30E10 Approximation in the complex domain
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In recent years, the study of dynamical systems has developed into a central research area in mathematics. Actually, in combination with keywords such as "chaos" or "butterfly effect", parts of this theory have been incorporated in other scientific fields, e.g. in physics, biology, meteorology and economics. In general, a discrete dynamical system is given by a set X and a self-map f of X. The set X can be interpreted as the state space of the system and the function f describes the temporal development of the system. If the system is in state x ∈ X at time zero, its state at time n ∈ N is denoted by f^n(x), where f^n stands for the n-th iterate of the map f. Typically, one is interested in the long-time behaviour of the dynamical system, i.e. in the behaviour of the sequence (f^n(x)) for an arbitrary initial state x ∈ X as the time n increases. On the one hand, it is possible that there exist certain states x ∈ X such that the system behaves stably, which means that f^n(x) approaches a state of equilibrium for n→∞. On the other hand, it might be the case that the system runs unstably for some initial states x ∈ X so that the sequence (f^n(x)) somehow shows chaotic behaviour. In case of a non-linear entire function f, the complex plane always decomposes into two disjoint parts, the Fatou set F_f of f and the Julia set J_f of f. These two sets are defined in such a way that the sequence of iterates (f^n) behaves quite "wildly" or "chaotically" on J_f whereas, on the other hand, the behaviour of (f^n) on F_f is rather "nice" and well-understood. However, this nice behaviour of the iterates on the Fatou set can "change dramatically" if we compose the iterates from the left with just one other suitable holomorphic function, i.e. if we consider sequences of the form (g∘f^n) on D, where D is an open subset of F_f with f(D)⊂ D and g is holomorphic on D. The general aim of this work is to study the long-time behaviour of such modified sequences. In particular, we will prove the existence of holomorphic functions g on D having the property that the behaviour of the sequence of compositions (g∘f^n) on the set D becomes quite similarly chaotic as the behaviour of the sequence (f^n) on the Julia set of f. With this approach, we immerse ourselves into the theory of universal families and hypercyclic operators, which itself has developed into an own branch of research. In general, for topological spaces X, Y and a family {T_i: i ∈ I} of continuous functions T_i:X→Y, an element x ∈ X is called universal for the family {T_i: i ∈ I} if the set {T_i(x): i ∈ I} is dense in Y. In case that X is a topological vector space and T is a continuous linear operator on X, a vector x ∈ X is called hypercyclic for T if it is universal for the family {T^n: n ∈ N}. Thus, roughly speaking, universality and hypercyclicity can be described via the following two aspects: There exists a single object which allows us, via simple analytical operations, to approximate every element of a whole class of objects. In the above situation, i.e. for a non-linear entire function f and an open subset D of F_f with f(D)⊂ D, we endow the space H(D) of holomorphic functions on D with the topology of locally uniform convergence and we consider the map C_f:H(D)→H(D), C_f(g):=g∘f|_D, which is called the composition operator with symbol f. The transform C_f is a continuous linear operator on the Fréchet space H(D). In order to show that the above-mentioned "nice" behaviour of the sequence of iterates (f^n) on the set D ⊂ F_f can "change dramatically" if we compose the iterates from the left with another suitable holomorphic function, our aim consists in finding functions g ∈ H(D) which are hypercyclic for C_f. Indeed, for each hypercyclic function g for C_f, the set of compositions {g∘f^n|_D: n ∈ N} is dense in H(D) so that the sequence of compositions (g∘f^n|_D) is kind of "maximally divergent" " meaning that each function in H(D) can be approximated locally uniformly on D via subsequences of (g∘f^n|_D). This kind of behaviour stands in sharp contrast to the fact that the sequence of iterates (f^n) itself converges, behaves like a rotation or shows some "wandering behaviour" on each component of F_f. To put it in a nutshell, this work combines the theory of non-linear complex dynamics in the complex plane with the theory of dynamics of continuous linear operators on spaces of holomorphic functions. As far as the author knows, this approach has not been investigated before.
