stringtranslate.com

Дзета-функция Гурвица

В математике дзета -функция Гурвица является одной из многих дзета-функций . Формально он определяется для комплексных переменных s с Re( s ) > 1 и a ≠ 0, −1, −2, … формулой

Этот ряд абсолютно сходится при заданных значениях s и a и может быть продолжен до мероморфной функции , определенной для всех s ≠ 1 . Дзета -функция Римана равна ζ( s ,1) . Дзета-функция Гурвица названа в честь Адольфа Гурвица , который представил ее в 1882 году. [1]

Дзета-функция Гурвица, соответствующая a = 1/3 . Он генерируется как график Matplotlib с использованием версии метода раскраски домена . [2]
Дзета-функция Гурвица, соответствующая a = 24/25 .
Дзета-функция Гурвица как функция a с s = 3 + 4 i .

Интегральное представление

Дзета-функция Гурвица имеет интегральное представление

для и (Этот интеграл можно рассматривать как преобразование Меллина .) Формулу можно получить, грубо говоря, записав

а затем поменять местами сумму и интеграл. [3]

Интегральное представление, приведенное выше, можно преобразовать в контурное интегральное представление.

где — контур Ганкеля против часовой стрелки вокруг положительной действительной оси, а главная ветвь используется для комплексного возведения в степень . В отличие от предыдущего интеграла, этот интеграл действителен для всех s и действительно является целой функцией s . [4]

Контурное интегральное представление обеспечивает аналитическое продолжение для всех . При имеет простой полюс с вычетом . [5]

Формула Гурвица

Дзета-функция Гурвица удовлетворяет тождеству, которое обобщает функциональное уравнение дзета-функции Римана : [6]

справедливо для Re( s ) > 1 и 0 < a ≤ 1. Дзета-функциональное уравнение Римана представляет собой частный случай a = 1: [7]

Формулу Гурвица можно также выразить как [8]

(для Re( s ) < 0 и 0 < a ≤ 1).

Формула Гурвица имеет множество различных доказательств. [9] Одно доказательство использует представление контурного интегрирования вместе с теоремой о вычетах . [6] [8] Второе доказательство использует тождество тэта-функции или, что то же самое, суммирование Пуассона . [10] Эти доказательства аналогичны двум доказательствам функционального уравнения для дзета-функции Римана в статье Римана 1859 года . Другое доказательство формулы Гурвица использует суммирование Эйлера – Маклорена для выражения дзета-функции Гурвица в виде интеграла.

(−1 < Re( s ) < 0 и 0 < a ≤ 1), а затем разложив числитель в ряд Фурье . [11]

Функциональное уравнение для рационального a

Когда a является рациональным числом, формула Гурвица приводит к следующему функциональному уравнению : Для целых чисел

справедливо для всех значений s . [12]

Это функциональное уравнение можно записать в другой эквивалентной форме:

.

Некоторые конечные суммы

Тесно связаны с функциональным уравнением следующие конечные суммы, некоторые из которых можно вычислить в замкнутой форме:

где m — целое положительное число, большее 2, а s — комплексное число, см., например, Приложение B в [13]

Представление серии

Представление сходящегося ряда Ньютона , определенное для (вещественного) a > 0 и любого комплекса s ≠ 1, было дано Гельмутом Хассе в 1930 году: [14]

Этот ряд сходится равномерно на компактных подмножествах s - плоскости к целой функции . Внутреннюю сумму можно понимать как nпрямую разность ; то есть,

где ∆ — оператор прямой разности . Таким образом, можно написать:

Серия Тейлора

Частная производная дзета во втором аргументе представляет собой сдвиг :

Таким образом, ряд Тейлора можно записать как:

Альтернативно,

с . [15]

Тесно связана формула Штарка – Кейпера :

что справедливо для целого N и произвольного s . См. также формулу Фаульхабера для аналогичного соотношения для конечных сумм степеней целых чисел.

Лоран серии

Разложение в ряд Лорана можно использовать для определения обобщенных констант Стилтьеса , входящих в ряд

В частности, постоянный член определяется выражением

где – гамма-функция и – дигамма-функция . В частном случае .

