A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
V INICIO V ILLANI
Su una classe di domini di olomorfia approssimabili dall’esterno
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 14, n
o4 (1960), p. 349-361
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APPROSSIMABILI DALL’ESTERNO
VINICIO VILLANI
(Pisa)
’
Introduzione.
°
È
notoogni. dominio
dí olomorfiaD,
contenuto inCI, può
essereapprossimato
dall’interno mediantepoliedri analitici,
contenuti come insiemirelativamente
compatti
il D. Viceversa esistono in C" dei domini di olo- morfia(ancbe limitati),
che non possono essereapprossimati
dall’esterno me-diante
poliedri analitici (1)
contenenti D comie sottoinsieme relativamente com-patto.
Proveremo tuttavia che inproposito
sussiste il ’TEOREMA 1. - Se D é un dominio di
olomorfia limitato,
contenuto inG’n,
ilquale gode
delle dueproprietà seguenti :
(a)
lafrontiera 8P
di D édifferenziabile
di classe almenoC3 ; (b)
D éfortemente pseudoeonvesso ;
allora D
può
essereapprossimato
dall’esterno mediante una successione di_poliedri
analitici definiti relativamente ad uno stesso dominioA, dipen-
dente da
j.
La dimostrazione che di
questo
teorema noi daremonel §
1 consiste sostanzialmente nel far vedere che nelle detteipotesi
sipuò prendere
come dominio A l’insiemeIe (D)
deipunti
di Cn la cui distanza reale da D è in- feriore a e, e essendo un numeropositivo opportunamente piccolo.
Nel cor-so della dimostrazione proveremo che per
ogni
valore di e nonsuperiore
adun certo eo
> 0,
l’insiemeIe (-D)
è un doiminio diolo orfia,
di cui DU
8-Dè sottoinsieme
compatto,
olomorficamente convesso.Questo
risultato èutile,
oltre che nella dimostrazione del
teorema J ,
anche per provare che D edIe (D)
costituiscono unacoppia
diRunge ;
in altreparole,
ne dedurremo ilTEOREMA 2. - Se D é un dominio di
olomorfia limitato,
contenuto inCn, soddisfacente
alleipotesi (a)
e(b)
del teorema1,
alloraogni funzione
olo-(1)
Anzi, neppure mediante domini di olomorfia qualunque.morfa
su.D é limiteuniforme
s2c ciascunsottoinsieme compatto
diD,
di unasuccessione di
funzioni olomorfe
su tuttoIe (D),
e essendo numeropositivo, opportunamente piccolo.
Il 1
s’inquacira
Belseguente più generale problema :
sia datouu domiuio limitato A C
C’~ ;
si supponga che il suoinviluppo
di olomorfiaH(A)
sia anch’esso contenuto inCn;
dato un dominio di olomorfiaA,
di cuiA è sottoinsieme relativamente compatto, si confronti
l’inviluppo
olonioifi-camente convesso
Aa
diA,
relativamente a4,
nonl’itiviluppo H (A).
Si ha sempre
però
non é detto che esistaqualche A,
per cui si ha la coincidenza(d opportuno).
Questa
osservazione fa vedere diintrodurre,
incorrispon-
denza ad A e a
A,
una nuova nozione diinviluppo,
che diremoinviluppo geometrico di
A e che denoteremo con G(A, A),
in modoche sia
(A opportuno),
per una classe di domini
A,
laquale
èpiù ampia
della classe dei domini per iquali
vale la(1).
Daremo di G
(A,
A) la definiz oneseguente :
G(A, A)
é ilpiÙ grande
deidomini G di
C’i,
checontengono A,
e chegodono
della_proprietà
cheogni
in-sieme analitico di dimensione
n - 1, definito
ind,
che ha intersezione non vuota conG,
ha intersezione non vuota anche con A.Il §
2 è dedicato alla dimostrazione di alcuneproprietà degli inviluppi geometrici,
riassunte brevemente nel’
TEORFMA 3. - Sia A un dominio limitato di
C’z; fissato
un dominiodi
olomorfia A,
di cui A é sottoinsieme relativamentecompatto,
si consideril’inviluppó geo1netrico
G(A, d) ;
risulta :I) G (A, d) C Ae ;
II)
G(A, A)
é un dominio diolomorfia.
