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大学数学基礎解説
文献あり

リーマンゼータ関数を多重対数関数の和に分解する

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$$\newcommand{acoloneqq}[0]{\ &\hspace-2pt\coloneqq} \newcommand{ar}[1]{\operatorname{ar{#1}}} \newcommand{asupplement}[1]{&\hspace{#1}\textsf} \newcommand{beginend}[2]{{\begin{#1}#2\end{#1}}} \newcommand{bm}[0]{\boldsymbol} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{Defarrow}[0]{\xLeftrightarrow{\textrm{def}}} \newcommand{hen}[1]{{(\textrm{{#1}辺})}} \newcommand{hygeo}[6]{{{}_{#1}{#2}_{#3}\lr[{\beginend{matrix}{{#4}\\ {#5}}\ ;{#6}}]}} \newcommand{kfrac}[0]{\mathop{\Large\raise-1.8pt{\textrm K}}} \newcommand{Kfrac}[0]{\mathop{\huge\raise-2.2pt{\textrm K}}} \newcommand{kome}[0]{\text※} \newcommand{leftshiftarrow}[0]{{\substack{\curvearrowright\\ \leftharpoondown}}} \newcommand{lr}[3]{{\left#1{#2}\right#3}} \newcommand{lvvr}[3]{\lr{#1}{\negmedspace\lr|{#2}|\negmedspace}{#3}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{ot}[0]{\leftarrow} \newcommand{P}[0]{\mathbb{P}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{range}[1]{\rangeex{}{#1}{}} \newcommand{Range}[1]{\Rangeex{}{#1}{}} \newcommand{rangeex}[5]{\Rangeex{#1}{#2}{#3}{#4}{#5},} \newcommand{Rangeex}[6]{{#1{#2}_{#4}#3#6\cdots#6#1{#2}_{#5}#3}} \newcommand{rightshiftarrow}[0]{{\substack{\curvearrowleft\\ \rightharpoondown}}} \newcommand{rmIm}[0]{\operatorname{Im}} \newcommand{rmRe}[0]{\operatorname{Re}} \newcommand{rprod}[0]{\mathop{\prod\!\llap\coprod}} \newcommand{sahen}[0]{\hen左} \newcommand{SETUP}[0]{}\require{physics}{} \newcommand{slfrac}[2]{{{}^{#1}\hspace-4pt\diagup\hspace-4pt_{#2}}} \newcommand{stirling}[3]{\lr[{\beginend{matrix}{{#1}\\ {#2}}{#3}}]} \newcommand{Stirling}[3]{\lr\{{\beginend{matrix}{{#1}\\ {#2}}{#3}}\}} \newcommand{uhen}[0]{\hen右} \newcommand{vbin}[1]{\mathbin{{#1}\!\llap|\ }} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$
本題
$ \color{white}\Large\beginend{array}{l s\in\Z_{\ge2} \\ \displaystyle \zeta(s) = \mathrm{Li}_{\{1\}^{s-2},2}(1-z) + \sum_{k=0}^{s-1} \frac{(-\ln z)^k}{k!} \mathrm{Li}_{s-k}(z) }$

$\zeta(s)=\zeta{\qty(\{1\}^{s-2},2)}$の一般化とも言えます。

定義

$\zeta(\bm s)$ 多重ゼータ値
$\mathrm{Li}_{\bm s}(z),\mathrm{Li}^\star_{\bm s}(z) $ 多重ポリログ
$\vbin<,\sum \bm s$ 多重ゼータ値用略記
$\vbin<$

$\bm s:1\to m \Defarrow \bm s \coloneqq (s_1,\range s2m)$
$a\vbin<\bm x_{[1\to m]} \Defarrow a< x_1< x_2<\cdots< x_m$
$\displaystyle \prod_{1\to m} \bm n^{-\bm s} \coloneqq \prod_{k=1}^m n_k^{-s_k}$

$\bm s:1\to m$
$\beginend{align}{ \zeta(\bm s) \acoloneqq \sum_{0\vbin<\bm n_{[1\to m]}} \prod \bm n^{-\bm s} \\ \mathrm{Li}_{\bm s}(z) \acoloneqq \sum_{0\vbin<\bm n_{[1\to m]}} z^{n_m}\prod \bm n^{-\bm s} }$

$\bm\varepsilon\in\{0,1\}:1\to r$
$\beginend{align}{ I_{x,y}(\bm\varepsilon) \acoloneqq \int_{x\vbin\le\bm t_{[1\to r]}\le y} \prod \frac{\dd{\bm t}}{\bm\varepsilon+(-1)^{\bm\varepsilon}\bm t} \\ I_{x,y}(\varnothing) \acoloneqq 1 \\ I(\bm\varepsilon) \acoloneqq I_{0,1}(\bm\varepsilon) }$

