Formal calculus MOC

Formal delta

The formal delta over a field ๐•‚ is the Laurent series1 #m/def/fcalc

๐›ฟ(๐‘ง)=โˆ‘๐‘›โˆˆโ„ค๐‘ง๐‘›โˆˆ๐•‚[[๐‘ง,๐‘งโˆ’1]]

given by the Fourier series expansion of the Dirac delta.

Properties

Let ๐‘‰ be a vector space over ๐•‚. Let ๐‘ฃ(๐‘ง) โˆˆ๐‘‰[๐‘ง,๐‘งโˆ’1] and ๐‘Ž โˆˆ๐•‚ร—. Finally let ๐‘(๐‘ง) โˆˆ๐•‚[๐‘ง,๐‘งโˆ’1] and ๐‘‡ =๐‘‡๐‘(๐‘ง) =๐‘(๐‘ง)๐‘‘๐‘‘๐‘ง. Then in ๐‘‰{๐‘ง}

  1. ๐‘ฃ(๐‘ง)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)=๐‘ฃ(๐‘Žโˆ’1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)
  2. ๐‘ฃ(๐‘ง)๐‘‘๐‘‘๐‘ง[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)]=๐‘ฃ(๐‘Žโˆ’1)๐‘‘๐‘‘๐‘ง[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)]โˆ’๐‘ฃโ€ฒ(๐‘Žโˆ’1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)
  3. ๐‘ฃ(๐‘ง)๐‘‡[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)]=๐‘ฃ(๐‘Žโˆ’1)๐‘‡[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)]โˆ’(๐‘‡๐‘ฃ)(๐‘Žโˆ’1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)

Let ๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2) โˆˆ(Endโก๐‘‰)[[๐‘ง1,๐‘งโˆ’11,๐‘ง2,๐‘งโˆ’12]] such that lim๐‘ง1โ†’๐‘ง2๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2) exists and ๐‘Ž โˆˆ๐•‚ร—. Finally let ๐‘(๐‘ง1,๐‘ง2) โˆˆ๐•‚[๐‘ง1,๐‘งโˆ’11,๐‘ง2,๐‘งโˆ’12], ๐‘‡1 =๐‘(๐‘ง1,๐‘ง2)๐œ•๐œ•๐‘ง1, and ๐‘‡2 =๐‘(๐‘ง1,๐‘ง2)๐œ•๐œ•๐‘ง2. Then in (Endโก๐‘‰){๐‘ง1,๐‘ง2}

  1. ๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)=๐‘‹(๐‘Žโˆ’1๐‘ง2,๐‘ง2)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)=๐‘‹(๐‘ง1,๐‘Ž๐‘ง1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)
  2. ๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2)๐œ•๐œ•๐‘ง1[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]=๐‘‹(๐‘Žโˆ’1๐‘ง2,๐‘ง2)๐œ•๐œ•๐‘ง1[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]โˆ’(๐œ•๐‘‹๐œ•๐‘ง1)(๐‘Žโˆ’1๐‘ง2,๐‘ง2)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2)๐œ•๐œ•๐‘ง2[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]=๐‘‹(๐‘ง1,๐‘Ž๐‘ง1)๐œ•๐œ•๐‘ง2[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]โˆ’(๐œ•๐‘‹๐œ•๐‘ง2)(๐‘ง1,๐‘Ž๐‘ง1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)
  3. ๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2)๐‘‡1[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]=๐‘‹(๐‘Žโˆ’1๐‘ง2,๐‘ง2)๐‘‡1[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]โˆ’(๐‘‡1๐‘‹)(๐‘Žโˆ’1๐‘ง2,๐‘ง2)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2)๐‘‡2[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]=๐‘‹(๐‘ง1,๐‘Ž๐‘ง1)๐‘‡2[๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)]โˆ’(๐‘‡2๐‘‹)(๐‘ง1,๐‘Ž๐‘ง1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)

Note these fail for non-integer powers.

Proof of 1โ€“6

First we prove ^P1. Consider the special case ๐‘ฃ(๐‘ง) =๐‘ฃ๐‘›๐‘ง๐‘›. Then

๐‘ฃ(๐‘ง)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)=(๐‘ฃ๐‘›๐‘ง๐‘›)(โˆ‘๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜๐‘ง๐‘˜)=โˆ‘๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜๐‘ฃ๐‘›๐‘ง๐‘˜+๐‘›=โˆ‘๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜โˆ’๐‘›๐‘ฃ๐‘›๐‘ง๐‘˜=(๐‘Žโˆ’๐‘›๐‘ฃ๐‘›)(โˆ‘๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜๐‘ง๐‘˜)=๐‘ฃ(๐‘Žโˆ’1)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง)

whence follows ^P1 by linearity. The proof of ^PA is similar. Let ๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2) =โˆ‘๐‘š,๐‘›โˆˆโ„ค๐‘ง๐‘š1๐‘ง๐‘›2. Then

๐‘‹(๐‘ง1,๐‘ง2)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)=(โˆ‘๐‘š,๐‘›โˆˆโ„ค๐‘ฅ(๐‘š,๐‘›)๐‘ง๐‘š1๐‘ง๐‘›2)(โˆ‘๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜๐‘ง๐‘˜1๐‘งโˆ’๐‘˜2)=โˆ‘๐‘š,๐‘›,๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜๐‘ฅ(๐‘š,๐‘›)๐‘ง๐‘š+๐‘˜1๐‘ง๐‘›โˆ’๐‘˜2=โˆ‘๐‘š,๐‘›,๐‘˜โˆˆโ„ค๐‘Ž๐‘˜โˆ’๐‘š๐‘ฅ(๐‘š,๐‘›)๐‘ง๐‘˜1๐‘ง๐‘š+๐‘›โˆ’๐‘˜2=๐‘‹(๐‘Žโˆ’1๐‘ง2,๐‘ง2)๐›ฟ(๐‘Ž๐‘ง1/๐‘ง2)

Then ^P3 and ^PC follow by taking appropriate derivatives, and ^P2 and ^PB are special cases.


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Footnotes

  1. 1988. Vertex operator algebras and the Monster, ยง2.1โ€“ยง2.2, p. 52ff โ†ฉ