A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
L UIGI A MERIO
Un metodo di sommazione per le serie di potenze e sua applicazione alla trasformazione di Laplace
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 2
esérie, tome 8, n
o3-4 (1939), p. 167-180
<http://www.numdam.org/item?id=ASNSP_1939_2_8_3-4_167_0>
© Scuola Normale Superiore, Pisa, 1939, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze » (http://www.sns.it/it/edizioni/riviste/annaliscienze/) implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/conditions). Toute utilisa- tion commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale.
Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
E SUA APPLICAZIONE ALLA TRASFORMAZIONE
DILAPLACE
di LUIGI AMERIO
(Pisa).
Nella
presente
Memoria viene indicato anzitutto un metodo di sommazione chepermette
diprolungare
analiticamente una serie dipotenze
oltre il suo cerchiodi convergenza e se ne determina il campo di
validità ;
sipuò
cos enunciareun criterio che dà la
possibilità
di stabilire se unpunto
del cerchio è o non èun
punto singolare
per la somma delle serie stessa.Successivamente si
applica
il metodo alla teoria della trasformazione diLAPLACE,
nella
quale
esso sipresenta
come del tuttonaturale ;
siottengono
cos due gene- ralizzazioni della definizione usuale della trasformata nelsemipiano
di convergenza:mostrando che le
espressioni
tendono alla
f(p),
al crescere indefinitamente di n, oltre che nelsemipiano
diconvergenza, anche nei
punti
di analiticità della trasformata situati sulla retta di convergenza e in due insiemi dipunti (quello corrispondente
allefn( p) più ampio
di
quello
relativo alle9,,(p»,
sempre dianaliticità,
a sinistra della retta stessa.Il metodo di sommazione studiato consente
poi
di enunciare duecriteri,
in corris-pondenza
alle duegeneralizzazioni
sopraindicate,
contenenti condizioni necessariee sufficienti
perchè
laf(p)
sia analitica in unpunto
della retta di convergenza.1. - Sia k>0 e À # 0 una costante
complessa;
perquello
cheseguirà
èopportuno
esporre alcune
proprietà
dellafamiglia
di curve definita nelpiano
della variabileAnnali della Scuola Norm. Sup. - Pisa. 12
complessa dall’equazione
al variare del
parametro
k.Supponiamo dapprima
k=À.= 1. Si constata allora che la curva, simmetricarispetto all’asse x,
consta di dueparti, l1
e s1, che si raccordano nelpunto doppio z=1,
nelquale
le duetangenti
hannoequazione
La
parte 1,
è una lineachiusa, semplice,
chegira
intornoall’origine.
Su diessa il
raggio
vettore z, va decrescendo mentre 0 cresce da 0 a ~c e, per~=o, 2,
c assume
rispettivamente
i valori1, 1,
e eo, dove eo è la radicedell’equazione
trascendente
Siccome il
punto
z=0 è internoa li
e inoltre ilpunto
z=1 è l’unico suopunto angoloso (in
esso le duetangenti
fanno tra di loro unangolo
di2),
chiameremoi ~ due
punti rispettivamente polo
epunto angoloso
della curva.La
parte si
ha inizio nelpunto
z=1 e si estende nelsemipiano x > 1; lungo
diessa Q cresce all’infinito mentre t9 passa dal valore 0 al valore
2.
Supposto
ora nella(1) À=1, k# 1,
si constata facilmente che perk 1
si hanno due rami : uno,kli,
costituito da una curvachiusa, semplice,
chegira
attornoall’origine
ed è interna allalí; l’altro,
ks , estendentesi all’infinito alla destradi sí ;
per
k> 1
si ha invece un sol ramo, kai, esterno a11
ed estendentesi all’infinito alla sinistra di si.Inoltre se è
ki k2,
perk2 1
la lineak~li
risulta interna allak2li e la
k~SI è situata a destra della k2Si; perki
> 1 la k2a1 è a sinistra della klas.Supposto poi
~,=aei~ ~1,
è chiaro che le curvecorrispondenti
siottengono
da
quelle
relative al caso À= 1 mediante una dilatazione di valore a e una rota- zionefl;
inparticolare,
perk=1,
lalinea 1A (corrispondente
allali),
avràl’origine
come
polo
e ilpunto
z=À comepunto angoloso.
Indicheremo infine con
1A, ,
la curva ottenutadalla 4
mediante una trasla-zione zo, avente cioè il
polo
in zo e ilpunto angoloso
inzo +A.
