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ディリクレのL関数の自然数における値

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$$\newcommand{acoloneqq}[0]{\ &\hspace-2pt\coloneqq} \newcommand{ar}[1]{\operatorname{ar{#1}}} \newcommand{arc}[1]{\operatorname{arc{#1}}} \newcommand{asupplement}[1]{&\hspace{#1}\textsf} \newcommand{beginend}[2]{{\begin{#1}#2\end{#1}}} \newcommand{bm}[0]{\boldsymbol} \newcommand{bscolor}[1]{\color{var(--bs-#1)}} \newcommand{bscolorbox}[1]{\colorbox{var(--bs-#1)}} \newcommand{bsrowcolor}[1]{\rowcolor{var(--bs-#1)}} \newcommand{C}[0]{\mathbb C} \newcommand{Defarrow}[0]{\xLeftrightarrow{\textrm{def}}} \newcommand{eocase}[1]{{n:\textsf{{#1}数}\land\chi:\textsf{{#1}指標}}} \newcommand{fqty}[0]{\!\qty} \newcommand{hcfrac}[3]{{\frac{#1}{#2}\genfrac{}{}0{}{}{#3}}} \newcommand{hen}[1]{{(\textrm{{#1}辺})}} \newcommand{hygeo}[6]{{{}_{#1}{#2}_{#3}{\qty[\beginend{matrix*}{#4\\ #5}\ ;{#6}]}}} \newcommand{In}[0]{\in\mathbb} \newcommand{kfrac}[0]{\mathop{\Large\raise-.8pt{\textrm K}}} \newcommand{Kfrac}[0]{\mathop{\huge\raise-2.2pt{\textrm K}}} \newcommand{kome}[0]{\textreferencemark} \newcommand{leftshiftarrow}[0]{{\substack{\curvearrowright\\ \leftharpoondown}}} \newcommand{lr}[3]{{\left#1{#2}\right#3}} \newcommand{lvvr}[2]{\lr{#1}{\negmedspace\lr|{#2}|\negmedspace}} \newcommand{N}[0]{\mathbb N} \newcommand{newop}[1]{\DeclareMathOperator{#1}{#1}} \newcommand{ot}[0]{\leftarrow} \newcommand{P}[0]{\mathbb P} \newcommand{Q}[0]{\mathbb Q} \newcommand{qbt}[1]{{\quad\because\textsf{#1}}} \newcommand{R}[0]{\mathbb R} \newcommand{RANGE}[0]{}\newcommand{rangeex}[6][,]{{#2{#3}_{#5}#4#1\cdots#1#2{#3}_{#6}#4}}\newcommand{range}[2][,]{\rangeex[#1]{}{#2}{}}{} \newcommand{REQUIRE}[0]{}\require{physics}{} \newcommand{rightshiftarrow}[0]{{\substack{\curvearrowleft\\ \rightharpoondown}}} \newcommand{rprod}[0]{\mathop{\prod\!\llap\coprod}} \newcommand{sahen}[0]{\hen左} \newcommand{STIRLING}[0]{}\newcommand{stirling}[3][]{{\qty[\beginend{matrix}{{#2}\\ {#3}}{#1}]}}\newcommand{Stirling}[3][]{{\qty{\beginend{matrix}{{#2}\\ {#3}}{#1}}}}{} \newcommand{uhen}[0]{\hen右} \newcommand{vbin}[1]{\mathbin{{#1}\!\llap|\ }} \newcommand{Z}[0]{\mathbb Z} \newcommand{zzCOMPLEXPARTS}[0]{}\let\Re\relax\newop{Re}\let\Im\relax\newop{Im}{} $$

定理

$\chi:$$N$のディリクレ指標。

$N\ge2,n\ge1$
$(\eocase偶)\lor(\eocase奇)$
$\displaystyle L(n,\chi) = -\frac1{2\cdot(n-1)!}\qty(-\frac\pi N)^n \sum_{k=1}^{N-1} \chi(k)\cot^{(n-1)}\frac{\pi k}N$

補題

$\displaystyle \sum_{k=0}^\infty \qty[(z+k)^{-n}+(z-k-1)^{-n}] = -\frac{(-\pi)^n}{(n-1)!}\cot^{(n-1)}(\pi z)$

三角関数の部分分数展開 より、
$\displaystyle \pi\cot(\pi z) = \lim_{j\to\infty} \sum_{|k|\le j} \frac1{z+k} = \sum_{k=0}^\infty \qty(\frac1{z+k}+\frac1{z-k-1})$
これを$n-1$階微分する。

証明

$\beginend{align}{ \sahen &= \sum_{j=0}^\infty \sum_{k=1}^{N-1} \chi(k)(Nj+k)^{-n} \\&= \frac12\sum_{j=0}^\infty \sum_{k=1}^{N-1} \qty[\chi(k)(Nj+k)^{-n}+\chi(N-k)(Nj+N-k)^{-n}] \\&= \frac12\sum_{j=0}^\infty \sum_{k=1}^{N-1} \chi(k)\fqty[(Nj+k)^{-n}+(-1)^n(Nj+N-k)^{-n}] \qbt{$n$と$\chi$の偶奇性の一致。} \\&= \frac{N^{-n}}2\sum_{k=1}^{N-1} \chi(k)\sum_{j=0}^\infty \qty[\qty(\frac kN+j)^{-n}+\qty(\frac kN-j-1)^{-n}] \\&= \uhen \qbt{補題2} }$

投稿日:20231215
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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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