Mittag-Leffler's theorem

Mittag-Leffler's theorem

In complex analysis, Mittag-Leffler's theorem concerns the existence of meromorphic functions with prescribed poles. It is sister to the Weierstrass factorization theorem, which asserts existence of holomorphic functions with prescribed zeros. It is named after Gösta Mittag-Leffler.

Contents

Theorem

Let D be an open set in \mathbb C and E \subset D a closed discrete subset. For each a in E, let pa(z) be a polynomial in 1 / (za). There is a meromorphic function f on D such that for each a \in E, f(z) − pa(z) is holomorphic at a. In particular, the principal part of f at a is pa(z).

One possible method of proof is as follows. Notice that if E is finite, it suffices to take  f(z) = \sum_{a \in E} p_a(z). If E is not finite, consider the finite sum  S_F(z) = \sum_{a \in F} p_a(z) where F is a finite subset of E. Use Runge's theorem to construct a rational function RF(z) approximating SF(z). As E is exhausted by the finite sets F, the approximations RF(z) will approach a limit, which is the desired meromorphic function f.

Example

Suppose that we desire a meromorphic function with simple poles of residue 1 at all positive integers. With notation as above, letting pk = 1 / (zk) and E = \mathbb{Z}^+, Mittag-Leffler's theorem asserts (non-constructively) the existence of a meromorphic function f with principal part pk(z) at z = k for each positive integer k. This f has the desired properties. More constructively we can let f(z) = z\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{k(z-k)} . This series converges normally on  \mathbb{C} (as can be shown using the M-test) to a meromorphic function with the desired properties.

See also

References

  • Ahlfors, Lars (1953), Complex analysis (3rd ed.), McGraw Hill (published 1979), ISBN 0-07-000657-1 .
  • Conway, John B. (1978), Functions of One Complex Variable I (2nd ed.), Springer-Verlag, ISBN 0-387-90328-3 .

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