Con ovvio simbo- lismo sipotrebbe
scrivere:2. - Data nel
piano z
la serie dipotenze
araggio
diconvergenza #
0diremo che è sommabile
(S),
se la successione dipolinomi
tende a un valore finito
quando n
aumenta indefinitamente.Indicando con 1=~=0 una costante
complessa
e tracciata nelpiano z
la linea1A,
il campo di validità del metodo di sommazione definito dalla
(3)
èperfettamente
determinato dal
seguente
TEOREMA I. - Se la funzione
f(z)
è analitica neipunti
non esterni alcontorno
1A
si haSe internamente a
1
vi sonopunti singolari (1)
dellaf(z)
ilnon esiste finito.
Se la
f(z)
è analitica internamente a1
ma haqualche singolarità
sulcontorno,
il limite stessopuò
esistere epuò
non esistere.DIMOSTRAZIONE. - Mediante la sostituzione
z=À.’l,
conz=~+ir~, la
linea1A
delpiano
z si trasforma nellali
delpiano
r.Posto
poi
-
si ricava
e
quindi,
per la(3),
dove 7 è una linea
chiusa, semplice, rettificabile,
contenente all’internol’origine
e inoltre tale che i suoi
punti
equelli
interni siano di analiticità per lalp(’l).
(1) Si allude qui ai punti singolari che si incontrano nel prolungamento analitico della serie data a partire dall’origine, ossia a quelli che costituiscono i vertici della stella di MITTAG-LEFFLER.
Dalla
(6),
tenendo conto della formula di STIRLING esupposto
n ~ 1 si ricavadove è
0 ~ 1.
Ne segue, per
q;(’l) - 1,
Ora se la
f(z)
è analitica sulcontorno 1,1
delpiano z
einternamente,
la99(T)
lo sarà per z non esterno al
contorno L1
delpiano
z. Essendo inoltref(~,)=q~(1),
basterà provare, per dimostrare la
prima parte
delteorema,
che èSia 6 >
0 la minima distanza deipunti singolari
dellaqJ(’l)
dalla lineal1,
oppureuna costante
positiva
se lag(z)
è una trascendente intera. FissatoE > 0
formiamoil contorno y di due
parti:
una costituita dalsegmento 12013~j2013!l+~
dove0h~ è scelto in modo che
per r~ ~ ~h sia g ( 1 + iq) - g ( 1 ) ) ’ ;
l’altra costituita da unalinea a,
rettificabile e dilunghezza v,
checongiunge
ilpunto 1 +ih
alpunto
1- ihgirando
attornoall’origine
esternamente al contornoL1,
mantenen-dosi da
questo
a una distanza minoredi ó,
e situata inoltre interamente nelsemipiano R(z) 1 (2).
,Se lVl è il massimo di
quello
di a, si ricavaper n > n~ sufficientemente
grande.
Si ha
poi,
essendo sulla rimanenteparte
delcontorno I
(2)
Nella scelta di questa contorno si può riconoscere l’applicazione del principio su cuisi fonda il « metodo del punto di sella », metodo che è effettivamente applicabile alla dimo-
strazione della (9). Si noti infatti che per z=1 si annulla la derivata di ze~~‘ e che la retta da 1 a 1 + ih è tangente nel punto 1 alla curva
I(,rel-’)
= 0.Ora è
(3)
e
quindi
èpossibile
determinare n2 in modo che per n > n2 siada
cui,
per la(11)
Per n
maggiore
delpiù grande
tra i duenumeri ni
e n2, si ha allorache dimostra la
prima parte
del teorema.Supponiamo
ora che internamente allalinea 1A
delpiano z
esistanosingolarità
della
f(z),
equindi
dellag(z)
internamentealla li
delpiano
z.Considerando allora in
quest’ultimo
le linee~11,
conk 1,
abbiamo che esisteràun
ko 1
tale che la sia analitica sukli
perk ko,
mentre ammetteràqualche singolarità
sullaPrendiamo come
linea y
una linea conkko, e
osserviamo cheposto
siccome è
dw
=0 solo perz=1,
si stabilisce tra ipiani
t e w una corri-spondenza
biunivoca e conforme cheporta
ipunti
interni alcontorno 11
neipunti
interni al cerchio
i w i == 1
in modo che z=0corrisponda
a 2v=o e z=1 a w=1.Inoltre, per ! w ~ 1,
resta definita la z come funzione analitica di w(4).
(3) La dimostrazione è immediata quando si osservi che è -
B 1,1 /
(4) Una forma esplicita di z si può avere dalla formula di
LA ‘GRANGE ;
si ottieneSi ha allora
Ora, posto
la funzione
F(w)
risulta analitica internamente alcerchio
sul contorno delquale
èsingolare
neipunti
disingolarità
della99(-c(w».