,Se
l’inviluppo
di olomorfiaH(A)
è anch’esso contenuto iucn,
5 comeimmediato corollario del teorema 3 si ottiene la
doppia
inclusioneL’introduzione di G
(A, J) apporta quindi
umiglioramento rispetto
allanozione di
inviluppo
olomorficatneute convesso per ciò che concernel’appros-
simabilità
dall’estenno,
equesto miglioramento
èeffettivo,
inquanto
si dan-no
esempi
di dominiA,
incorrispondenza
aiquali
esiste un dominio di.
olomorfia
A,
tale che G(A, J)
=H (A),
puressendo,
perogni A,
H(A).
Altri
semplici esempi
fanno tuttavia vedere elie esistono anche dei do- miniA,
per iquali
non èpossibile
trovare alcun dominio di olomorfia4,
soddisfacente a
Il §
3 è dedicato all’esame di taliesempi.
Durante la
preparazione
del lavoro mi sono state di aiuto le discus- sioni avute con ipartecipanti
al seminario sulla teoria delle funzioni anali-tiche,
tenuto a Pisa nell’anno 1959=60._
§
1. - Nellospazio
di coordinatecomplesse z1 ,...,zn
i si conside-rino le due
metriche,
definiterispettivamente
dalla distanzacomplessa (vale
a dire del massimo
moàuZo) :
e dalla distanza reale :
È
immediato verificare che si ha sempree .che si ha
Fuguaglianza
allora e solo che tutte le
differenze ~(~)2013~(~))(~==1~...~)
sono traloro
uguali.
Dato un dominio D
(=
insiemeaperto
econnesso)
diCn,
denotiamocon Q la totalità delle funzioni olomorfe su tutto D. Per
ogni
sottoinsieme relativamentecompatto K
diD,
si definiscel’inviluppo olomorficamente
con-vesso di
K, rispetto
a D :per
ogni
Si ha sempre
KC ÀD :
se K == K si diceolomor ficacmente
convesso ri-spetto
a D. "È
ben nota laseguente
caratterizzazione dei domini di olomorfla:PROPOSIZIONE 1. - Un dominio
D,
contenuto inCn,
é dominio di olo-morfia (di
unaopportuna funzione)
se e solo se perogni
sottoinsiemecompatto
K di D si ha
Per la
dimostrazione,
cfr. ad es.[1],
exp. 8.OSSERVAZIONE 1. - Per essere certi che D sia dominio di
olomorfia,
non occorre verificare
(5),
ma basta verificare che perogni
sottoinsieme com-patto
K diD,
ancheKD
é sottoinsiemecompatto
di D.Ora faremo vedere che l’enunciato della
proposizione
1 resta vero an-che ove la distanza che compare in
(5)
siad~
invece chedc,
cioè provere-mo la
PROPOSIZIONE 2. - Un dominio
D,
contenuto inCn,
é dominio di olo-morfia (di
i unaopportuna funzione)
se e solo se perogni
sottoinsiemecompatto
K di D si ha
DIMOSTRAzIONE : Facciamo vedere in
primo luogo
che se D è un do-minio di
olomorfia,
allora la(6)
è necessariamente verificata perogni
sotto-insieme
compatto
g di I).Ragioniamo
per assurdo: esistadunque
un sottoinsiemecompatto
K diD,
pHr cui non sia verificata la(6).