Дискретное преобразование Фурье

Дискретное преобразование Фурье дзета-функции Гурвица относительно порядка s представляет собой хи-функцию Лежандра . [16]

Особые ценности

Отрицательные целые числа

Значения ζ ( s , a ) при s = 0, −1, −2, ... связаны с полиномами Бернулли : [17]

Например, случай дает [18]

s -производная

Частная производная по s при s = 0 связана с гамма-функцией:

В частности, формула принадлежит Лерху . [19] [20]

Связь с тета-функцией Якоби

Если – тэта-функция Якоби , то

справедливо для и z комплексного, но не целого числа. Для z = n целого числа это упрощается до

где ζ здесь – дзета-функция Римана . Обратите внимание, что эта последняя форма представляет собой функциональное уравнение для дзета-функции Римана, первоначально заданное Риманом. Различие, основанное на том, что z является целым числом или нет, объясняет тот факт, что тета-функция Якоби сходится к периодической дельта-функции или гребенке Дирака по z как .

Связь с L -функциями Дирихле.

При рациональных аргументах дзета-функция Гурвица может быть выражена как линейная комбинация L-функций Дирихле и наоборот: дзета-функция Гурвица совпадает с дзета-функцией Римана ζ( s ) при a  = 1, при a  = 1/2 она равна к (2 s −1)ζ( s ), [21] и если a  =  n / k с k  > 2, ( n , k ) > 1 и 0 <  n  <  k , то [22]

сумма, пробегающая все символы Дирихле по модулю k . В противоположном направлении имеем линейную комбинацию [21]

Еще есть теорема умножения

полезным обобщением которого является соотношение распределения [23]

(Эта последняя форма действительна, когда q — натуральное число, а 1 −  qa — нет.)

Нули

Если a = 1, дзета-функция Гурвица сводится к самой дзета-функции Римана ; если a = 1/2, оно сводится к дзета-функции Римана, умноженной на простую функцию комплексного аргумента s ( см. выше ), что в каждом случае приводит к сложному изучению нулей дзета-функции Римана. В частности, не будет нулей с вещественной частью, большей или равной 1. Однако если 0< a <1 и a ≠1/2, то нули дзета-функции Гурвица в полосе 1<Re( s ) есть. <1+ε для любого положительного действительного числа ε. Это было доказано Давенпортом и Хейльбронном для рационального или трансцендентно -иррационального a , [24] и Касселсом для алгебраического иррационального a . [21] [25]

Рациональные ценности

Дзета-функция Гурвица встречается в ряде ярких тождеств при рациональных значениях. [26] В частности, значения в терминах полиномов Эйлера :

и

У одного также есть

что справедливо для . Здесь и определяются с помощью функции Лежандра хи как

и

Для целых значений ν они могут быть выражены через полиномы Эйлера. Эти соотношения можно получить, используя функциональное уравнение вместе с формулой Гурвица, приведенной выше.

Приложения

Дзета-функция Гурвица встречается в различных дисциплинах. Чаще всего это происходит в теории чисел , где ее теория является наиболее глубокой и развитой. Однако это также происходит при изучении фракталов и динамических систем . В прикладной статистике это встречается в законе Ципфа и законе Ципфа-Мандельброта . В физике элементарных частиц это встречается в формуле Джулиана Швингера [27] , дающей точный результат для скорости образования пар электрона Дирака в однородном электрическом поле.

Особые случаи и обобщения

Дзета-функция Гурвица с целым положительным числом m связана с полигамма-функцией :

Дзета-функция Барнса обобщает дзета-функцию Гурвица.

Трансцендент Лерха обобщает дзету Гурвица:

