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#This file was created by <bruno> Sun Feb 16 14:19:06 1997
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#LyX 0.10 (C) 1995 1996 Matthias Ettrich and the LyX Team
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\lyxformat 2.10
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\textclass article
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\begin_preamble
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\catcode`@=11 % @ ist ab jetzt ein gewoehnlicher Buchstabe
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\def\Res{\mathop{\operator@font Res}}
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\def\ll{\langle\!\langle}
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\def\gg{\rangle\!\rangle}
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\catcode`@=12 % @ ist ab jetzt wieder ein Sonderzeichen
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\end_preamble
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\language default
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\epsfig dvips
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\papersize a4paper
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\quotes_times 2
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\paperorientation portrait
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\papersides 1
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\paperpagestyle plain
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\layout LaTeX Title
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The diagonal of a rational function
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\layout Description
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Theorem:
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\layout Standard
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Let
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\begin_inset Formula \( M \)
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\end_inset
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be a torsion-free
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\begin_inset Formula \( R \)
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\end_inset
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-module, and
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\begin_inset Formula \( d>0 \)
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\end_inset
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Let
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\begin_inset Formula
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\[
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f=\sum _{n_{1},...,n_{d}}a_{n_{1},...,n_{d}}\, x_{1}^{n_{1}}\cdots x_{d}^{n_{d}}\in M[[x_{1},\ldots x_{d}]]\]
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\end_inset
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be a rational function, i.
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e.
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there are
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\begin_inset Formula \( P\in M[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
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\end_inset
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\begin_inset Formula \( Q\in R[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
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\begin_inset Formula \( Q(0,\ldots ,0)=1 \)
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\begin_inset Formula \( Q\cdot f=P \)
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\begin_inset Formula \( M[[x_{1}]] \)
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\begin_inset Formula \( \{\partial _{x_{1}}\} \)
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Proof:
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From the hypotheses,
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\begin_inset Formula \( M[[x_{1},\ldots ,x_{d}]] \)
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is a torsion-free differential module over
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\begin_inset Formula \( R[x_{1},\ldots ,x_{d}] \)
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Now apply the general diagonal theorem ([1], section 2.
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18)
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Let
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be an integral domain of characteristic 0 and
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\begin_inset Formula \( M \)
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simultaneously a torsion-free
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-module and a commutative
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\begin_inset Formula \( R \)
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-algebra without zero divisors.
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\begin_inset Formula
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f=\sum _{m,n\geq 0}a_{m,n}x^{m}y^{n}\in M[[x,y]]\]
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be a rational function.
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Then the diagonal of
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\begin_inset Formula \( f \)
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\begin_inset Formula
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g=\sum ^{\infty }_{n=0}a_{n,n}\, x^{n}\]
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is algebraic over
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\begin_inset Formula \( R[x] \)
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\end_inset
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\layout Description
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Motivation
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of
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proof:
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The usual proof ([2]) uses complex analysis and works only for
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\begin_inset Formula \( R=M=C \)
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The idea is to compute
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\begin_inset Formula
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g(x^{2})=\frac{1}{2\pi i}\oint _{|z|=1}f(xz,\frac{x}{z})\frac{dz}{z}\]
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This integral, whose integrand is a rational function in
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\begin_inset Formula \( x \)
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\end_inset
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and
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\begin_inset Formula \( z \)
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, is calculated using the residue theorem.
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Since
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\begin_inset Formula \( f(x,y) \)
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is continuous at
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\begin_inset Formula \( (0,0) \)
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\end_inset
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, there is a
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\begin_inset Formula \( \delta >0 \)
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such that
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\begin_inset Formula \( f(x,y)\neq \infty \)
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\begin_inset Formula \( |x|<\delta \)
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\begin_inset Formula \( |y|<\delta \)
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It follows that for all
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\begin_inset Formula \( \varepsilon >0 \)
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and
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\begin_inset Formula \( |x|<\delta \varepsilon \)
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\end_inset
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all the poles of
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\begin_inset Formula \( f(xz,\frac{x}{z}) \)
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are contained in
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\begin_inset Formula \( \{z:|z|<\varepsilon \}\cup \{z:|z|>\frac{1}{\varepsilon }\} \)
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Thus the poles of
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\begin_inset Formula \( f(xz,\frac{x}{z}) \)
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, all algebraic functions of
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\begin_inset Formula \( x \)
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\end_inset
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-- let's call them
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\begin_inset Formula \( \zeta _{1}(x),\ldots \zeta _{s}(x) \)
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--, can be divided up into those for which
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\begin_inset Formula \( |\zeta _{i}(x)|=O(|x|) \)
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\begin_inset Formula \( x\rightarrow 0 \)
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and those for which
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\begin_inset Formula \( \frac{1}{|\zeta _{i}(x)|}=O(|x|) \)
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\begin_inset Formula \( x\rightarrow 0 \)
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It follows from the residue theorem that for
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\begin_inset Formula \( |x|<\delta \)
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\begin_inset Formula
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g(x^{2})=\sum _{\zeta =0\vee \zeta =O(|x|)}\Res _{z=\zeta }\, f(xz,\frac{x}{z})\]
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\begin_inset Formula \( g(x) \)
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\begin_inset Formula \( C(x^{1/2}) \)
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\begin_inset Formula \( C(x) \)
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h(x,z):=f(xz,\frac{x}{z})=\sum ^{\infty }_{m,n=0}a_{m,n}x^{m+n}z^{m-n}\in M[[xz,xz^{-1}]]\]
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\begin_inset Formula \( h(x,z) \)
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\begin_inset Formula \( d:=\max (\deg _{y}P,\deg _{y}Q) \)
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\begin_inset Formula \( N(0,z)=z^{d} \)
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\end_inset
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\begin_inset Formula \( K \)
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\end_inset
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be the quotient field of
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\begin_inset Formula \( R \)
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\end_inset
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\begin_inset Formula \( N(x,z)\in K[x][z]\setminus \{0\} \)
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\end_inset
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It is well-known (see [3], p.
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64, or [4], chap.
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IV, §2, prop.
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8, or [5], chap.
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III, §1) that the splitting field of
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\begin_inset Formula \( N(x,z) \)
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\begin_inset Formula \( K(x) \)
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can be embedded into a field
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\begin_inset Formula \( L((x^{1/r})) \)
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