Ciòsignifica
che esistono almeno unpunto
po EKD
ed unpunto
qo EaD,
tali i cheCon un cambiamento di coordinate
complesse,
ilquale
lasci invariata la fun- zione distanzadR (ad
es. mediante unaopportuna
rotazione intorno al pun- topo)
sipuò
fare in modo che tutte ledifferenze |zk (qo) (Po) (k = 1,...,n)
siano tra loro
uguali.
Poichè la nozione di dominio di olonorna è
indipendente
dal sistema di coordinatecomplesse scelto,
anche nel nuovo sistema di coordinate sipuò applicare
al dominio di olomorfia D laproposizione 1,
equindi
saràcerto
La
(3), applicata
a tutte lecoppie
dipunti
p EK, q
EaD,
assicura cheInfine si osservi che la trasformazione di coordinate è stata scelta
proprio
in modo che per lacoppia’
dipunti
Po, qovalga
la(4).
Da
quanto
si è detto risultadunque :
oioè
che contraddice
all’ipotesi (7).
Per provare
che, viceversa,
se la(6)
è verificata perogni
sottoinsiemecompatto K
di.D,
allora D è dominio diolomorfia,
bastaapplicare
l’osser-vazione 1. Con ciò la
proposizione
2 ècompletamente
dimostrata.Ricordiamo ancora alcune definizioni :
Per
poliedro
analitico relativo al dominio d(che
non èsupposto
neces- sariamente dominio diolomorfia)
intendiamo un sottoinsieme relativamentecompatto P
diA,
che possa esseredefinito
come 1’insieme deipunti z E LI,
soddisfacenti a
dove fi , ... , fs
sono un numero finito difunzioni,
olonorfe su tutto d.La nozione di
pseudoconvessità
allaquale
ciriferiremo, generalizzazione
a C" della
pseudoconvessità
introdotta da E. E. Levi per i domini di C2(cfr. [3], rispettivamente [4J)
è laseguente:
un dominioD,
contenuto comesottvinxieine relativamente
compatto
inC",
si diràpseudoconvesso
se in cor-rispondenza
adogni punto
esiste un iutoruoU(xo)
ed una funzione(Py a valori
reali,
differenziabile di classe almeno02 ,
definita suU(xo),
taleche
per
ogni
vettoresoddisfacente alla relazione dominio D si dirà
fortemente
pseudoconvesso
se nellacondizione 3)
sipuò
sostituire .L > 0 con .L(cp) >
0 perogni
vettore non nullo soddisfacente alla relazioneSe la frontiera 2P di D è differenziabile di classe
C3 ,
anche le funzioni cp si possonoscegliere differenziabili
di classeC3.
Poniamo .
Sussiste il ,
LEMMA 1. - Se D è un dominio di
soddisfacente
alleipotesi
del
teorema 1, Ie ( 1))
èfortemente pseudoconvesso
per tutti i valori di Lo, op-portunamente piccoli.
DIMOSTRAZIONI :
La distanzadR (p,p)
tra dnepunti p
EaD, p E aIe (D)
è sempre
maggiore
ouguale a
Q e,purcbè
e sia abbastanzapiccolo,
é allora e solo chep
si trova sulla normaleesterna,
condotta aaD
per p.Pertanto,
se in un intorno U di p ipunti
cheappartengono
a D sono ca-ratterizzati localmente da
in un intorno
U
di j? ipnnti
cheappartengono
adIe (D)
saranno caratte-rizzati localmente da
dove
nx essendo la normale
esterna,,
condotta a éD per x, ofix essendo
ilpunto
avente da X distanza (2, nella direzione di A
questo punto
sarà utile fare la,seguente
OSSERVAZIONE 2. - Se cp
(x, (o)
è unafunzione
avalori reali, differen-
ziabile di classe almeno 02 nel
complesso
delle coordinate delpunto
x E Cn enel
parametro
reale (2, e se per (2 = 0 siha,
nelpunto
xo :.
esistono un intorno M di xo ed un intorno N di e =
0,
tali che perogni fis-
sato
e E
N sia L(q~ (x, e)) >
0 i7z tutti i x E M.Ritornando alla dimostrazione del lemi a
1,
si notiche,
inquanto
aD è
compatto,
sipuò scègliere
unvalore g > 0,
in modo tale che l’osser- vazione 2 siaapplicabile ad ogni punto
p EaD,
relativamente al fissato va-lore di e
(indipendente
dalpunto p).
