Stieltjesove konstante

Iz testwiki
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Površina modrega območja konvergira k Euler-Mascheronijevi konstanti, ki je ničta Stieltjesova konstanta.

Stieltjesove konstante (ali posplošene Eulerjeve konstantePredloga:R) so v matematiki števila γn, ki se pojavljajo v Laurentovi vrsti za Riemannovo funkcijo ζ:

ζ(s)=1s1+n=0(1)nn!γn(s1)n.

Ničta Stieltjesova konstanta γ0γ=0,577215664901 je znana kot Euler-Mascheronijeva konstanta. Konstante se imenujejo po nizozemskem matematiku Thomasu Joannesu Stieltjesu in redkeje po švicarskem matematiku, fiziku in astronomu Leonhardu Eulerju.

Izrazi

Stieltjes je pokazal, da so konstante dane z limito:Predloga:RPredloga:R

γn=limm{k=1mlnnkklnn+1mn+1}.Predloga:Efn

Cauchyjeva formula za odvod vodi do integralskega izraza:

γn=(1)nn!2π02πenixζ(eix+1)dx.

Več integralskih izrazov in neskončnih vrst so v svojem delu podali Jensen, Franel, Hermite, Hardy, Ramanudžan, Ainsworth, Howell, Coppo, Connon, Coffey, Choi, Blagouchine in drugi avtorji.Predloga:RPredloga:RPredloga:RPredloga:RPredloga:RPredloga:R Še posebej Jensen-Franelova integralska formula, večkrat napačno pripisana Ainsworthu in Howellu, pravi, da velja:

γn=12δn,0+1i0dxe2πx1{lnn(1ix)1ixlnn(1+ix)1+ix},(n=0,1,2,),

kjer je δn,k Kroneckerjeva delta.Predloga:RPredloga:R Med drugimi formulami so (glej: Predloga:RPredloga:RPredloga:R):

γn=π2(n+1)+lnn+1(12±ix)cosh2πxdx,(n=0,1,2,),
γ1=[γln22]ln2+i0dxeπx+1{ln(1ix)1ixln(1+ix)1+ix}γ1=γ20[11ex1x]exlnxdx.

Znano vrsto, ki vsebuje celi del logaritma, je podal Hardy leta 1912:Predloga:R

γ1=ln22k=2(1)kklbk(2lbklb(2k)).

Tu je lb dvojiški logaritem.

Israilov je podal delno konvergentno vrsto z Bernoullijevimi števili B2k:Predloga:R

γm=k=1nlnmkklnm+1nm+1lnmn2nk=1N1B2k(2k)![lnmxx]x=n(2k1)θB2N(2N)![lnmxx]x=n(2N1),(0<θ<1).

Oloa in Tauraso sta pokazala, da vrsta s harmoničnimi števili Hn lahko vodi do Stieltjesovih konstant:Predloga:R

n=1Hn(γ+lnn)n=γ112γ2+112π2n=1Hn2(γ+lnn)2n=γ22γγ123γ3+53ζ(3).

Blagouchine je našel počasi konvergentno vrsto, ki vsebuje nepredznačena Stirlingova števila prve vrste []:Predloga:R

γm=12δm,0+(1)mm!πn=11nn!k=012n(1)k[2k+2m+1][n2k+1](2π)2k+1,(m=0,1,2,),

kot tudi delno konvergentno vrsto s samimi racionalnimi členi:

γm=12δm,0+(1)mm!k=1N[2km+1]B2k(2k)!+θ(1)mm![2N+2m+1]B2N+2(2N+2)!,(0<θ<1,m=0,1,2,).

Več drugih vrst je danih v Coffeyjevemu delu.Predloga:RPredloga:R

Asimptotična rast

Za Stieltjesove konstante velja meja:

|γn|{2(n1)!πn;n=1,3,5,4(n1)!πn;n=2,4,6,,

ki jo je podal Berndt leta 1972.Predloga:R Boljše meje so našli Lavrik, Israilov, Matsuoka, Nan-You, Williams, Knessl, Coffey, Adell, Saad-Eddin, Fekih-Ahmed in Blagouchine.Predloga:Efn Eno od najboljših ocen z elementarnimi funkcijami je podal Matsuoka leta 1985:Predloga:R

|γn|<104enlnlnn,(n5).