$a\le b$
$a\vbin\le\varnothing\le b\Defarrow\top$

定理

$I_{x,y}(\bm\varepsilon) = I_{1-y,1-x}{\qty(1-\overleftarrow{\bm\varepsilon})}$

$\mathrm{Li}_{\bm s}(z) = I_{0,z}{\qty(\qty{1,\{0\}^{s_k-1}}_{k=1}^m)}$

$\mathrm{Li}_{\{1\}^m}(z) = \dfrac{(-\ln(1-z))^m}{m!}$

$\displaystyle \uhen = \frac1{m!}\qty(\int_0^z \frac{\dd t}{1-t})^m = \int_{0\vbin\le \bm t_{[1\to m]}\le z} \prod \frac{\dd{\bm t}}{1-\bm t} = I_{0,z}{\qty(\{1\}^m)} = \sahen$

$a\le c\le b$
$\bm x:1\to m$
$\displaystyle a\vbin\le \bm x\le b\Longleftrightarrow \bigvee_{k=0}^m a\vbin\le\bm x_{[\to k]}\le c\vbin\le\bm x_{[k+1\to]}\le b$

$m=3$$ \beginend{alignat}{4 a\le t_1\le t_2\le t_3\le b \Longleftrightarrow& &&{\color{blue}c}&&\le\ t_1\le &&\ t_2\le &&\ t_3\le b \\ &{}\vee{} &&a &&\le\ t_1\le {\color{blue}c}\le &&\ t_2\le &&\ t_3\le b \\ &{}\vee{} &&a &&\le\ t_1\le &&\ t_2\le {\color{blue}c}\le &&\ t_3\le b \\ &{}\vee{} &&a &&\le\ t_1\le &&\ t_2\le &&\ t_3\le {\color{blue}c}&& }$

$\displaystyle I_{x,y}(\bm\varepsilon) = \sum_{k=0}^r I_{x,z}{\qty(\bm\varepsilon_{[\to k]})} I_{z,y}{\qty(\bm\varepsilon_{[k+1\to]})}$

本題 定理5

$\beginend{array}{l s\in\Z_{\ge2} \\ \displaystyle \zeta(s) = \mathrm{Li}_{\{1\}^{s-2},2}(1-z) + \sum_{k=0}^{s-1} \frac{(-\ln z)^k}{k!} \mathrm{Li}_{s-k}(z) }$

$\bm\varepsilon \coloneqq \qty(1,\{0\}^{s-1})$
$\beginend{align}{ \sahen &= I(\bm\varepsilon) = \sum_{k=0}^s I_{0,z}{\qty(\bm\varepsilon_{[\to k]})} I_{z,1}{\qty(\bm\varepsilon_{[k+1\to]})} \\&= \sum_{k=0}^s I_{0,z}{\qty(\bm\varepsilon_{[\to k]})} I_{0,1-z}{\qty(1-\overleftarrow{\bm\varepsilon_{[k+1\to]}})} \\&= I_{0,1-z}{\qty(\{1\}^{s-1},0)} + \sum_{k=1}^s I_{0,z}{\qty(1,\{0\}^{k-1})} I_{0,1-z}{\qty(\{1\}^{s-k})} \\&= \mathrm{Li}_{\{1\}^{s-2},2}(1-z) + \sum_{k=1}^s \mathrm{Li}_k(z)\mathrm{Li}_{\{1\}^{s-k}}(1-z) \\&= \mathrm{Li}_{\{1\}^{s-2},2}(1-z) + \sum_{k=1}^s \frac{(-\ln z)^{s-k}}{(s-k)!} \mathrm{Li}_k(z) \quad\because\textsf{補題3} \\&= \uhen }$

$\beginend{array}{l \zeta(2) = \mathrm{Li}_2(z)+\mathrm{Li}_2(1-z)+\ln z\ln(1-z) \\ \zeta(3) = \mathrm{Li}_3(z)+\mathrm{Li}_{1,2}(1-z)- \ln z\,\mathrm{Li}_2(z)-\dfrac{\ln^2z\ln(1-z)}2 \\ z=\frac12 \\ \zeta(2) = 2\mathrm{Li}_2{\qty(\dfrac12)}+\ln^22 \\ \zeta(3) = \mathrm{Li}^\star_{1,2}{\qty(\dfrac12)}+\dfrac{\pi^2\ln2}{12} \quad\because\small \mathrm{Li}_3{\qty(\dfrac12)}+\mathrm{Li}_{1,2}{\qty(\dfrac12)} = \mathrm{Li}^\star_{1,2}{\qty(\dfrac12)} }$

参考文献

投稿日:20231021

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投稿者

著者の記事における命題は大半が自分で発見したものであり、 何かしらの論文などに基づいたものではありません。

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