Ciò prova il lemma 1.Poichè i domini
(fortemente) psendoconvessi
di Cn sono tutti domini diolomorfia,
dal lemma 1 segue il ILEMMA 2. 1) é un dominio di
olo1norfia soddisfacente
alleipotesi
del
Ie (D)
é un di i>er tutti i valori di (o, op-portunamente piccoli.
Proviamo ulteriormente il
LEMMA 3. -
D u
nelle detteipotesi,
un sottoinsie1necompotto,
olo-morficamente
convesso diIe (D).
,DIMOSTRAZIONE : Per costruzione i
punti
di 97) hanno tutti In stessa distanza dalla frontiera diIe ( I)) ;
se esistesse unpunto
del-l’inviluppo
convesso di fuori di iD u aD,
talepunto
verrebbe adavere da
(D)
distHHza reale inferiore a o ; ora ciò nonpuò accadere,
inquanto
è dominio di olomorfia(cfr.
lemma2)
equindi
perD U aD
edeve valere la
proposizione
2.Passiamo ora a dare la dimostrazione del teorema 1.
Sia Po l’estremo
superiore
dei valori per iquali
vale il lemma 3.Faremo vedere che è
possibile scegliere
come dominio d unoqualunque
deidomini
Ie (D), purchè
sia e Costruiamo infatti una successione(non crescente)
dipoliedri
definiti relativamente adI~ (D)~
iquali approssimano
Ddall’esterno,
vale a dire sotio tali che1)
D è un sottoinsieme relativamentecompatto
di ciascunPj ;
2)
JEZfi P,
J3)
Perogni pui to
x E éD si ha i~~f = 0.jEz
A tal fine consideriamo un
numero e’
conpreso tra o eFissiamo
poi
una successione di numeripositivi,
decrescenti e tendenti a 0 :indichiamo con l’iusieme
(chinso)
Il lemma 3 assicura cbe D U sottoinsieme olomorficamente con- vesso di
IP~ (D)
equindi,
fissato comunque unpunto xo
ES (O~
deve esi-stere una funzione
f,
olonaorfa su tutto1,, (D),
tale cbe siaEsisterà
dunque
anche tutto un intornoUo
3 xo, y tale cheMoltiplicando,
senecessario,
lafunzione f
perun’ opportuna costaiite, si può
supporre che sia
Poichè
questo ragionamento
sipuò
fare relativamente u ciascunpunto xt
di
S (o~ ej),
si viene a defiuire cos unricoprimeuto aperto Ut ~~ ~
diIn
quanto 8 (~O~ ej)
ècompatto,
sipuò ricoprire 8 (Q, Loj)
mediante un numerofinito di
aperti
1 :, I.*,
di tale
ricoprimento.