Dokaj točne ocene z neelementarnimi funkcijami so podali Knessl, CoffeyPredloga:R in Fekih-Ahmed.Predloga:R Knessl in Coffey sta na primer dala naslednjo formulo, ki relativno dobro aproksimira Stieltjesove konstante za velike n.Predloga:R Če je v enolična rešitev enačbe:

2πexp(vtgv)=ncosvv,

z 0<v<π/2, in, če je u=vtgv, potem velja:

γnBnenAcos(an+b),

kjer je:

A=12ln(u2+v2)uu2+v2,
B=22πu2+v2[(u+1)2+v2]1/4,
a=tg1(vu)+vu2+v2,
b=tg1(vu)12(vu+1).

Vse do n=100000 Knessl-Coffeyjev približek trenutno predvideva predznak γn z eno izjemo za n=137.Predloga:R

Številske vrednosti

Prve desetiške vrednosti Stieltjesovih konstant podaja razpredelnica:

n desetiške vrednosti γn OEIS
0 +0,5772156649015328606065120900824024310421593359 Predloga:OEIS2
1 −0,0728158454836767248605863758749013191377363383 Predloga:OEIS2
2 −0,0096903631928723184845303860352125293590658061 Predloga:OEIS2
3 +0,0020538344203033458661600465427533842857158044 Predloga:OEIS2
4 +0,0023253700654673000574681701775260680009044694 Predloga:OEIS2
5 +0,0007933238173010627017533348774444448307315394 Predloga:OEIS2
6 −0,0002387693454301996098724218419080042777837151 Predloga:OEIS2
7 −0,0005272895670577510460740975054788582819962534 Predloga:OEIS2
8 −0,0003521233538030395096020521650012087417291805 Predloga:OEIS2
9 −0,0000343947744180880481779146237982273906207895 Predloga:OEIS2
10 +0,0002053328149090647946837222892370653029598537 Predloga:OEIS2
100 −4,2534015717080269623144385197278358247028931053 · 1017  
1000 −1,5709538442047449345494023425120825242380299554 · 10486  
10000 −2,2104970567221060862971082857536501900234397174 · 106883  
100000 +1,9919273063125410956582272431568589205211659777 · 1083432  

Za velike n absolutne vrednosti Stieltjesovih konstant naraščajo hitro, predznak pa se spreminja v zapletenem vzorcu.

Dodatne informacije o numeričnem določevanju Stieltjesovih konstant se lahko najde v delu avtorjev: Keiper,Predloga:R Kreminski,Predloga:R PlouffePredloga:R in Johansson.Predloga:R Johansson je podal vrednosti Stieltjesovih konstant do n=100000, vsaka točna na več kot 10000 števk. Številske vrednosti se lahko dobijo v podatkovni bazi LMFDB.Predloga:R

Posplošene Stieltjesove konstante

Splošna informacija

Bolj splošno se lahko definirajo Stieltjesove konstante γn(a), ki se pojavljajo v Laurentovi vrsti za Hurwitzevo funkcijo ζ:

ζ(s,a)=1s1+n=0(1)nn!γn(a)(s1)n.

Tu je a kompleksno število z (a)>0. Ker je Hurwitzeva funkcija ζ posplošitev Riemannove funkcije ζ, velja γn(1)=γn. Ničta konstanta je preprosto funkcija digama γ0(a)=ϝ(a).Predloga:R Za druge konstante ni znana razčlenitev na elementarne ali klasične funkcije iz analize. Ne glede na to obstaja več izrazov zanje. Na primer naslednji asimptotični izraz:

γn(a)=limm{k=0mlnn(k+a)k+alnn+1(m+a)n+1},n=0,1,2,a0,1,2,,

ki sta jo podala Berndt in Wilton. Analogon Jensen-Franelove formule za posplošeno Stieltjesovo konstanto je Hermitova formula:Predloga:R

