设$f(z)$与$g(z)$为开平面内的非常数亚纯函数, 本文采用亚纯函数Nevanlinna理论的常用符号(见文献[1, 2]), 如$T(r,f), m(r,f), N(r,f), \overline{N}(r,f), N(r,a,f), S(r,f)$等等,并假设读者已熟悉Nevanlinna基本理论(见文献[2]).设$a$, $b$为两个复数, 若$f-a$与$g-b$的零点相同, 则称$(a,b)$为$f$与$ g$的IM公共值对; 若$f-a$与$g-b$的零点相同, 且零点的重级也相同, 则称$(a,b)$为$f$与$g$的CM公共值对.若$(a,0)$为$f$和$1/g$的CM(IM)公共值对, 则$(a,\infty)$为$f$和$g$的CM(IM)公共值对.当$(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq n,n\geq2)$为$f$与$g$的$n$个公共值对时, 我们要求$a_{i}\neq a_{j},b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$.当$a=b$时, 则称$a$为$f$和$g$的CM(IM)公共值.
设$k$为一正整数, 我们用$E_{k)}(a,f)$表示$f-a$的重级不超过$k$的零点的集合, 且重级零点按重数计算; $\overline{E}_{k)}(a,f)$表示重级零点仅计一次的情况.若$E_{+\infty)}(a,f)=E_{+\infty)}(a,g)$, 则$a$为$f$与$g$的CM公共值; 若$\overline{E}_{+\infty)}(a,f)=\overline{E}_{+\infty)}(a,g)$, 则$a$为$f$与$g$的IM公共值.我们用$N_{k)}(r,a,f)$表示$f-a$的重级不超过$k$的零点的计数函数; $N_{(k+1}(r,a,f)$表示$f-a$的重级超过$k$的零点的计数函数. $\overline{N}_{k)}(r,a,f)$和$\overline{N}_{(k+1}(r,a,f)$分别表示相应的精简计数函数.
$S(r,f)$表示$o(T(r,f))$($r\rightarrow\infty$, $r\not\in E$)型的量, 其中$E$为$R^{+}$上的一个线性测度有穷的集合, 若$S(r,f)=S(r,g)$, 则记$S(r)=S(r,f)=S(r,g)$.
我们用$\overline{N}_{E}(r,f-a=0=g-b)$表示$f-a$与$g-b$具有相同重级的公共零点的计数函数, 每个零点仅计一次; 用$\overline{N}(r,f-a=0=g-b)$表示$f-a$与$g-b$公共零点的计数函数, 每个零点仅计一次.如果
及
则称$(a,b)$为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值对.如果
则称$(a,b)$为$f$与$g$的IM$^{\ast}$公共值对.
设$a(z)$为开平面内的亚纯函数, 若$T(r,a)=S(r,f)$, 则称$a$为$f$的小函数.当$a$, $b$为小函数时, 也有与上述类似的定义, 只需把“值”替换为“小函数”.
设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, 若存在$f$的四个小函数$\alpha_{i}(z)$, $i$=1, 2, 3, 4, 使得$g=(\alpha_{1}f+\alpha_{2})/(\alpha_{3}f+\alpha_{4})$ $(\alpha_{1}\alpha_{4}-\alpha_{2}\alpha_{3}\not\equiv0)$, 则称$g$为$f$的拟分式线性变换.
1929年, Nevanlinna (见文献[2])证明了下述四值定理:
定理A 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, 以$a_{j}(j=1, 2, 3, 4)$为四个判别的CM公共值, 则$f$为$g$的分式线性变换.
1995年, Li和Yang (见文献[5])将“公共值”推广到“公共小函数”, 证明了下述定理:
定理B 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1, 2, 3, 4)$为$f$与$g$的四个判别的CM$^{\ast}$公共小函数, 则$f$为$g$的拟分式线性变换.