Si considerino lecorrispondenti
funzionie si definisca
É
chiaro che ciascun è sottoinsieme relativamentecompatto
diIe (D),
equimli è
unpoliedro analitico,
definito relativamente adIe (D); inoltre,
percostruzione, l3
è tutto contenuto inIej (D)
e contiene Poichèliiii (lj
= 0,
lasuccessione {Pj}
soddisfa a tutte le condizionirichieste,
equindi
il teorema 1 è dimostrato.Si osservi che l’unica
proprietà
a cui non è detto che la successionesoddisfi,
èquella,
di essere una successione non crescente. Ma ove in- teressi anchequest’ultima proprietà,
basta evidentemente sostituire la suc-cessione di
poliedri
analiticicon la successione
Dimostriamo il teorema 2. Il lemma 3 assicura che U aD è olomorfi- camente convesso
rispetto
adJp (D),
equindi,
preso unqualunque
insieme1
compatto
g diD, l’inviluppo
olomorficamente convesso di .K relativamente adIe (D)
è ancora un sottoinsiemecompatto
di D.Questa proprietà
garan- tisce che D eI, (D)
costituiscono unacoppia
diRunge (teorema
di Behnke-Steip
cfr.[5],
pag.39)
equindi
il teorema 2 resta dimostrato.OSSERVAZIUNE 3. - Il teorema 2
può
.essere dedotto anche dal lemma2,
senzabisogno
di ricorrere al lemma 3. Infatti i dominiI, (D)
costitui-scono, per p variabile tra 0 e pò una schie1’a continua di domini di olomor- fia
(cfr. [2],
def.20)
equindi
a D e aI, (D)
èapplicabile
il teorema 17 di121,
che assicuraprecisamente
la validità del nostro teorema 2.§
2. - Siano dati uo dominio limitata A C Cn ed un dominio di olo- morfia L1 contenente A come sottoinsieme relativamentecompatto.
ConG
indichiamo la totalità dei dominiG,
contenuti in L1 egodenti
delle dueproprietà :
(a)
A(b)
Sef
è una funzione olomorfa su tutto L1 e sesi ha anche
esiste un elemento massimo : esso è il dominio che si
ottiene come riunione di tutti i domini
Hppartenenti
ag.
Come si ègià
detto
nell’introduzione,
tale elemento massimo si denoterà con il simboloG(A, )e
si chiameràl’inviluppo geometrico ài
A relativamente a J.Diamo ora la dimostrazione del teorema 3:
I)
G(A, J)
cInfatti
9 se esistesse unpunto xo
E G -in
corrispondenza
ad xo dovrebbe esistere una funzionef,
olomorfa su tuttoJ
y e tale cheMa allora la funzione
F(x) = f (x) - j(s),
olomorfa su tuttoJ
2 si annul- lerebbe nelpunto xo E parte F (x)
non si annullerebbe in alcunpunto
di A. Ciò èincompatibile
con la dennizione diinviluppo
geo- metrico. Ne segueappunto
-
OSSERVAZIONE 4. - Poichè sottoinsieme relativamente
compa,tto
di
d
coure immediata conseguenza di(8)
risulta che anchel’inviluppo
geo-metrico
G(A, d)
è sempre contenuto in A sottoinsieme relativamentecompatto.
4. Annali della Scuola Pisa.
It) G (A, LI) è
un dominio diolomorfia.
Perprovarlo,
basta far vedere che incorrispondenza
adogni punto
xo della frontiera di esisteuna funzione olomorfa su tutto G
(A, J)
laquale
ha unasingolarità
essen-ziale in xo . Si osservi che in
corrispondenza
ad xo esiste certo alneno unasuccessione di
ipersuperficie,
definite in 4(Lj
=luogo
di zeri di unaopportuna
funzionefj
olomorfa su tuttoJ)y
per cui sono verificate le dueproprietà :
Pertanto la dimostrazione è ricondotta a ’far vedere che vale il 1 LEMMA 4. - Siano
H,
d due àonzicci diCn,
con H sottoinsieme relati- vamentecompatto
di d. Sia xo unpunto
diaH,
incorrispondenza
alquale
esiste una successione {Li} di
ipersuperficie
di LI:godente
delle dueproprietà seg.1tenti:
In
queste ipotesi
esiste uity, su tuttoH,
laquale
hauna,
singolarità
essenziale in xo.DIMOSTRAZIONE : Sia
K,
CK2
CK3 ...
