A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
C ARLO B IRINDELLI
Sull’applicazione dei metodi di sommazione di Gronwall al problema del prolungamento analitico
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 2
esérie, tome 6, n
o2 (1937), p. 179-189
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GRONWALL AL PROBLEMA DEL PROLUNGAMENTO ANALITICO
di CARLO BIRINDELLI
(Pavia).
00
1. -
È
noto che la serie£ un
si dice sommabile colprocedimento
di DE LAo
VALLÉE PoussIN e con la somma s
quando l’espressione
tende verso s al tendere di n ad oo.
Questo procedimento
rientra come casoparticolare
nei metodi di sommazione studiati da T. H. GRONWALL(s),
ciò che ha permesso aquesto
Autore di darneuna notevole
estensione,
di cui ha studiato leprincipali proprietà.
Converrà richia-mare brevemente
questi
risultati.Siano date due funzioni
f(w)
eg(w)
dellequali
laprima
sia analitica per eccettow= 1,
ez=f(w) rappresenti I w 1 semplicemente
in uncampo D
in-terno
a
in modo che z = 0corrisponda a w= 0 e z =1 a w =1;
la funzione inversa èolomea lungo
il contorno di D eccetto che per z=1 e inquesto punto
ove i
puntini
indicano una serie dipotenze
in 1-z senza termine noto(a
coeffi-cienti eventualmente
complessi).
Inquanto
allag(w)
si ha:e
(í) T. H. GRONWALL : Summation of series and conformal mapping. (Annals of Mathe- matics, 2d series, vol. 33, n.o 1, January 1932.
con
y(w)
analiticaper I w 1 ;
inoltreOgni qualvolta
lequantità Uo, U~,...., Un,....
che si ricavano dalla identità00
sono tali che
Un tenda,
per n - oo,ad s,
si dice che la serie~
uw è somma-bile
(f, g)
verso la somma s. oSi noti
che, poichè
inz = f(w)
èf(o) = o,
losviluppo
di Zv secondo lepotenze
di w inizia con la wma
potenza
e dalla(6)
segueperciò
chele an,J1
dipendendo
dai coefficienti dif(w)
eg(w),
ma non dalle u,,.Il GRONWALL definisce le sue
generalizzazioni
del metodo del DE LA VALLÉE POUSSINponendo
inparticolare
essendo
(1-w)a quel
ramo della funzione che assume il valore 1 perw=0 ;
definisce cos il metodo
generalizzato
di sommazione(V, k),
di ordinek ~>- 0,
delDE LA VALLÉE POUSSIN. Il rammentato metodo
semplice
si ritroverebbe perquesta
via per k=1.Indicando con
l’espressione
diUn
relativa al metodo(V; k) (cioè
alleipotesi (8))
si avràdunque
avendo
posto
Considerando in
particolare
la seriegeometrica 1 + ~ + ~2 + ....
il GRONWALLstesso ne dimostra la sommabilità
(V, k),
eprecisamente
verso la somma8=i i ~
9per
ogni ~
interno al campo racchiuso dalla curva 1-~la sommabilità è uniforme
per ~ appartenente
a un campo chiuso e interno adLk I.
Non si ha convergenza
lungo
ed esternamente.È
da notare che la curvaLk-1
si ottieneoperando
latrasformazione z’=1
z
(od
anche unasemplice
inversionerispetto
alcerchio |z| = 1,
data la sua sim-metria
rispetto
all’ assereale)
sulla curvala
quale,
a suavolta,
è la trasformata del cerchio unità delpiano w
mediantela
z=f(w)
data dalla(8).
