次の等式を証明する。
THEOREM1.∑n=1∞tanhπnn(n2−z2)+∑n=0∞1(n+12)((n+12)2+z2)tanhπ(n+12)=π2z2(1−tanhπztanπz)2.∑n=1∞1(n2−z2)coshπn+∑n=0∞(−1)n((n+12)2+z2)tanhπ(n+12)=12z2(1−πztanπzcoshπz)3.∑n=1∞n(n4−z4)tanhπn=π4z2(1π2z2−1tanπztanhπz)4.∑n=1∞1(n2−z2)cosh2πn+∑n=0∞(1((n+12)2+z2)tanh2π(n+12)+2n+1π((n+12)2+z2)2tanhπ(n+12))=πtanhπz2z+12z2−π2ztanπzcosh2πz
∑n=1∞tanhπnn(n2−z2)=∑n=1∞2n(n2−z2)∫0∞sin2πnxsinhπxdx=∑n=1∞2n(n2−z2)∑m=0∞∫mm+1sin2πnxsinhπxdx=∑m=0∞∑n=1∞2n(n2−z2)∫01sin2πn(x+m)sinhπ(x+m)dx=∑m=0∞∑n=1∞2n(n2−z2)∫01sin2πnxsinhπ(x+m)dx=2∑m=0∞∫012eπ(x+m)−e−π(x+m)∑n=1∞sin2πnxn(n2−z2)dx=4∑m,n=0∞∫01e−π(x+m)(2n+1)π2z2(2x−sin2πzxtanπz−1+cos2πzx)dx=2πz2∑n=0∞11−e−π(2n+1)∫01e−π(2n+1)x(2x−sin2πzxtanπz−1+cos2πzx)dx=2π3z2∑n=0∞11−e−π(2n+1)1π2(2n+1)2(π2(2n+1)2+(2πz)2)(2(1−e−π(2n+1))(4z2+(2n+1)2(1−πztanπz))−4πz2(2n+1)(1+e−π(2n+1)))=−∑n=0∞1(n+12)((n+12)2+z2)tanhπ(n+12)+16π∑n=0∞1(2n+1)2((2n+1)2+(2z)2)+4πz2(1−πztanπz)∑n=0∞1(2n+1)2+(2z)2=−∑n=0∞1(n+12)((n+12)2+z2)tanhπ(n+12)+16ππ(πz−tanhπz)32z3+4πz2(1−πztanπz)πtanhπz8z=−∑n=0∞1(n+12)((n+12)2+z2)tanhπ(n+12)+π2z2(1−tanhπztanπz)
1の場合とほとんど同じ流れなので略証明を示す。
∑n=1∞1(n2−z2)coshπn=∑n=1∞2n2−z2∫0∞cos2πnxcoshπxdx=∑m=0∞∑n=1∞2n2−z2∫01cos2πnxcoshπ(x+m)dx=4∑m=0∞∫01e−π(x+m)1+e−2π(x+m)∑n=1∞cos2πnxn2−z2dx=2z2∑n=0∞(−1)n1−e−π(2n+1)∫01e−π(2n+1)x(1−πzsin2πzx−πzcos2πzxtanπz)dx=2z2∑n=0∞(−1)n(1π(2n+1)−1π2n+1(2n+1)2+(2z)2πztanπz−2z2((2n+1)2+(2z)2)tanhπ(n+12))=12z2(1−πztanπzcoshπz)−∑n=0∞(−1)n((n+12)2+z2)tanhπ(n+12)
元となった積分は
∫0∞sin2πnxe2πx−1dx=14(1tanhπn−1πn)
であり,これに対して1n(n2−z2)をかけて和をとる。
∫0∞xcos2πnxsinhπxdx=14cosh2πn
であり,これに対して1n2−z2をかけて和をとる。
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