γn(a)=[12alnan+1]lnnai0dxe2πx1{lnn(aix)aixlnn(a+ix)a+ix},n=0,1,2,a0,1,2,

Za posplošene Stieltjesove konstante velja naslednja rekurenčna zveza:

γn(a+1)=γn(a)lnnaa,n=0,1,2,a0,1,2,,

kakor tudi multiplikacijski izrek:

l=0n1γp(a+ln)=(1)pn[lnnp+1ϝ(an)]lnpn+nr=0p1(1)r(pr)γpr(an)lnrn,(n=2,3,4,),

kjer (pr) označuje binomski koeficient.Predloga:RPredloga:RPredloga:Rp

Prva posplošena Stieltjesova konstanta

Prva posplošena Stieltjesova konstanta ima več pomembnih značilnosti.

  • Malmstenova enakost (refleksijska formula za prve posplošene Stieltjesove konstante): refleksijska formula za prvo posplošeno Stieltjesovo konstanto ima obliko:
γ1(mn)γ1(1mn)=2πl=1n1sin2πmlnlnΓ(ln)π(γ+ln2πn)cotmπn,

kjer sta m in n takšni pozitivni celi števii, da velja m<n, Γ pa je funkcija Γ. Formulo so dolgo časa pripisovali Almkvistu in Meurmanu, ki sta jo izpeljala v 1990-ih.Predloga:R Vendar je nedavno Blagouchine odkril, da je to enakost, sicer v malo drugačni obliki, našel Malmsten leta 1846.Predloga:RPredloga:R

  • Izrek o racionalnih argumentih: prva posplošena Stieltjesova konstanta z racionalnim argumentom se lahko izračuna iz delno sklenjene oblike s formulo:Predloga:RPredloga:R
γ1(rm)=γ1+γ2+γln2πm+ln2πlnm+12ln2m+(γ+ln2πm)ϝ(rm)+πl=1m1sin2πrlmlnΓ(lm)+l=1m1cos2πrlmζ(0,lm),(r=1,2,3,,m1).

Alternativni dokaz je kasneje predložil Coffey.Predloga:R

  • Končne vsote: za prve posplošene Stieltjesove konstante obstaje veliko sumacijskih formul. Na primer:Predloga:Efn
r=0m1γ1(a+rm)=mlnmϝ(am)m2ln2m+mγ1(am),(a)r=1m1γ1(rm)=(m1)γ1mγlnmm2ln2mr=12m1(1)rγ1(r2m)=γ1+m(2γ+ln2+2lnm)ln2r=02m1(1)rγ1(2r+14m)=m{4πlnΓ(14)π(4ln2+3lnπ+lnm+γ)}r=1m1γ1(rm)cos2πrkm=γ1+m(γ+ln2πm)ln(2sinkπm)+m2{ζ(0,km)+ζ(0,1km)},(k=1,2,,m1)r=1m1γ1(rm)sin2πrkm=π2(γ+ln2πm)(2km)πm2{lnπlnsinkπm}+mπlnΓ(km),(k=1,2,,m1)r=1m1γ1(rm)cotπrm=π6{(1m)(m2)γ+2(m21)ln2π(m2+2)lnm}2πl=1m1llnΓ(lm)r=1m1rmγ1(rm)=12{(m1)γ1mγlnmm2ln2m}π2m(γ+ln2πm)l=1m1lcotπlmπ2l=1m1cotπlmlnΓ(lm).
  • Nekatere posebne vrednosti: nekatere posebne vrednosti prve Stieltjesove konstante z racionalnimi argumenti se lahko zreducirajo na funkcijo Γ, prvo Stieltjesovo konstanto γ1 in elementarne funkcije. Na primer:
γ1(12)=2γln2ln22+γ1=1,353459680804, Predloga:OEIS,

Vrednosti prvih posplošenih Stieltjesovih konstant v točkah 1/4, 3/4 in 1/3 sta prva neodvisno izračunala ConnonPredloga:R in Blagouchine:Predloga:R

γ1(14)=2πlnΓ(14)3π2lnπ72ln22(3γ+2π)ln2γπ2+γ1=5,518076350199, Predloga:OEIS,
γ1(34)=2πlnΓ(14)+3π2lnπ72ln22(3γ2π)ln2+γπ2+γ1=0,391298902404, Predloga:OEIS,
γ1(13)=3γ2ln334ln23+π43{ln38ln2π2γ+12lnΓ(13)}+γ1=3,259557515917, Predloga:OEIS.