1999年, 张庆彩和杨连中(见文献[6])在考虑重值的情况下, 对定理A作了改进, 得到
定理C 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $a_{j}(j=1, 2, 3, 4)$为四个判别的复数, $k$为一正整数.若$E_{k)}(a_{j},f)=E_{k)}(a_{j},g)$(j=1, 2, 3, 4), $k\geq12$, 则$f$为$g$的分式线性变换.
2002年, Yao和Yu (见文献[7])在考虑重值的条件下, 改进了定理B, 得到
定理D 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1, 2, 3, 4)$为$f$与$g$的四个判别的小函数, $k$为一正整数.若$E_{k)}(a_{j},f)=E_{k)}(a_{j},g)$(j=1, 2, 3, 4), $k\geq15$, 则$f$为$g$的拟分式线性变换.
本文在定理C和定理D的基础上, 进一步得到如下结果:
定理1 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1, 2, 3, 4)$为$f$与$g$的四个判别的小函数, $k$为一正整数.若$E_{k)}(a_{j},f)=E_{k)}(a_{j},g)$(j=1, 2, 3, 4), $k\geq11$, 则$f$为$g$的拟分式线性变换.
对于上述四个值集的情况, 还可以予以精确化, 本文又证明了:
定理2 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1, 2, 3, 4)$为$f$与$g$的四个判别的小函数, $k$为一正整数.若$E_{11)}(a_{j},f)=E_{11)}(a_{j},g)(j=1,2,3)$, $E_{k)}(a_{4},f)=E_{k)}(a_{4},g)$, $k\geq10$, 则$f$为$g$的拟分式线性变换.
1997年, Czubiak和Gundersen (见文献[8])证明了下述定理:
定理E 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq6)$为$f$与$g$的六个IM公共值对, 且$a_{i}\neq a_{j},b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 则$f$为$g$的分式线性变换.
2003年, Hu, Li和Yang (见文献[9])对定理E作了改进, 证明了
定理F 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq5)$为$f$和$g$的五个IM$^{\ast}$公共值对, 且$a_{i}\neq a_{j},b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 若
其中$a_{6}\neq a_{k},b_{6}\neq b_{k}, (1\leq k\leq5)$, 则$f$是$g$的分式线性变换.
本文得到了定理F的更一般结果:
定理3 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq5)$为$f$和$g$的五个IM$^{\ast}$公共值对, 且$a_{i}\neq a_{j},b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 若
其中$\lambda\in[0,\frac{2}{5}), a_{6}\neq a_{k},b_{6}\neq b_{k}, (1\leq k\leq5)$, 则$f$是$g$的分式线性变换.
2011年, Gundersen (见文献[8])证明了下述定理和推论:
定理G 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq5)$为$f$和$g$的五个IM公共值对, 且$a_{i}\neq a_{j}, b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 则或者$f$为$g$的分式线性变换或者对任意不同的$i,j,k\in\{1, 2, 3, 4, 5\}$, 有以下五个不等式成立:
推论A (见文献[8])设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq5)$为$f$和$g$的五个IM公共值对, 且$a_{i}\neq a_{j}, b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 则或者$f$为$g$的分式线性变换或者$\overline{N}(r,a_{k},f)+S(r,f)\geq\frac{1}{3}T(r,f),1\leq k\leq5.$
推论B (见文献[8])设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数整函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq4)$为$f$和$g$的四个IM公共值对, 其中$a_{k}$和$b_{k}$均为有穷值, 且$a_{i}\neq a_{j}, b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 则$f$为$g$的分式线性变换.
本文对推论A作了改进, 得到:
定理4 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq4)$为$f$与$g$的四个IM$^{\ast}$公共小函数对, 且$a_{i}\neq a_{j}, b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 若
其中$\lambda\in[0,\frac{1}{3})$, $T(r,a_{5})=S(r,f)$, $T(r,b_{5})=S(r,g)$, $a_{5}\neq a_{k},b_{5}\neq b_{k}, (1\leq k\leq4)$, 则$f$是$g$的拟分式线性变换.