Ne segue
e siccome la serie
ha
raggio
di convergenzako 1,
nonpuò
esseree
quindi,
per la(16),
non esiste finito ilSupponiamo
orako =1,
cioè che la sia analitica internamente alla lineah,
ma abbia
qualche singolarità
su diquesta.
In un tal caso la serie
(17)
avràraggio
di convergenza r > 1(il primo
caso00 00
potrà presentarsi
solo per 9quando
laserie ’ .1
o
abbia
raggio
diconvergenza > 1);
ne segue che ilpotrà
esistere epotrà
non esistere(5).
Il teorema è cos
completamente
dimostrato.(5)
Più precisamente, si osservi che presa a piacere la la corrispon-dente è data da
e questa riuscirà regolare entro lí e in generale singolare in qualche punto di l1, se F(w)
ha raggio di convergenza 1. La singolarità su ts sarà anzi certa se F(w) è regolare per w= 1, perchè 1- z(w) è singolare solo per w =1. Formando allora delle tali F(w) in cui An
¥1ï
3. - Osserviamo ora
che,
preso 1= aei¡3 e con ao > a, la lineal~
èinterna alla
l~o ;
dal teorema I segue allorache,
se laf(z)
è analitica internamente alla linea1A,,
diequazione
si ha , cioè la è sommabile
(S).
v
Se allora la
f(z) ha,
alfinito,
il solopunto singolare z,
si deduce che laserie ~
è sommabile(S)
per z interno alla linea soddisfacenteall’equazione
in cui
però
si assume come variabileindipendente Ao,
cioè alla curvawz,
trasfor-mata per
reciprocità
dellalz.
Inoltre per z esterno alla il limkn(z)
non esisten-·oo
finito,
mentrepuò
esistere epuò
non esistere.quando
zappartenga
a(»Z
Nel caso
più generale,
indicando con zr ungenerico punto singolare
dellaf(z),
sia
Ir
l’insieme deipunti
non esterni alla linea eIo l’insieme,
manifestamentechiuso,
formato daipunti
comuni a tuttigli Ir.
Se è un
punto
diIo, può
darsi che sia interno a tutte le lineecoi
oppure
appartenga
aqualcuna
di esse, senzaperò
essere esterno a nessuna. Nelprimo
caso laf(z)
è analitica nel campo chiuso delimitatodalla 1,1
equindi
anchein
quello
delimitato dalla con a > a,purchè
la differenza as -a sia sufficientementepiccola.
Si
può
allora determinarea > 0
in modo che per~~2013~~o
lalinea 1A,
siainterna alla e
quindi
laf(z)
sia analiticasulla 1A,
einternamente;
2’perciò appartiene
adIo
e 1 è un« punto
interno » dell’ insieme.Lo stesso
può
manifestamenteprovarsi
per 1’.Nel secondo caso la
f(z)
è analitica internamentealla lz
equindi
lo è nelcampo chiuso delimitato
dalla 1A,,
cona’ a (l’è perciò
unpunto
internodell’ insieme).
Possiamo
quindi
affermare cheogni punto
diIo
èpunto
di accumulazione dipunti
interni.Siccome l’ insieme stesso è
chiuso,
si ricava allora che è ancheperfetto
e chei suoi
punti
costituiscono un « campo chiuso » che risulta inoltresemplicemente
connesso, come facilmente si dimostra.
presenti casi di convergenza, divergenza, indeterminazione (ciò che è immediato) si hanno
altrettanti esempi per la nostra tesi. Si trova cos , per esempio, che per
kn diverge, oppure converge a zero, rispettivamente.
Sia A il campo
aperto
costituito daipunti
interni diIo
e wo il suo contorno(formato
daipunti
diIo
nonappartenenti
adA, perchè
situati suqualche
linea
pel
teorema I sipuò
asserireche,
se zappartiene ad A,
siha lim
k,,(z) =-- f(z);
se z è su mo il limkn(z) può
esistere epuò
nonesistere;
n-m n-·ao
se z è esterno ad A il limite stesso non esiste finito.
In
particolare appartengono
ad A ipunti
del cerchio di convergenza neiquali
la
f(z)
è analitica.Si
può poi,
tenuto conto del teoremaI,
enunciare ilseguente
CRITERIO I. - Condizione necessaria e sufficiente
perchè
unpunto
del cerchio di convergenza della
f(z)
sia di analiticità per la funzionestessa,
è che esista un valore conao > R, per
cui il limkn(Ào)
esistafinito. In tal caso la
f(z)
è analitica in tutti ipunti
internialla
DIMOSTRAZIONE. - Che la condizione sia sufficiente e cos pure l’ultima
parte
del teorema sono ovvie conseguenze del teorema I.