2. - Fondandoci sui risultati del
GRONWALL,
brevemente riassunti al numeroprecedente,
ciproponiamo
anzitutto dimostrare,
con metodo sostanzialmentenoto,
come ciascuno dei
procedimenti ( t ; k)
possa servire ad ottenere ilprolungamento
00
di un elemento di funzione analitica
f(z) E (a raggio
diconvergenza # 0)
in un
opportuno
campopiano.
oSi consideri per
questo
una curvasemplice
rettificabile 1 che circondi ilpunto regolare
z=0 e siaposta
entro la stellarettilinea,
dif(z),
relativa alpunto
La
(7)
dà allora ~Dalla formula
integrale
di CAUCHY abbiamoda cui
Quando
ilpunto y= t
è interno al campoAk
1 racchiuso dallaLkl
1 si hauniformemente per y
appartenente
ad unaregione
chiusa tutta interna adA5i.
È
di conseguenza, perogni z
racchiuso da 1 e tale chegli z t
siano interni adCi occorrerà
dunque
trovarequali
siano ipunti
z per iquali
èpossibile
costruireuna linea 1 dotata delle
proprietà
indicate.’
Indichiamo con a i
punti singolari
al contorno della stella rettilinea e conBk
l’insieme deipunti z
comuni a tutti icampi a - Ak I.
Sipuò
mostrare(2)
facil-mente : che
ogni punto
interno a tutti icampi aAk -1
è interno aBk (e viceversa);
che unendo
l’origine
con unpunto
diBk
tutti ipunti
delsegmento,
salvo alpiù
il
punto dato,
sono interni e cheBk
è un campo chiuso limitato esemplicemente
connesso.
Sia G un campo chiuso ed interno a
Bk.
Potremo determinare un numero81 positivo
e1
tale che il campo()~ . Bk,
che è interno aBk,
racchiuda il campo G.Scegliendo
allora 8 tale che6~ 9 1
si ottiene un campo8 · Bk
interno aBk
e contenente internamente G.
. Sia R la massima distanza di O da
Bk
e si considerino ipunti singolari
a,tali
che I a R,
con i relativisegmenti
a ~ ottenuti medianteprolungamento
dei
raggi (O, a)
dallaparte
di a fino ad incontrare lacirconferenza
Sia I l’insieme di
questi segmenti.
Si verifica chequando z
varia inG,
e t inI,
t
varia in un campo interno adz/t
InfattilÌ per t di I si ha t=2.acon IS 1 y R2013
À S 72
d’altra d’ altra parte parte appartenendo z appartenendo
z
a
a G
(e quindi
a eBk) z appartiene
pure, perogni
a, al campo 0 - a.Ak 1;
- appartiene
di conseguenza al campo2013 ’ · Ak =1
· 8 cioè a 8t y, . a k
A k , e k
Converrà ora sostituire ad I un
opportuno
insieme I’ distante da I menodi
assegnato.
Indichiamocon R
il minimo modulodegli
a e con centronei
punti
a e descriviamo le relative circonferenze. I cerchi ottenuti hanno tuttigli
a nel loro interno e saràpossibile perciò,
per il lemma di(2) Si osservi che se ai è uno degli a di modulo minimo, ed R’ è la massima distanza di
alLk
1 dall’ origine, Bk è contenuta nelcerchio
D’altra parteper
contiene
questo cerchio e quindi sicchè gli pei qualiè ~ a >
R’ possono essere trascurati per la costruzione di Bk. In altri termini Bk è la parte comune a quei campiaAk per
i qualiè
Detti 03B2
gli a aventi questa proprietà avremo che essi costituiscono un insieme limitatoe chiuso; l’insieme corrispondente di tutti i contorni è pur esso, come facilmente si
dimostra, limitato e chiuso.
Ciò posto se un punto zo non appartiene a nessuno dei 1 esisterà un suo intorno i
cui punti hanno la stessa proprietà; esso sarà perciò interno a tutti i od esterno ad almeno uno di essi. Nel primo caso zo sarà interno a Bk, nel secondo esterno ad esso. Se
ne conclude anzitutto che i punti interni ai
flak (o
agli sono interni a Bk. L’inverso è evidente.Si vede inoltre che un punto di contorno di Bk deve essere di contorno per almeno
uno dei
Sia zo un tale punto. Allora il segmento Ozo appartiene ad ogni e quindi a Bk;
anzi ogni suo punto diverso da zo è interno a e quindi a Bk. Da ciò risulta in parti-
colare che zo è punto di accumulazione di punti interni a e che Bk è quindi un campo chiuso, evidentemente semplicemente connesso.
