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Clausen関数の初歩的な性質

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はじめに

どうもこんにちは、🐟🍊みかん🍊🐟です。今回はClausen関数とそれに類似する関数について書いていきたいと思います。最初に、Clausen関数とそれの関連する関数を定義します。

multiple Clausen function

多重Clausen関数を
Clk(θ)={ImLik(eiθ)2weightkReLik(eiθ)2weightk
で定義する。また、associated Clausen関数を
Gln(θ)={ReLik(eiθ)2weightkImLik(eiθ)2weightk
で定義する。

インデックスの向きは
Li1,2(x)=0<m<nxnmn2
という定義(つまり、右向きの流儀)を採用します。この記事ではdepth1の場合しかほとんど扱わないので、多重化した状態で定義する意味はさほどありませんが、今後書く記事で使う予定があったので一般的な状況で定義しました。以下、章としては公式一覧と証明に分けることとします。また、Bernoulli多項式を
teztez1=n=0Bn(z)tnn!
とします。

公式一覧

θ,ϕRとし、m,n,p,qQとします。

そこそこ一般的なもの

Li2n(eiθ)=Gl2n(θ)+iCl2n(θ)Li2n1(eiθ)=Cl2n1(θ)+iGl2n1(θ)Cl2n1(θ)=k=1coskθk2n1Cl2n(θ)=k=1sinkθk2nGl2n1(θ)=k=1sinkθk2n1Gl2n(θ)=k=1coskθk2n0θCl2n1(ϕ)dϕ=Cl2n(θ)0θCl2n(ϕ)dϕ=ζ(2n+1)Cl2n+1(θ)0θGl2n1(ϕ)dϕ=ζ(2n)Gl2n(θ)0θGl2n(ϕ)dϕ=Gl2n+1(θ)n!Gln(θ)=(1)1+n22n1πnBn(θ2π)1mn1Cln(mθ)=k=0m1Cln(θ+2πkm)

特殊値

Cl2n+1(π2)=2(2n+1)(122n)ζ(2n+1)Cl2n(π2)=β(2n)Cl2n+1(π3)=12(122n)(132n)ζ(2n+1)Cl2n(qπp)=1(2p)2n(2n1)!k=1psin(qkπp)[ψ(2n1)(k2p)+(1)qψ(2n1)(k+p2p)]

証明

Polylog-Clausen

Li2n(eiθ)=Gl2n(θ)+iCl2n(θ)Li2n(eiθ)=Cl2n(θ)+iGl2n(θ)

Eulerによる恒等式
eiθ=cosθ+isinθ
を用いることで、定義から従う。

次の命題も同様に証明することができるので、証明は省略する。

Fourier Series

Cl2n1(θ)=k=1coskθk2n1Cl2n(θ)=k=1sinkθk2nGl2n1(θ)=k=1sinkθk2n1Gl2n(θ)=k=1coskθk2n

これらの類似は多重Clausen関数においても成立する。

Integralate of Clausen

0θCl2n1(ϕ)dϕ=Cl2n(θ)0θCl2n(ϕ)dϕ=ζ(2n+1)Cl2n+1(θ)

命題2を使う。最初の恒等式の方は
0θCl2n1(ϕ)dϕ=0θk=1coskϕk2n1dϕ=k=1sinkθk2n
からいえて、後者も同様にすればよい。

Integralate of Glaisher

0θGl2n1(ϕ)dϕ=ζ(2n)Gl2n(θ)0θGl2n(ϕ)dϕ=Gl2n+1(θ)

これも命題2を使う。前者は
0θk=1sinkϕk2n1dϕ=k=11k2nk=1coskϕk2n
からわかる。後者も同様にすればよい。

多重Clausen的にいうなら、最後のIndexの値を大きくするような計算をすることになる。

Glaisher-Bernoulli

n!Gln(θ)=(1)1+n22n1πnBn(θ2π)

Bernoulli多項式のFourier級数表示を用いればよい。

次にClausen関数の倍角公式を示すが、これはGlaisher関数についても同様に成立するので、まとめていっぺんに示すことにする。

Multiplation

1mn1Cln(mθ)=k=0m1Cln(θ+2πkm)

直接計算によって、
k=0m1Lin(eθ+2πkm)=l=1k=0m1(eiθ+2πikm)lln=l=1(eiθ)llnk=0m1e2πiklm=l=1(eiθ)ml(ml)n=1mn1Lin(mθ)
となるので、虚部あるいは実部を比較することで得る。

特殊値に関することは具体的に代入して整理するだけなので証明はしないでおくことにする。

投稿日:202432
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