Proviamo ora che la condizione è necessaria.
Per
questo
osserviamo che se laf(z)
è analiticain 1,
essa è analitica nel campo chiuso delimitatodalla 1A
equindi
anche inquello
delimitato dalla linea1A",
con
ao > R, purchè
la differenzaao-R
sia sufficientementepiccola.
Ne segue,
pel
teoremaI,
4. - Il metodo di sommazione ora studiato si
presenta
in modo naturale nella teoria della trasformazione di LAPLACE.(6).
Supponiamo
che la funzioneF(t),
definita nell’ intervallo 0 t Qo, sia trasfor-mabile e
l’ integrale
mdove è abbia il
semipiano
comesemipiano
di convergenza.Preso un
numero 1,
conR(A) > o,
indichiamo con Pr ipunti singolari (7)
della
f(p)
e tracciamo nelpiano
della variabilecomplessa
p le linee4,p~-~,,
aventi cioè il
polo
inPr - Â
e ilpunto angoloso
in(6)
Per le definizioni e per le poche proprietà di questa trasformazione qui applicaterimandiamo al recente volume di G. DoETSCH : Theorie und Anwendung der Laplace-
Transformation. (Springer, Berlin, 1937).
(7)
Nel caso in cui la f( p) non sia uniforme, siprenda l>
0 ; i punti pr sono quelli che si incontrano prolungando analiticamente la f(p), a partire dal semipiano R(p) > o, lungole parallele all’asse reale; inoltre preso q, con R(q)R(pr) e I(q)=I(pr), la parte di
l)., q-).
che appartiene al semipiano
R( p) > - R(A),
risulta interna> r .
L’insieme dei
punti p
esterni alle curve edappartenenti
al semi-piano R(p) > - R(A)
costituisce un campoaperto semplicemente
connesso, come sipotrebbe
facilmente provare.Indicandolo
con B,
enunciamo ilseguente
TEOREMA II. - Se p
appartiene
al campoB,
si hav
Se p è esterno a B il limite stesso non esiste
finito,
mentrepuò
esisteree
può
non esistere se pappartiene
al contorno di B.DIMOSTRAZIONE. - Essendo
R(p) > - R(2), l’integrale
converge e si ha
Ora la serie
(la quale
è certamenteconvergente per
e vale èsommabile
(S)
per ~===2013~quando
la sia analitica neipunti
non esternialla linea col
polo
cioè in e ilpunto angoloso
in~ro.
In
questa ipotesi
siha,
per le(20)
e(21),
Per determinare ora il campo in cui vale la
(22)
cominciamo col supporre che laabbia,
alfinito,
il solopunto singolare
Poichè
allora,
detto z unpunto qualunque
del campo chiuso la linea racchiude i la(22)
varrà certamentese, oltre essere
~(jp)> 2013~(~
ilpunto ~ro
è distinto dai dettipunti,
cioè p distinto daipunti
ossia esterno alla curva1_ ;
equeste
condizioni defini-scono
appunto
il campo B. Se p è esterno a B si vede subito che ol’ integrale
che dà
fn( p, À)
non converge, o converge, ma il lim1)
non esiste finito.n-m
Se p
cade sul contorno diB,
il limite stessopotrà
esistere oppure non esistere.È
ovvio diqui
ilpassaggio
al casogenerale
equindi
la dimostrazionecompleta
del teorema.
5. - Osserviamo ora
che,
indicato con pr unpunto singolare
dellaf(p),
letangenti
alla nelpunto angoloso
par fanno tra di loro unangolo
di2.
Nesegue che, posto appartengono
certamente all’ insieme B ipunti
di anali-i
ticità della
f(p)
situati sulla retta di convergenza,quando
sia- 4 g 4 ,
Per essi verrà
perciò
la(22).
Si
può poi, analogamente
aquanto
si è fatto per la serie dipotenze,
enunciareil
seguente
CRITERIO II. - Condizione necessaria e sufficiente
perchè
ilpunto p=ivo
della retta di convergenza sia un
punto
di analiticità per laf(p)
èche,
preso con -
4,
si possa determinare un ycumero a, con0 a 1,
in modo che il lim
1)
esista finito per In un tal caso laf(p)
n-iao
è analitica internamente alla linea
l_a~,r+~ .
DIMOSTRAZIONE. - La condizione è necessaria. Infatti se la
f(p)
è analiticain
ivo
ed è ilpunto p=ivo appartiene
al campoaperto
B.Esiste allora certamente un numero
0 a 1
tale che la funzione stessa sia anali- tica all’interno e sul contorno della linea colpolo
inivo
+(1- a)l
e il
punto angoloso
inivo - al.