注1 由定理4, 可把推论B中的“公共值对”推广到“公共小函数对”.
引理1 (见文献[9])设$f(z)$为一个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1,2,\cdots,q)$为$f$的$q$个判别的小函数, 则对于任意的$\varepsilon>0$, 有
其中$r\not\in E, E\subset R$且$\int_{E} d\log\log r<\infty$.
引理2 (见文献[10])设$f(z)$, $a(z)$和$b(z)$为亚纯函数$(f(z),a(z),b(z)\not\equiv\infty)$, $a(z)$与$b(z)$为$f$的小函数, 且$a(z)\not\equiv b(z)$, 设
则$L(f,a,b)\not\equiv0$, 及
引理3 设$f(z)$为一个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1,2,\cdots,q)$为$f$的$q$个判别的小函数, $k$为正整数, 则
证 由引理1, 得
而
故有
由(2.1) 和(2.2) 式, 得
即
引理3证毕.
引理4 设$f(z)$与$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $a_{j}(z)(j=1, 2, 3, 4)$为$f$与$g$的四个判别的小函数, 若$f\not\equiv g$, 且$\overline{E}_{k)}(a_{j},f)=\overline {E}_{k)}(a_{j},g),(j=1, 2, 3, 4)$, $k\geq3$为正整数, 则
证 由引理1和引理3, 有
从而
因为$k\geq3$, 取$\varepsilon$充分小, 使$k-2-\varepsilon-k\varepsilon>0$, 所以有
同理
由(2.4) 和(2.5) 式, 得$S(r)=S(r,f)=S(r,g)$.此即得(a).
由(2.3) 式, 引理3和(a)得
即得
同理, 有
此即得(b).引理4证毕.
引理5 (见文献[2])设$f(z)$为一个非常数亚纯函数, $R(f)=\frac{P(f)}{Q(f)}$, 其中$P(f)=\sum\limits_{k=0}^{p}a_{k}f^{k}$和$Q(f)=\sum\limits_{j=0}^{q}b_{j}f^{j}$是两个互质的$f$的多项式, 系数$\{a_{k}(z)\}$和$\{b_{k}(z)\}$均为$f$的小函数, 且$a_{p}(z)\not\equiv0, b_{q}(z)\not\equiv0$, 则
引理6 (见文献[7])设$f(z)$和$g(z)$为两个非常数亚纯函数, $(a_{k},b_{k})(1\leq k\leq5)$为$f$和$g$的五个IM$^{\ast}$公共值对, 且$a_{i}\neq a_{j}, b_{i}\neq b_{j}(i\neq j)$, 若$f$不是$g$的分式线性变换, 则下列等式成立:
(a) $ T(r,f)=T(r,g)+S(r),\quad S(r)=S(r,f)=S(r,g);$
(b) $3T(r,f)=\sum\limits_{k=1}^{5}\overline{N}(r,a_{k},f)+S(r);$
(c) $T(r,f)=\overline{N}(r,a,f)+S(r),\quad a\neq a_{k},1\leq k\leq5.$
定理1的证明 不失一般性, 假设$a_{1}(z)\equiv \infty$, $a_{2}(z)\equiv 0$, $a_{3}(z)\equiv 1$, $a_{4}(z)\equiv a(z)(\not\equiv\infty,0,1)$, 且$f\not\equiv g$.令
由对数导数引理, 有$m(r,H_{1})=S(r).$若$H_{1}\not\equiv0$, 则有
所以
从而则根据上式和引理4(b)得
故我们有
同理, 设
若$H_{j}\not\equiv0(j=2,3,4)$, 则由引理2, 当$j=2,3,4$时, 同样也有
由引理4(b), 可得
$j_{0}=1, 2, 3, 4$.可知$\overline{N}_{k)}(r,a_{j},f)+\overline{N}_{k)}(r,a_{j},g)(j=1, 2, 3, 4)$中至少有两个, 不失一般性, 可设$j=3,4$, 使得