PINCHERLE-BORF,L,
disceglierne
un numero finito ai, a2,...., as, per modo che i cerchicorrispondenti
abbiano ancoragli
a nel loro interno.Mandate da O le
coppie
ditangenti
ad ognuno dei cerchietti inquestione
considereremo diqueste
i duesegmenti compresi
fra ilpunto
ditangenza
e lacirconferenza z I =R.
L’ arco diquest’ ultima
cos intercettato(assieme
allacoppia
/ 7? B
di
segmenti
g e all’ archetto di circonferenzaar R · Ì
,R n
che ha per estremi p i duepunti
ditangenza
e che sta dallaparte
di Orispetto
allacongiungente
diquesti)
delimita un campo
semplicemente
connessorar.
Sia JT l’insieme dei
campi I’«l, I’ , T’«3,...., Fa .
Dairispettivi s
contorni sieliminino
gli
archi diI z I =R. Quanto
rimanedegli s
contorni di 1~ costituisceappunto
l’insieme I’. Si riconosce infatti facilmente(3)
che I’ dista da I meno di ~.Aggiungiamo
ora ad I’ i tratti liberidi I z I = R;
si ottiene cos una linea 1composta
di un numero finito di tratti rettilinei e di archi dicerchio;
diciamoche essa
soddisfa,
perogni z
scelto inC,
alle condizioni desiderate(4).
La 1 è intanto
chiusa, semplice,
rettificabile e contiene all’ internfll’ origine.
Dovremo
ora
verificare che se z è in C e t su1, t
varia in un campo internoad Ed
infatti,
t R tappartiene quindi
a 8Agi (5).
Per t
appartenente
ad I’ l’insieme deipunti t ,
chepossiamo
indicare breve- mente conG/L,
è vicinoquanto
si vuolealI’ analogo insieme G/I;
; ciò risulta subito dal fattoche I t i ha,
tanto su I che suI’,
un limite inferiorepositivo.
Ma si è.
già
vistoche G giace
in 0 - l’ insiemedegli z
èdunque,
per n abbastanzapiccolo,
interno ad un0’ - Ak
1 con0~1.
Assumendo allora nella
(11)
la curva 1 come cammino diintegrazione,
siha che per
ogni
interno ad un campo interno ad convergeallora,
per n -- 00, uniformemente versof(z).
Si ha cioè il : TEOREMA. - Sia dato unqualsiasi
elemento di funzioneanalitica,
(3) Si osservi infatti che un punto di I’ è sul contorno di un certo come tale la sua distanza da I è al massimo eguale alla metà della corda massima del
cerchio ~ z,
= Rcontenuta in
Tar’
r Ora un calcolo elementare da per questa semicorda il valore CtrI
(4) La costruzione qui indicata per la linea 1 si ispira ad un metodo usato da N. OBRECHKOFF [ Vrhu sumiraneto na razhodiastcite redove (trascrizione in lettere latine), Annali della Facoltà fisico-matematica dell’Università di Sofia, t. XXIV, 1927-1928] che però, come è esposto da questo Autore, non ci sembra rigoroso. Esso, infatti, non garantisce affatto che il contornotrovato sia una linea nel senso di JORDAN e tanto meno una linea rettificabile.
(5) Si verifica infatti che al campo è interno tutto il
cerchio i z 1
salvo ilpunto z =1 che sta sul contorno.
00
~ dv
· z~, araggio
diconvergenza + 0)
e siaf(z)
il ramo monodromoo
ottenuto dal
prolungamento
diquesto
elemento entro la stella rettilinea.49i consideri la curva
allora indicando con a’ un
qualunque punto singolare
dif(z)
e conBk
00
il campo interno a tutte le curve a’. la serie
~ dvZv
è uniformementeo
sommabile,
colprocedimento ( T ; k) generalizzato
del De la ValléePoussin,
in
ogni
campo interno aBk,
e verso il detto ramof(z).