Ne segue,pel
teoremaI, l’esistenza
del limfn(p, 1),
per
p=ivo-al.
n-coLa condizione è sufficiente. Infatti se esiste finito il lim la
f(p)
n-c2
è analitica internamente alla linea
l-A, iv~+(,-,,».
equindi,
inparticolare,
nelpunto
L’ ultima
parte
del teorema è evidente.6. -
Supposto A> 0,
indichiamo congn(P, 1) l’integrale
Come conseguenza del teorema II
possiamo
allora dimostrare ilseguente
TEOREMA III. - Se ha
per p esterno a tutte le linee
DIMOSTRAZIONE. -
Basterà, pel
teoremaII,
provareche,
se p soddisfa allacondizione , si ha
Per
questo
osserviamoche posto
a=u + À >2A ei"tF(t) =q«t)
+igz(t),
le fun-Per
questo
osserviamo cheposto o=u+A> 2013,
e le fun-zioni reali
9’i(t)
e9’2(t)
sono tali(per
la trasformabilità nelsemipiano R(p) >0) che,
presoa>0, sia,
per e per un dato v,v
dove k,,
è una costantedipendente
da a.Dimostriamo ora che si ha
Per
u>0
osserviamo che èil massimo avendo
luogo
pern+À.t=n,
cioè ~=0.Preso ~ > ~
si ricava allorapel
secondo teorema della mediadove
Ne segue
cioè per
u > 0
la(26)
è verificata.Supposto
orapreso $ > J ,
consideriamo1’ integrale
e osserviamo che si ha
il massimo avendosi per
I
e sarà a secondaNel nostro caso sarà
perciò
equindi, pel
secondo teorema dellamedia,
la
(27) diventa,
dove
Preso
poi 0Ó1
siha, pel
secondo teorema dellamedia,
con
~i~3~8.
Ne segue
e
quindi,
tenuto conto della(28),
Ora
è,
peripotesi,
equindi
Possiamo
poi prendere ó > 0
cospiccolo
che sia anche2 B
e
perciò
anche per la(26)
èprovata.
e /
Allo stesso modo si
procede
per lalp2(t)
equindi
il teorema ècompleta-
mente dimostrato.
Osserviamo ora
che,
per essere ipunti
di analiticità dellaf(p)
situatisulla retta di convergenza sono manifestamente esterni a tutte le linee
~~-A ~
per essi sarà
perciò
Si
può
infine enunciare ilseguente
CRITERIO III. - Condizione necessaria e sufficiente
perchè
laf(p)
siaanalitica nel
punto
p=ivo
della retta di convergenza èche,
preso~, > 0,
esistaun numero a, con
0 a 1- 2
e in modo che iL limgn(p,l)
esista finiton--. o0
p er In un tal caso la
f(p)
è analitica internamente alla lineaLa dimostrazione scende senz’altro dal criterio Il
quando
si osserviche,
essendo
0 ,a 1 - 2
e si hae
perciò
i due limitio non esistono
finiti,
oppure, seesistono,
hanno lo stesso valore.OSSERVAZIONE. - Per le finalità della ricerca ci siamo limitati nel n.° 2 allo studio della sommazione
(S)
della serie dipotenze
neipunti
dianaliticità ;
masi
potrebbe
considerarepiù
ingenerale
un metodo(S)
per le serie nume-00
riche definito da lim
kn(1).
Per esso si verifica la consuetaproprietà
o M2013"oo
della « permanenza », che non risulta
completamente
dalla nostra trattazione.È poi
notevole il fatto che il metodo considerato rientra nei metodigenerali
definiti da T. H. GRONWALL
(8)
e recentementeripresi
e accuratamente studiati da C. BIRINDELLI(9).
Si dimostra infatti che il metodo(S) equivale
al metodo(f, g)
di GRONWALL dove laz=f(w)
èquel
ramo della funzione di 2u definita da che si riduce a 0 perw=O,
ed èg(w)= z*
1-z’Valendosi dei risultati del BIRINDELLI si
potrebbe
ritrovare il teoremaI, però
limitatamente alla sua
prima parte.
(8) T. H. GRONWALL : Summation of series and conformal mapping. (Annals of Mathe- matics, 2d series, vol. 33, 1932).
(9) C. BIRINDELLI : Contributo all’analisi dei metodi di sommazione di Gronwall. (Rend.
Circolo Mat. di Palermo, t. LXI, (1937), pp. 157, 176).