其中$I$为无穷测度集.若$H_{3}\not\equiv0$, 则由(3.6) 和(3.7) 式, 得$\frac{1}{3}(1-\frac{2+\varepsilon+k\varepsilon}{k})\leq\frac{2(k+2+\varepsilon+k\varepsilon)}{k(k-1)}.$令$\varepsilon\rightarrow 0$, 有$ \frac{1}{3}(1-\frac{2}{k})\leq\frac{2(k+2)}{k(k-1)}. $解得$k\leq10$, 与定理2条件$k\geq11$矛盾, 故$H_{3}\equiv0$.同理由(3.6) 和(3.8) 式可得$H_{4}\equiv0$.即
设$z_{a}$为$f-a$的零点, 但不是$g-a$的零点.则$z_{a}$是(3.9) 式等号左边的一个极点, 由此对于等号右边, 我们有$g(z_{a})=0$或$g(z_{a})=\infty$.由(3.9) 和(3.10), 得
$z_{a}$不是(3.11) 式等号左边的极点, 但却是等号右边的二重极点, 矛盾.故$z_{a}$为$g-a$的零点.由对称性, 并且比较(3.9) 式等号两边在点$z_{a}$的留数, 可得$a$为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值.同理可得1为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值.
根据式(3.9) 和(3.10), 我们可得
消去$f'/f$和$g'/g$, 有
由(3.14) 式, 显然有$\infty$为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值.
由(3.12) 或(3.13) 式, 可得$0$也为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值.故$0, 1, \infty, a$均为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值, 从而由定理B, 得$f$是$g$的拟分式线性变换.定理1证毕.
定理2的证明 由定理1可知, 仅需考虑$k<11$的情况.考虑到拟分式线性变换, 不失一般性, 可设$a_{j}(z)\not\equiv \infty (j=1, 2, 3, 4)$, 且假设$f\not\equiv g$.由引理1, 有
从而根据上式$T(r,f)\leq\frac{11(k+1)}{2(5k-1-6k\varepsilon-6\varepsilon)}T(r,g)+S(r),$及
在接下来的证明中, 考虑到拟分式线性变换, 可设$a_{1}(z)\equiv \infty$, $a_{2}(z)\equiv 0$, $a_{3}(z)\equiv 1$, $a_{4}(z)\equiv a(z)(\not\equiv \infty, 0, 1)$.设$H_{1}$同(3.1) 式, 则有$m(r,H_{1})=S(r)$.若$H_{1}\not\equiv0$, 由(3.15) 式有
则根据(3.16) 和(3.17) 式得
所以有
同理, 设$H_{2}, H_{3}, H_{4}$分别同(3.3), (3.4), (3.5) 式, 若$H_{j}\not\equiv0(j=2,3,4)$, 则由引理2, 当$j=2,3,4$时, 同样也有
上式(3.20) 对$2\leq k <11$成立.为方便计我们设$k_{1}=k_{2}=k_{3}=11$, $k_{4}=k$, 由(3.15) 式可得
$j_{0}=1, 2, 3, 4$, 可知$\overline{N}_{k_{j})}(r,a_{j},f)+\overline{N}_{k_{j})}(r,a_{j},g)(j=1, 2, 3, 4)$中至少有两个, 不失一般性, 可设$j=3,4$, 使得
其中$I$为无穷测度集.若$H_{3}\not\equiv0$, 则由(3.19) 和(3.21) 式得
令$\varepsilon\rightarrow 0$得$\frac{2(5k-1)}{33(k+1)}\leq\frac{k+145}{55(k+1)}.$解得$k\leq9$.当$k=10$时产生矛盾,故$H_{3}\equiv0$.同理由(3.20) 和(3.22) 式可得当$k=10$时$H_{4}\equiv0$.与定理2证明的讨论相同, 可得$0, 1, \infty, a$为$f$与$g$的CM$^{\ast}$公共值, 从而由定理B得$f$是$g$的拟分式线性变换.定理2证毕.