00
3. -
Supponiamo
ora diapplicare
alla nostra serie dipotenze 03A3 dvzv
il pro-o
cedimento
(V, k),
dando a k una successione di valori tendentiall’ infinito,
peresempio
i valori interi1, 2, 3,....,
n,.... Sipuò
verificare(cfr.
n.°4, b))
chein
questa ipotesi
icampi Aii
1 tendono alpiano tagliato
da+ 1
a + oolungo
l’ asse
reale;
ciò nel senso cheogni
campo limitato tutto interno aquesto piano tagliato
risulta interno adogni Lk’
di indice abbastanzagrande.
Da ciò segue facilmente che perogni
campo G contenuto entro la stella rettilinea di centro z=0 esiste un valoreko
di k tale che perk>ko
il campo G cade entro il corri-spondente Bk.
Si
può dunque
dire che iprocedimenti (V, k)
nel lorocomplesso
consentonoil calcolo di
f(z)
inogni punto
interno alla dettastella,
come limiti di succes-sioni che sono anzi uniformemente
convergenti
inogni
campo interno alla stella medesima.Noi
vogliamo però
ottenere un risultatopiù completo, deducendo,
dai me-todi
( Y, k),
con unprocedimento
chepotrebbe
dirsidiagonale,
ununico
metododi
sommazione,
valido senz’ altro in tutta la stella. Ciò sarà fatto nei n.~ 5 e6 ;
occorrerà
però premettere
uno studiopiù approfondito
delcomportamento
per k - oo di certe linee ecampi
che sipresentano
nella trattazione.4. -
a). Riprendiamo
la trasformazioneconsiderata al n.°
1,
e osserviamo che essapuò
scriversiConsideriamo la sostituzione lineare
essa fa
corrispondere
al settore1’ area
Tk
racchiusa da due archi di cerchio simmetricirispetto
all’ asse reale edintersecantisi per
z= -1, z=1,
conangolo
internoInfatti, ponendo Z= x + iy, z = ~ + i~,
si hae all’ asse reale del
piano z poichè
pery=0
è~==0, corrisponde
1’ asse reale delpiano
z. I due lati del nostro settore formanol’ angolo
interno 2an(a=2-k),
e sono simmetrici
rispetto
all’asse reale.Questi
due lati hanno comecorrispon-
denti nel
piano z
due archi di cerchio(per
laisogonalità
ed omociclia della sostituzionelineare)
simmetricirispetto
all’ asse reale delpiano z e
il loroangolo
interno è 2an. I
punti
di intersezione diquesti
due archi di cerchio sono z=+ 1,
z= -1
(perchè quando Z=0,
oo, risultaz=1, z= -1).
Possiamo ora verificare che la trasformazione
fa
corrispondere
alpiano
w,tagliato lungo
1’ asse reale daw= + 1
a + oo,il campo
semplice
del considerato settore delpiano
ZInfatti, poichè
si consideraquel
ramo di(1 yw)a
che si riduce ad 1 perw=0,
abbiamo 8=a g. Per due diversi valori di w e non possono dare lo stesso valore di Z a meno che
e=e’
e con m intero.Ma, poichè g
eg’
stanno entrambi fra - n e+ ~,
e diqui
risulterebbe esserem=0,
Ogni
camposcmplice
delpiano w tagliato lungo
l’asse reale da+ 1
a + o0 èdunque rappresentato
in un camposemplice
interno allaregione Tk
delpiano
z.È
chiaro cheper
k - oquesta regione
tende alsegmento ( -1, + 1)
dell’ assereale
di z, poichè,
essendo interno 2an dei due archi di cerchio tende a zero.b). Studiamo,
inparticolare,
ilcomportamento per k -~
oc(o
a -0)
dellacurva del
piano z
già
considerata nel n.°1,
comecorrispondente
del cerchio unità per la trasfor- mazionez=f(w).
