今回は∫0∞xs−1ex−1dxについて考えてみたいと思います。s=4を代入した積分値はPlanckの輻射式からStefan-Boltzmann定数を導く際に使われます。
まず初めにΓ関数とRiemannのζ関数の定義を紹介します。
Re(s)>0となる複素数sについてΓ(s):=∫0∞e−tts−1dt
Re(s)>0となる複素数sについてζ(s):=∑n=1∞1ns
今回考えている積分をこれらを用いて表してみます。
となる複素数についてRe(s)>1となる複素数sについて∫0∞xs−1ex−1dx=Γ(s)ζ(s)この式からζ(s)=1Γ(s)∫0∞xs−1ex−1dxとなり、これはζの定義式でもあります。
&&&prf (証明終)∫0∞xs−1ex−1dx=∫0∞xs−1e−x1−e−xdx=∫0∞xs−1e−x∑k=0∞e−kxdx=∫0∞∑k=1∞e−kxxs−1dx=∑k=1∞∫0∞e−kxxs−1dx=∑k=1∞∫0∞e−y(yk)s−1dyk=∑k=1∞1ks∫0∞e−yys−1dy=∑k=1∞1ksΓ(s)=Γ(s)ζ(s) (証明終)
本来ならばζ(s)=の形で書いた方がいいと思いますが、最初に述べたようにStefan-Boltzmann定数の導出という点に重きを置きたかったので以上のような変な記述をしました。
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