и поэтому

Гипергеометрическая функция

где

G-функция Мейера

Примечания

  1. ^ Гурвиц, Адольф (1882). "Einige Eigenschaften der Dirichlet'schen Functionen F ( s ) знак равно ∑ ( D n ) ⋅ 1 п {\ textstyle F (s) = \ sum \ left ({\ frac {D}{n}} \ right) \ cdot { \frac {1}{n}}} , die bei der Bestimmung der Classenanzahlen binärer Quadratischer Formen auftreten". Zeitschrift für Mathematik und Physik (на немецком языке). 27 : 86–101.
  2. ^ "Программа просмотра блокнотов Jupyter" .
  3. ^ Апостол 1976, с. 251, Теорема 12.2.
  4. ^ Уиттакер и Уотсон 1927, с. 266, статья 13.13
  5. ^ Апостол 1976, с. 255, Теорема 12.4.
  6. ^ аб Апостол 1976, с. 257, Теорема 12.6.
  7. ^ Апостол 1976, с. 259, Теорема 12.7.
  8. ^ ab Whittaker & Watson 1927, стр. 268–269, раздел 13.15.
  9. ^ См. ссылки в разделе 4: Канемицу, С.; Танигава, Ю.; Цукада, Х.; Ёсимото, М. (2007). «Вклад в теорию дзета-функции Гурвица». Журнал Харди-Рамануджана . 30 :31–55. дои : 10.46298/hrj.2007.159 . Збл  1157.11036.
  10. ^ Файн, Нью-Джерси (июнь 1951 г.). «Заметка о дзета-функции Гурвица». Труды Американского математического общества . 2 (3): 361–364. дои : 10.2307/2031757 . JSTOR  2031757. Збл  0043.07802.
  11. ^ Берндт, Брюс К. (зима 1972 г.). «О дзета-функции Гурвица». Математический журнал Роки Маунтин . 2 (1): 151–158. дои : 10.1216/RMJ-1972-2-1-151 . Збл  0229.10023.
  12. ^ Апостол 1976, с. 261, Теорема 12.8.
  13. ^ Благоушин, IV (2014). «Теорема для оценки в замкнутой форме первой обобщенной константы Стилтьеса при рациональных аргументах и ​​некоторые связанные с ней суммирования». Журнал теории чисел . Эльзевир. 148 : 537–592. arXiv : 1401.3724 . дои : 10.1016/j.jnt.2014.08.009.
  14. ^ Хассе, Гельмут (1930), "Ein Summierungsverfahren für die Riemannsche ζ-Reihe", Mathematische Zeitschrift , 32 (1): 458–464, doi : 10.1007/BF01194645, JFM  56.0894.03, S2CID  120392534
  15. ^ Вепстас, Линас (2007). «Эффективный алгоритм ускорения сходимости колебательных рядов, полезный для вычисления полилогарифмов и дзета-функций Гурвица». Численные алгоритмы . 47 (3): 211–252. arXiv : math/0702243 . Бибкод : 2008NuAlg..47..211В. дои : 10.1007/s11075-007-9153-8. S2CID  15131811.
  16. ^ Яцек Клиновски, Джурдже Цвийович (1999). «Значения хи Лежандра и дзета-функций Гурвица при рациональных аргументах». Математика вычислений . 68 (228): 1623–1631. Бибкод : 1999MaCom..68.1623C. дои : 10.1090/S0025-5718-99-01091-1 .
  17. ^ Апостол 1976, с. 264, Теорема 12.13.
  18. ^ Апостол 1976, с. 268
  19. ^ Берндт, Брюс К. (1985). «Гамма-функция и дзета-функция Гурвица». Американский математический ежемесячник . 92 (2): 126–130. дои : 10.2307/2322640. JSTOR  2322640.
  20. ^ Уиттакер и Уотсон 1927, с. 271, статья 13.21
  21. ^ abc Давенпорт (1967) стр.73
  22. Лоури, Дэвид (8 февраля 2013 г.). «Дзета Гурвица представляет собой сумму L-функций Дирихле, и наоборот». смешанная математика . Проверено 8 февраля 2013 г.
  23. ^ Куберт, Дэниел С .; Ланг, Серж (1981). Модульные агрегаты . Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften. Том. 244. Шпрингер-Верлаг . п. 13. ISBN 0-387-90517-0. Збл  0492.12002.
  24. ^ Давенпорт, Х. и Хейлбронн, Х. (1936), «О нулях некоторых рядов Дирихле», Журнал Лондонского математического общества , 11 (3): 181–185, doi : 10.1112/jlms/s1-11.3. 181, Збл  0014.21601
  25. ^ Касселс, JWS (1961), «Сноска к заметке Давенпорта и Хайльбронна», Журнал Лондонского математического общества , 36 (1): 177–184, doi : 10.1112/jlms/s1-36.1.177, Zbl  0097.03403
  26. ^ Дано Цвийович, Джурдье и Клиновски, Яцек (1999), «Значения хи-функций Лежандра и дзета-функций Гурвица при рациональных аргументах», Mathematics of Computation , 68 (228): 1623–1630, Бибкод : 1999MaCom..68.1623C, дои : 10.1090/S0025-5718-99-01091-1
  27. ^ Швингер, Дж. (1951), «О калибровочной инвариантности и поляризации вакуума», Physical Review , 82 (5): 664–679, Бибкод : 1951PhRv...82..664S, doi : 10.1103/PhysRev.82.664

Рекомендации

Внешние ссылки