AllaLk corrisponde
nelpiano
Z l’altra curvache è contenuta evidentemente nel settore circolare
e che
quindi
per k - oo tende alsegmento (0, + 1)
dell’ asse reale. Ora nelpiano
za
questo segmento corrisponde
ilsegmento (0, + 1) (percorso
in sensoinverso);
Fig. 1.
concludiamo
quindi
cheper k
-~ 00 la curvaLk
tende alsegmento (0,
+1)
deLl’ asse reale.
Di
qui
segue facilmentequanto
si è affermato nel n.° 3 circa il limite deicampi
1 per k - oo.Se infatti C è un campo limitato e chiuso del
piano z
che lasci all’ esterno iltaglio
fattolungo
l’asse reale da+ 1
a+00,
il campo C-i lascierà all’esterno ilsegmento (O, + 1)
dello stesso assereale,
equindi, per k
abbastanzagrande
C-1sarà
esterno
adLk.
Sarà allora C interno ad come si era asserito.
c).
Piùgeneralmente,
consideriamo un contorno 1 delpiano w
costituito dalsegmento
daw = + 1
aw ~ 1 + h
conh > 0 (sull’orlo superiore
deltaglio)
dalcerchio
e dalsegmento
daw=1+h
aw= + 1 (sull’orlo inferiore),
e la linea
corrispondente
delpiano Z,
epoi
sulpiano
z. Nelpiano Z,
ai duetratti rettilinei
corrispondono
pure due tratti rettilinei che vannodall’ origine
aipunti
ha. per a - 0 essi tendono alsegmento (O, + 1).
Quanto
alcerchio,
ilsemplice
esame del modo di variare del modulo edell’argo-
mento di 1-w prova che ad esso
corrisponde
una curva compresanell’angolo
dei due considerati tratti rettilinei e tra i cerchi aventi il centro
nell’origine
eraggi ha, (2 + h)". Questa
curva tendedunque
alpunto
Z=1quando
a tendea zero. Concludiamo che l’intera linea
corrispondente
d 1 tendeper k ->
oc alsegmento (0, + 1 )
delpiano
Z. Ricordando allora l’effetto della trasformazione lineare che muta Z in z concludiamo che anche lalinea 27, corrispondente
nel alla linea 1 del
piano tagliato w
tendeper k -
00 al seg- mento(O, + 1)
dell’ asse reale.5. -
a),
Ci occuperemo ora anzitutto della sommazione della seriegeometrica 1+~+~+.... riprendendo
perquesto
le considerazioni del GRONWALL(1.
e., n.O6,
teor.
5).
Alla serie data conviene sostituire l’ altra di somma nulla(per , ~ 1)
che si ottiene sottraendo
:,2013~
dalprimo termine,
e cioè assumendo perPonendo
per- i
risulteràSostituendo nella
(9)
si hadunque
inquesto
caso :e
quindi, applicando
la formulaintegrale
diCAUCHY,
ove
l’integrazione
deveeseguirsi lungo
una linea cheavvolga
in sensopositivo l’ origine
non avendo all’ interno altresingolarità
della funzioneintegranda. Questa
linea
potrà
in certi casi deformarsi in una linea 1 deltipo
considerato al n.~4, c),
e cioè formata da un tratto rettilineo
( 1,1 + h)
tracciato sull’ orlosuperiore
deltaglio (+ 1, + (0),
dal cerchioi w i == 1 + h
descritto in sensopositivo,
e dal trattorettilineo
(1 +h, + 1)
descritto sull’ orlo inferiore deltaglio.