In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit der konstruktiven und generischen Gewinnung universeller Funktionen. Unter einer universellen Funktion verstehen wie dabei eine solche holomorphe Funktion, die in gewissem Sinne ganze Klassen von Funktionen enthält. Die konstruktive Methode beinhaltet die explizite Konstruktion einer universellen Funktion über einen Grenzprozess, etwa als Polynomreihe. Die generische Methode definiert zunächst rein abstrakt die jeweils gewünschte Klasse von universellen Funktionen. Mithilfe des Baireschen Dichtesatzes wird dann gezeigt, dass die Klasse dieser Funktionen nicht nur nichtleer, sondern sogar G_delta und dicht in dem betrachteten Funktionenraum ist. Beide Methoden bedienen sich der Approximationssätze von Runge und von Mergelyan. Die Hauptergebnisse sind die folgenden: (1) Wir haben konstruktiv die Existenz von universellen Laurentreihen auf mehrfach zusammenhängenden Gebieten bewiesen. Zusätzlich haben wir gezeigt, dass die Menge solcher universeller Laurentreihen dicht im Raum der auf dem betrachteten Gebiet holomorphen Funktionen ist. (2) Die Existenz von universellen Faberreihen auf gewissen Gebieten wurde sowohl konstruktiv als auch generisch bewiesen. (3) Zum einen haben wir konstruktiv gezeigt, dass es so genannte ganze T-universelle Funktionen mit vorgegebenen Approximationswegen gibt. Die Approximationswege sind durch eine hinreichend variable funktionale Form vorgegeben. Die Menge solcher Funktionen ist im Raum der ganzen Funktionen eine dichte G_delta-Menge. Zum anderen haben wir generisch die Existenz von auf einem beschränkten Gebiet T-universellen Funktionen bezüglich gewisser vorgegebener Approximationswege bewiesen. Die Approximationswege sind auch hier genügend allgemein.
The Hadamard product of two holomorphic functions which is defined via a convolution integral constitutes a generalization of the Hadamard product of two power series which is obtained by pointwise multiplying their coefficients. Based on the integral representation mentioned above, an associative law for this convolution is shown. The main purpose of this thesis is the examination of the linear and continuous Hadamard convolution operators. These operators map between spaces of holomorphic functions and send - with a fixed function phi - a function f to the convolution of phi and f. The transposed operator is computed and turns out to be a Hadamard convolution operator, too, mapping between spaces of germs of holomorphic functions. The kernel of Hadamard convolution operators is investigated and necessary and sufficient conditions for those operators to be injective or to have dense range are given. In case that the domain of holomorphy of the function phi allows a Mellin transform of phi, certain (generalized) monomials are identified as eigenfunctions of the corresponding operator. By means of this result and some extract of the theory of growth of entire functions, further propositions concerning the injectivity, the denseness of the range or the surjectivity of Hadamard convolution operators are shown. The relationship between Hadamard convolution operators, operators which are defined via the convolution with an analytic functional and differential operators of infinite order is investigated and the results which are obtained in the thesis are put into the research context. The thesis ends with an application of the results to the approximation of holomorphic functions by lacunary polynomials. On the one hand, the question under which conditions lacunary polynomials are dense in the space of all holomorphic functions is investigated and on the other hand, the rate of approximation is considered. In this context, a result corresponding to the Bernstein-Walsh theorem is formulated.
Das erste Beispiel einer so genannten universellen holomorphen Funktion stammt von Birkhoff, welcher im Jahre 1929 die Existenz einer ganzen Funktion beweisen konnte, die gewissermaßen jede ganze Funktion durch geeignete Translationen approximieren kann. In der Folgezeit hat sich der Bereich der "universellen Approximation" zu einem eigenständigen Gebiet innerhalb der komplexen Approximationstheorie entwickelt, und es gibt eine Vielzahl an Ergebnissen über universelle Funktionen. Hierbei wurde sich allerdings fast ausschließlich auf das Studium holomorpher und ganzer Funktionen beschränkt, insbesondere die Klasse der meromorphen Funktionen wurde bisher kaum auf das Phänomen der Universalität hin untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit universeller meromorpher Approximation, und geht der Fragestellung nach, ob meromorphe Funktionen mit gewissen Universalitätseigenschaften existieren, und ob die klassischen Ergebnisse aus der universellen holomorphen Approximation auf den meromorphen Fall erweiterbar sind. Hierbei wird zunächst zwischen Translations- und Streckungsuniversalität unterschieden und bewiesen, dass in beiden Fällen jeweils eine im Raum der meromorphen Funktionen residuale Menge an universellen Funktionen existiert. Weiterhin werden die Eigenschaften dieser Funktionen ausführlich studiert. Anschließend werden meromorphe Funktionen auf Ableitungsuniversalität hin untersucht. Hierbei wird einerseits gezeigt, dass im Allgemeinen keine positiven Ergebnisse möglich sind, während andererseits eine spezielle Klasse meromorpher Funktionen betrachtet wird, für welche universelles Verhalten der sukzessiven Ableitungen nachgewiesen werden kann.