデキントのイータかんすう、英: Dedekind Eta function) は次のような式で定義される関数である^[1]。

\eta (\tau )=e^{\pi {i}\tau /12}\prod _{m=1}^{\infty }(1-e^{2\pi {i}\tau {m}})\qquad (\Im \tau >0)

\eta (\tau )=e^{\pi {i}\tau /12}\sum _{n=-\infty }^{\infty }(-1)^{n}\left(e^{2\pi {i}\tau }\right)^{n(3n-1)/2}=\sum _{n=-\infty }^{\infty }(-1)^{n}\left(e^{2\pi {i}\tau }\right)^{(6n-1)^{2}/24}\qquad (\Im \tau >0)

となる。イータ関数は上半平面で正則であり、極も零点も持たない。イータ関数は実軸上に稠密な零点を持つ。

極と零点

$\Im \tau >0$ であれば $\left|e^{2\pi {i}\tau }\right|<1$ であるから、

{\begin{aligned}\left|\log \eta (\tau )\right|&={\frac {\left|\pi {i}\tau \right|}{12}}+\sum _{m=1}^{\infty }\left|\log(1-e^{2\pi {i}\tau {m}})\right|\\&={\frac {\left|\pi {i}\tau \right|}{12}}+\sum _{m=1}^{\infty }\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\left|e^{2\pi {i}\tau {mn}}\right|}{n}}\\&={\frac {\left|\pi {i}\tau \right|}{12}}+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\left|e^{2\pi {i}\tau {n}}\right|}{n(1-\left|e^{2\pi {i}\tau {n}}\right|)}}\\&\leq {\frac {\left|\pi {i}\tau \right|}{12}}+{\frac {1}{1-|e^{2\pi {i}\tau }|}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {|e^{2\pi {i}\tau {n}}|}{n}}\\&\leq {\frac {\left|\pi {i}\tau \right|}{12}}-{\frac {\log(1-|e^{2\pi {i}\tau }|)}{1-|e^{2\pi {i}\tau }|}}\\\end{aligned}}

である。従って、イータ関数は上半平面で極も零点も持たない。しかし、 $\tau =q/r$ が有理数であれば $1-e^{2\pi {i}\tau {r}}=0$ であるから、イータ関数は実軸上に稠密な零点を持つ。

イータ関数はテータ関数で表される。オイラーの分割恒等式を用いて

{\begin{aligned}\eta ^{3}\left(\tau \right)&=e^{\pi {i}\tau /4}\prod _{m=1}^{\infty }\left(1-e^{2\pi {i}\tau {m}}\right)^{3}\\&=e^{\pi {i}\tau /4}\prod _{m=1}^{\infty }\left(1-e^{2\pi {i}\tau {m}}\right)^{3}\left(1+e^{2\pi {i}\tau {m}}\right)^{2}\left(1-e^{2\pi {i}\tau {(2m-1)}}\right)^{2}\\&=e^{\pi {i}\tau /4}\prod _{m=1}^{\infty }\left(1-e^{2\pi {i}\tau {m}}\right)^{3}\left(1+e^{2\pi {i}\tau {m}}\right)^{2}\left(1+e^{(2m-1)\pi {i}\tau }\right)^{2}\left(1-e^{(2m-1)\pi {i}\tau }\right)^{2}\\&={\frac {1}{2}}\vartheta _{2}\left(0,\tau \right)\vartheta _{3}\left(0,\tau \right)\vartheta _{4}\left(0,\tau \right)\\\end{aligned}}

である。また、

{\begin{aligned}\eta (\tau )&=e^{\pi {i}\tau /12}\prod _{m=1}^{\infty }(1-e^{2\pi {i}\tau {m}})\\&=e^{\pi {i}\tau /12}\prod _{m=1}^{\infty }(1-e^{2\pi {i}\tau {m}/3})(1+e^{2\pi {i}\tau {m}/3}+e^{4\pi {i}\tau {m}/3})\\&={\frac {2}{\sqrt {3}}}e^{\pi {i\tau }/12}\cos {\frac {\pi }{6}}\prod _{m=1}^{\infty }(1-e^{2\pi {i}\tau {m}/3})\left(1+2\cos {\frac {\pi }{3}}e^{2\pi {i}\tau {m}/3}+e^{4\pi {}i\tau {m}/3}\right)\\&={\frac {1}{\sqrt {3}}}\vartheta _{2}\left({\frac {1}{6}},{\frac {\tau }{3}}\right)\\\end{aligned}}

である。

{\begin{aligned}\eta ^{3}\left(-{\frac {1}{\tau }}\right)&={\frac {1}{2}}\vartheta _{2}\left(0,-{\frac {1}{\tau }}\right)\vartheta _{3}\left(0,-{\frac {1}{\tau }}\right)\vartheta _{4}\left(0,-{\frac {1}{\tau }}\right)\\&={\frac {1}{2}}{\sqrt {-i\tau }}\vartheta _{4}(0,\tau ){\sqrt {-i\tau }}\vartheta _{3}(0,\tau ){\sqrt {-i\tau }}\vartheta _{2}(0,\tau )\\&={\sqrt {i\tau ^{3}}}\eta ^{3}(\tau )\\\end{aligned}}

であるが、 $\tau$ が純虚数であれば両辺ともに実数であるから、

{\begin{aligned}\eta \left(-{\frac {1}{\tau }}\right)&={\sqrt {-i\tau }}\eta (\tau )\\\end{aligned}}

である。また、

{\begin{aligned}\eta \left(\tau +1\right)&=e^{\pi {i}(\tau +1)/12}\prod _{m=1}^{\infty }(1-e^{2\pi {i}(\tau +1)m})\\&=e^{\pi {i}/12}e^{\pi {i}\tau /12}\prod _{m=1}^{\infty }(1-e^{2\pi {i}\tau {m}})\\&=e^{\pi {i}/12}\eta \left(\tau \right)\\\end{aligned}}

であるから、イータ関数の24乗は重さ12のモジュラー形式である。

{\begin{aligned}&\eta ^{24}\left(-{\frac {1}{\tau }}\right)=\tau ^{12}\eta ^{24}(\tau )\\&\eta ^{24}\left(\tau +1\right)=\eta ^{24}\left(\tau \right)\end{aligned}}

実際、モジュラー判別式 $\Delta$ の定数倍と一致する^[2]。

(2\pi )^{12}\eta ^{24}(\tau )=\Delta (\tau ).

イータ関数の24乗は重さ12のモジュラー形式であるから、一般のモジュラー変換については c ≠ 0 のとき、ある1の24乗根 $\epsilon (a,b,c,d)$ について関数等式

\eta \left({\frac {a\tau +b}{c\tau +d}}\right)=\epsilon (a,b,c,d)(c\tau +d)^{1/2}\eta (\tau )

が成り立つ。 $\epsilon (a,b,c,d)$ は

\epsilon (a,b,c,d)=\exp \pi i\left({\frac {a+d}{12c}}-s(-d,c)-{\frac {1}{4}}\right)

により求められる^[3]。ここで $s(h,k)$ はデデキント和（英語版）

s(h,k)=\sum _{r=1}^{k-1}{\frac {r}{k}}\left({\frac {hr}{k}}-\left\lfloor {\frac {hr}{k}}\right\rfloor -{\frac {1}{2}}\right)

をあらわす。

Tom M. Apostol, (1990). Modular Functions and Dirichlet Series in Number Theory (Graduate Texts in Math. 41), 2nd ed.. Springer-Verlag. doi:10.1007/978-1-4612-0999-7. ISBN 978-1-4612-0999-7