Ciò avverrà se la lineacorrispondente Àk
delpiano z
lascierà all’ esterno ilpunto
zo.b). Supponiamo
ora di dare a k valori indefinitamente crescenti e di porre neguale
ad una funzione determinata dik ; vogliamo indagare
sottoquali
condi-zioni i
polinomi
tenderanno a zero uniformementeper ~
variabile in uncampo C limitato e chiuso e che lasci all’esterno il tratto da z=1 a
dell’ asse reale. Ci converrà supporre
questo
campo convenientemente esteso in modo da contenere all’internol’origine.
Mentre ~
varia inC, zo i
descrive un campo illimitato c-i che lascia all’ esterno ilsegmento (0, + 1).
Considerando allora la linea 1 delpiano
w defi-nita in
a)
e la suacorrispondente Ak
nelpiano z,
e ricordando che per k- o laAk
tende alsegmento (O, + 1)
dell’ assereale,
vediamo cheper k
abbastanzagrande
il campo 0-1 sarà esternoa ~,k
ed anzi la distanza tra unqualunque punto
di C-’ e unqualunque punto
di una arbitrariaAk sarà,
per kmaggiore
di un certo
k’,
sempremaggiore
di una certaquantità positiva
b.Sicchè,
tor-nando al
piano w,
la linea 1potrà
essere assunta nella(12)
come linea d’inte-grazione,
perogni 03BE
del campoC,
appena siak>k’,
e sarà sempre, durante~
integrazione
D’altra
parte,
essendo ilpunto + 1
esterno a C la distanza11- ~ 1
ha unminimo
positivo; mentre,
essendo le~k
uniformementelimitate, ~ non
superaun numero fisso. Esiste
quindi
unM>0
tale che perk > k’,
w su 1e ~
in C è sempreSpezziamo
oral’integrale
in dueparti : quella
relativa ai due tratti rettilinei è minore in modulo dimentre l’ altra è minore in modulo di
sicchè si ha finalmente
Ora si ha
e
quindi
l’ultimaespressione
per asintotica all’altracioè all’ altra
o finalmente all’ altra
Se ne conclude che tenderà uniformemente a zero per
ogni ~
nel campo Cse n sarà una tale funzione di a o di k per cui a na, ossia 2-k @ tenda all’oo per a -- 0 o k - 00.
Questa
condizione siverifica,
peresempio, prendendo
infatti
tende a + oc
per k --
oc.Un altro valore di n che soddisfa alla condizione
posta
e che è notevolmente minore delprecedente
èche dà
c).
Il risultatoprecedente
non si riferiscepropriamente
alla serie geome-trica,
ma all’altrama se ne deriva subito
quanto
ci occorre osservando col GRONWALL che in base alla(6),
se un metodo(f, g)
sostituisce ad una serie .... la succes-sione
Uo, Ui ,....,
esso sostituirà alla serie la successioneUo
+ c,U1-E-
C,..1.Concludiamo
dunque
che al crescerecontemporaneo
di k ed n, con la condizione lim(2-k
+ 00, ipolinomi cálcolati
per la seriegeometrica 1 + $ + $2 +....
convergono ad1
per
ogni $
nonappartenente
1-03BE
al
taglio (1,
+00)
e clae la convergenza è uniforme inogni
carnpo C limi- tato e chiuso interno alpiano
costagliato.
6. - Basterebbe ora
ripetere
con leopportune
modificazioni iragionamenti
deln.O 2
(che
risultano anziqui alquanto più semplici)
per ottenere il risultatogenerale :
Sotto le medesime condizioni i
polinomi V’n~~(~)
calcolati per un arbi- trario elemento~
di funzione analitica araggio
di convergenza diverso da zeroconvergono’ad
un limite finito in tutta la stella rettilinea delL’ elemento stesso relativaall’origine
e forniscono ilprolungamento
analitico. dell’ elemento in detta stella. In
ogni
campo limitato interno alla stella la convergenza è uniforme(1).
(1) Ringrazio vivamente il Chiarissimo Professor G. ASCOLI per il prezioso aiuto datomi nel corso della presente ricerca.
LEONIDA TONELLI - Direttore responsabile. Finito di stampare il 31 marzo 1937 - XV.