定理3的证明 假设$f$不是$g$的分式线性变换, 不失一般性, 设$a_{i}\neq\infty, b_{i}\neq\infty, 1\leq i\leq6$.存在不全为零的常数$A_{i}, 1\leq i\leq6$, 使得函数
满足$F(a_{i},b_{i})=0, i=1,\cdots,5.$若$F(f,g)\equiv 0$, 则$(A_{1}f^{2}+A_{2}f+A_{5})g=-A_{3}f^{2}-A_{4}f-A_{6}.$因为$f$不是常数, 所以$A_{1}f^{2}+A_{2}f+A_{5}\not\equiv 0$.故
若存在一个$a_{i}$使得$A_{1}a_{i}^{2}+A_{2}a_{i}+A_{5}=0$, 那么$A_{3}a_{i}^{2}+A_{4}a_{i}+A_{6}=0$, 因此$f-a_{i}$为$-A_{3}f^{2}-A_{4}f-A_{6}$和$A_{1}f^{2}+A_{2}f+A_{5}$的公因式,所以$g$是$f$的分式线性变换, 这与假设矛盾.因此对任意的$a_{i}$, 有$A_{1}a_{i}^{2}+A_{2}a_{i}+A_{5}\neq0$.因为$F(a_{i},b_{i})=0$, 有
由(3.23) 和(3.24) 式得
其中$c_{i},d_{i}$为常数.若$c_{i}= 0$, 由假设$g$不是$f$的分式线性变换,则此时$A_{1}\ne 0$.由引理5和引理6(a), 得$T(r,g)=2T(r,f)+S(r).$由第二基本定理, 有
得$T(r,f)=S(r)$, 矛盾.若$c_{i}\ne 0$, 由假设$g$不是$f$的分式线性变换,则此时$A_{1}\left(\frac{d_{i}}{c_{i}}\right)^{2}+A_{2}\left(\frac{d_{i}}{c_{i}}\right)+A_{5}\neq0$, 因此仍有$T(r,g)=2T(r,f)+S(r)$,同样可得矛盾$T(r,f)=S(r)$.故$F(f,g)\not\equiv0$.
由引理6(c), 可以得到$T(r,f)=\overline{N}(r,f)+S(r)$, 所以有$m(r,f)=S(r), m(r,g)=S(r)$.从而$m(r,F)=S(r)$.由引理6(a), 得
同理, 可得
则由(1.1) 和(3.27) 式得
由第二基本定理, 得
由(3.28), (3.29), (3.30) 式和引理6(b), 得
已知$\lambda\in[0,\frac{2}{5})$, 则(3.31) 式不成立, 所以假设不成立.故$f$为$g$的分式线性变换.定理3证毕.
定理4的证明 假设$f$不是$g$的拟分式线性变换, 不失一般性, 设$a_{k}\not\equiv\infty, b_{k}\not\equiv\infty, 1\leq k\leq5$.考虑$\{a_{1},a_{2},a_{3},a_{4}\}$中的任意三个小函数, 不失一般性, 假设$a_{1},a_{2},a_{3}$, 令$L(z)$为满足$L(a_{k})=b_{k}(k=1,2,3)$的拟分式线性变换, 则有
显然从$\{a_{1},a_{2},a_{3},a_{4}\}$中任取三个小函数, 都可以得到相应的$L(f)$和(3.32) 式, 这样有四个不等式, 相加得
由引理1, (1.2) 和(3.33) 式得
同理, 也有
(3.34) 与(3.35) 式相加得
已知$\lambda\in[0,\frac{1}{3})$, 取$\varepsilon$足够小, 则(3.36) 式不成立, 所以假设不成立.故$f$为$g$的拟分式线性变换.定理4证毕.