una successione di iusiemi com-patti,
cdntenuti inH,
tale cheUj Kj
= H. Perog.ni ,j
sia m = 111(j)
ilpiù piccolo
indice per cuiSu
ogni ipersuperficie .Lm
si fissipoi
unpunto
tale che siaA
partire
dalle funzionifm
definiscono leipersuperficie Lm
definiamouna nuova successione di funzioni
ponendo
Esiste un
,dominio A
CA,
di cui H è sottoinsieme relativamente com-patto~
tale che da un certojo
inpoi
tutte le funzioni sono definite su A. Eventualmentesostituendo j con j - jo
9possiamo
supporre che perogni
j >
0 lefunzioni gj
siano definite su tutto A.Sia
Alj
illuogo degli
zeridi gj :
È
ovvio verificare cheProviamo che si ha
Infatti,
se esistesse unpunto
da si dedurrebbe z = y --
($0
- EH;
i du y EMj
si dedurrebbe,z) (z)
= gj(y)
=0 ;
i ciò rappre- senta unacovtraddizione, poichè
peripotesi fm
non si annulla in alcunpunto
di H.Si ponga
da
quanto
si èvisto, risulta pj =)=
0. Perogui j
si defiiiisca su ~1 la funzioneSi ottiene cos una
successione
difunzioni 1 Tfj ,
tntte definitesu A,
tale che:In virtù di
i)
èpossibile scegliere
una successione(zji
dipunti
diH,
con
lim z;
= xo , 9 in modo che sia , ,Poniamo ej
=Pj
e consideriamo ilprodotto
infinitoQuesto prodotto>
infinito convergeuuiformemente
su ciascun equindi rappresenta
una funzione olomorfaf
su tuttog;
y la funzionef
non è iden-ticamente nulla. Nei
punti zj
la funzionef
si annulla di ordine> j.
Ciòassicura
che xo è
unpunto singolare
essenzialeper f.
Conquesto
il lemma4 risulta dimostrato.
§
3. -I).
Si consideri inC2
il dominioPer
ogni
dominio di olomorfia L1 diC2,
che contiene 1) come sottoinsie-~~~e relativamente
comnpatto,
si hae
quindi
mentre è
Si osservi che in
questo
caso si haproprio
II).
Si considerino incorrispondenza
ad unparamtro (0 [ , C 1 )
i domini
D
diC2,
9 definiti comeprodotti
cartesiani1)
=D’ ;1
X dei duedomini di
C’
Poniamo
poi
A
è un insieme analitico di che perogai
valore è riduci-bile,
inquanto
risulta costituito dai dueinsieme,
chiusi inD :
Quindi
ad es. il dominioquanto
è ottenutotogliendo l’ipersu- perficie Alí
al dominio di olomorfia1),
esso stesso un dominio di olo-morfia
(per ogni
valoredi Al
O1).
Se A
1 ,
pur discegliere
4opportunamente piccolo,
l’insieme analitico 4 fl((z, w)
EC2 ; x
=w~
è ancorariducibile,
equindi
si verifica cheper il
valore Â. = 1,
si ègià
visto che è sempre un dominio diolomorfia,
equindi
si hama ora, comunque si
scelga Al
l’insieme analiticod (1 ((z, w)
EC2 ; z
=w
è ;connesso, e
poichè
ciò basta ad assicurarnel’irriducibilità,
risultaSi noti che per
ogni 0 ~, 1, l’inviluppo
olomorficamente convesso di_1) --
5rispetto
ad unqualunque
dominioL1,
è sempre tutto-D.
Il caso = 1 di
questo esempio
fadunque
vedere che esistono deidomini per i
quali l’inviluppo
di olomorfia nonpuò
coincidere con l’invi-Inppo geonietrico,
bens vi è sempre contenutopropriamente.
BIBLIOGRAFIA
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H. CARTAN: Séruinaire Ecole Normale Snpérieure, 1951-52.[2] F. DOCQUIER-H. GRAUERT: Levisches Problem und Rungescher Satz für Teilgebiole Stein- scher Mannigfaltigkeiten. Math. Aniialeii 140 (1960) pagg. 94-123.
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