Maaßsche Wellenformen Bearbeiten

Allgemeines Bearbeiten

Die Gruppe   operiert auf der oberen Halbebene   durch   wobei   Für festes   ist die Abbildung   ein Diffeomorphismus. Damit operiert   auch auf   durch  .

Definition des hyperbolischen Laplace Operators Bearbeiten

Der hyperbolische Laplace Operator auf   wird definiert durch


  ,

 


Definition einer Maaßschen Wellenform Bearbeiten

Eine Maaßsche Wellenform zur Gruppe   ist eine glatte Funktion   auf   so dass

 

  für ein  

  es existiert ein   mit   für  

Gilt außerdem

 

dann nennen wir   Maaß-Spitzenform.

Zusammenhang von Maaßschen Wellenformen und Dirichletreihen Bearbeiten

Sei nun   eine Maaßsche Wellenform. Dann gilt wegen   . Damit hat   eine Fourier-Entwicklung der Gestalt   , wobei die Koeffizientenfunktionen glatt sind.

Wir beobachten außerdem :   ist eine Maaß-Spitzenform genau dann wenn  , denn

 

 

 

 

wobei in (1) benutzt wurde, dass die Reihe   für festes   lokal gleichmäßig konvergiert.

Lemma : Fourierkoeffizienten einer Maaßschen Wellenform Bearbeiten

Sei   der Eigenwert der Maaßschen Wellenform f bezüglich  . Sei   die bis aufs Vorzeichen eindeutige komplexe Zahl mit  . Sei   die K-Besselfunktion. Dann gilt für die Fourierkoeffizientenfunktionen von  

 

falls  . Ist   so gilt

  mit   .

Beweis : Es gilt  . Nach der Definition von Fourierkoeffizienten gilt für  

 

Zusammen folgt für  

   

 

 

 

 

 

In (1) wurde für den ersten Summanden benutzt, dass der n-te Fourierkoeffizient von   genau   ist, da wir Fourierreihen gliedweise differenzieren dürfen. Im zweiten Summanden wurde die Reihenfolge von Integration und Differentiation geändert, was erlaubt ist, da f beliebig oft stetig differenzierbar nach y ist und man über ein Kompaktum integriert. Es ergibt sich folgende lineare Differentialgleichung zweiter Ordnung

 

Für   kann man zeigen, dass für jede Lösung   dieser Differentialgleichung eindeutige Koeffizienten   existieren so dass gilt   .

Für   ist jede Lösung   der obigen Differentialgleichung von der Form   für eindeutige  , wobei   die K-Besselfunktion und   die I-Besselfunktionen ist (Siehe dazu zum Beispiel O.Forster : Analysis 2). Da die I-Besselfunktion exponentiell wächst und die K-Besselfunktion exponentiell fällt, folgt mit der Forderung 3) des höchstens polynomialen Wachstums von     (also  ) für ein eindeutiges  


Satz : L-Funktion einer Maaßschen Wellenform Bearbeiten

Sei   eine Maaß-Spitzenform. Wir definieren die sogenannte L-Funktion von   als

  .

Dann konvergiert die Reihe   für   und man kann sie zu einer ganzen Funktion auf   fortsetzen.

Ist f gerade oder ungerade so definiert man

 

wobei   falls   gerade und   falls   ungerade ist. Dann erfüllt   die Funktionalgleichung

  .

Beweis:

Sei f eine Maaß-Spitzenform. Zuerst machen wir uns klar wie schnell die Fourierkoeffizienten von f wachsen.

Behauptung: Es gilt  

Beweis: Da f eine Maas-Spitzenform ist, existieren   so dass für   die Ungleichung   gilt. Ist   , und ist   konjugiert zu   modulo   so rechnet man leicht nach, dass   gilt. Da f invariant unter   ist, gilt für   :  . Also gilt für   die Abschätzung

 .

Für   und   gilt damit

 .

Damit finden wir eine Konstante   so dass für jedes   gilt

 .

Nun fällt die K-Besselfunktion aber exponentiell schnell und f ist eine Maas-Spitzenform. Zusammen folgt, dass f auf   beschränkt ist und damit auf  . Damit können wir den obigen Beweis mit   wiederholen und erhalten   für ein   also  .


Um den Satz zu beweisen brauchen wir noch die Mellin-Transformierte von  .

Behauptung: Für   konvergiert das Integral

 

absolut und es gilt

  .

Beweis: Nach Definition gilt

 

Wir wenden nun die Transformationsformel auf den Diffeomorphismus

 

 

an. Wir erhalten   und  . Das Jacobi-Matrix ergibt sich als

 

mit Determinante  . Benutzt man nun die Transformationsformel vereinfacht sich obiges Integral zu

 

und dieses konvergiert absolut für  .

Nun zum Beweis des Satzes. Ist f gerade oder ungerade folgt aus der Eindeutigkeit der Fourierkoeffizienten   für alle  . Sei f zuerst gerade. Dann gilt

   

 

 

 

 

 

Das vertauschen der Reihenfolge von Integral und Summe zeigt man zum Beispiel mit majorisierter Konvergenz, wobei man ausnutzt, dass für die K-Besselfunktion für   gilt :  . Ebenso zeigt man dass   für   exponentiell fällt.

Wir definieren nun

  ,

 .

Damit gilt  . Da   exponentiell fällt für  , konvergiert   für jedes   und damit ist   eine ganze Funktion (Komplexe Analysis). Nun ist   aber invariant unter   womit insbesondere   folgt.

Wir erhalten nun

 

 

 

 .

Damit ist auch   eine ganze Funktion und damit ist   ganz. Insbesondere kann man damit   zu einer ganzen Funktion auf   fortsetzen. Weiterhin gilt für   die Funktionalgleichung

  .

Wenn f ungerade ist, definiert man

  .

Dann rechnet man analog zu oben

 

indem man wieder benutzt, dass die K-Besselfunktion exponential fällt. Wir definieren wieder

  ,

  .

Auch   fällt exponentiell für  . Damit ist auch   wieder eine ganze Funktion. Man rechnet leicht nach, dass gilt  . Damit folgt mit einer analogen Rechnung  . Damit ist   auch im ungeraden Fall ganz und der Satz ist bewiesen. .


Beispiel : Die nichtholomorphe Eisensteinreihe Bearbeiten

Die nichtholomorphe Eisenstein-Reihe wird für   und   definiert durch

 

wobei   die Gammafunktion ist.

Dann ist E(z,s) eine Maaßsche Wellenform. Einen Beweis dazu findet man zum Beispiel im Buch Automorphe Formen von Anton Deitmar.

Quellen Bearbeiten

1) Anton Deitmar, Automorphe Formen S.52-74