Vrednosti v točkah 2/3, 1/6 in 5/6 je izračunal Blagouchine:Predloga:R

γ1(23)=3γ2ln334ln23π43{ln38ln2π2γ+12lnΓ(13)}+γ1=0,5989062842859, Predloga:OEIS,
γ1(16)=3γ2ln334ln23ln22(3ln3+2γ)ln2+3π32lnΓ(16)π23{3ln3+11ln2+152lnπ+3γ}+γ1=10,742582529547, Predloga:OEIS,
γ1(56)=3γ2ln334ln23ln22(3ln3+2γ)ln23π32lnΓ(16)+π23{3ln3+11ln2+152lnπ+3γ}+γ1=0,246169003811, Predloga:OEIS,

Podal je tudi vrednosti v točkah 1/5, 1/8 in 1/12:

γ1(15)=γ1+52{ζ(0,15)+ζ(0,45)}+π10+252lnΓ(15)+π10252lnΓ(25)+{52ln252ln(1+5)54ln5π25+10510}γ52{ln2+ln5+lnπ+π2510510}ln(1+5)+52ln22+5(15)8ln25+354ln2ln5+52ln2lnπ+54ln5lnππ(225+105+525+25)20ln2π(425+10555+25)40ln5π(55+25+25+105)10lnπ=8,030205511035, Predloga:OEIS,
γ1(18)=γ1+2{ζ(0,18)+ζ(0,78)}+2π2lnΓ(18)π2(12)lnΓ(14){1+22π+4ln2+2ln(1+2)}γ12(π+8ln2+2lnπ)ln(1+2)7(42)4ln22+12ln2lnππ(10+112)4ln2π(3+22)2lnπ=16,641719763609 Predloga:OEIS,
γ1(112)=γ1+3{ζ(0,112)+ζ(0,1112)}+4πlnΓ(14)+3π3lnΓ(13){2+32π+32ln33(13)ln2+23ln(1+3)}γ23(3ln2+ln3+lnπ)ln(1+3)7632ln2234ln23+33(13)2ln3ln2+3ln2lnππ(17+83)23ln2+π(13)34ln3π3(2+3)lnπ=29,842878232041, Predloga:OEIS,

kakor tudi nekatere druge vrednosti.

Druga posplošena Stieltjesova konstanta

Drugo posplošeno Stieltjesovo konstanto so manj raziskovali od prve. Blagouchine je pokazal, da se lahko podobno kot prva posplošena Stieltjesova konstanta druga posplošena Stieltjesova konstanta z racionalnim argumentom izračuna s pomočjo formule:

γ2(rm)=γ2+23l=1m1cos2πrlmζ(0,lm)2(γ+ln2πm)l=1m1cos2πrlmζ(0,lm)+πl=1m1sin2πrlmζ(0,lm)2π(γ+ln2πm)l=1m1sin2πrlmlnΓ(lm)2γ1lnmγ3[(γ+ln2πm)2π212]ϝ(rm)+π312cotπrmγ2ln(4π2m3)+π212(γ+lnm)γ(ln22π+4lnmln2π+2ln2m){ln22π+2ln2πlnm+23ln2m}lnm,(r=1,2,3,,m1).

Podobni rezultat je kasneje dobil Coffey z drugo metodo.Predloga:R

Opombe

Predloga:Seznam opomb

Sklici

Predloga:Refbegin Predloga:Sklici Predloga:Refend

Viri

Predloga:Refbegin

Predloga:Refend

Zunanje povezave