Άθροισμα Euler με ουρά ζ(2)

Συντονιστές: grigkost, Κοτρώνης Αναστάσιος

Άβαταρ μέλους
Tolaso J Kos
Δημοσιεύσεις: 5550
Εγγραφή: Κυρ Αύγ 05, 2012 10:09 pm
Τοποθεσία: International
Επικοινωνία:

Άθροισμα Euler με ουρά ζ(2)

#1

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Tolaso J Kos » Πέμ Δεκ 17, 2015 12:13 pm

Να δείξετε ότι: \displaystyle{\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{\mathcal{H}_n}{n}\left(\zeta(2) - \sum\limits_{k=1}^{n} \frac{1}{n^2}\right) =  \dfrac{7}{4}\zeta(4)}.


Η φαντασία είναι σημαντικότερη από τη γνώση !
\displaystyle{{\color{blue}\mathbf{Life=\int_{birth}^{death}\frac{happiness}{time}\Delta time} }}
galactus
Δημοσιεύσεις: 22
Εγγραφή: Κυρ Ιαν 29, 2012 3:10 pm

Re: Άθροισμα Euler με ουρά ζ(2)

#2

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από galactus » Πέμ Δεκ 17, 2015 4:04 pm

Ξεκινάμε με τη γνωστή γεννήτρια:

\displaystyle{1/2\left[\zeta(s)-\zeta(2s)\right]=\frac{(-1)^{s-1}}{(s-1)!}\int_{0}^{1}\frac{\log^{s-1}(v)Li_{s}(v)}{1-v}dv}

s=2:

\displaystyle{\frac{-3}{4}\zeta(4)=\int_{0}^{1}\frac{\log(v)Li_{2}(v)}{1-v}dv.....[1]}

\displaystyle{\zeta(2)-\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k^{2}}=\zeta(2)-H_{n}^{(2)}=\psi_{1}(n+1)....[2]}

\displaystyle{\int_{0}^{1}u^{n-1}\log(1-u)du=\frac{H_{n}}{n}....[3]}

\displaystyle{\sum_{k=1}^{\infty}\int_{0}^{1}v^{n+k-1}\log(v)dy=\psi_{1}(n+1)......[4]}

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
σκεφτείτε:

\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_{n}}{n}\psi_{1}(n+1)}

[3] και [4]:

\displaystyle{\int_{0}^{1}u^{n-1}\log(1-u)du\sum_{k=1}^{\infty}\int_{0}^{1}v^{n+k-1}\log(v)dv}

γεωμετρική σειρά:

\displaystyle{\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}u^{n-1}v^{n}\cdot \frac{\log(1-u)\log(v)}{1-v}dudv}

έτσι:

\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_{n}}{n}\psi_{1}(n+1)=\sum_{n=1}^{\infty}\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\frac{u^{n-1}v^{n}\log(1-u)\log(v)}{1-v}dudv}

\displaystyle{=\int_{0}^{1}\frac{v\log(v)}{1-v}\int_{0}^{1}\frac{\log(1-v)}{1-uv}dudv}

αλλά: \displaystyle{\int_{0}^{1}\frac{\log(1-v)}{1-uv}du=\frac{1}{v}Li_{2}\left(\frac{v}{v-1}\right)}

και \displaystyle{-Li_{2}\left(\frac{v}{v-1}\right)=1/2\log^{2}(1-v)+Li_{2}(v)}


όθεν \displaystyle{-\int_{0}^{1}\frac{\log(v)}{1-v}\left(1/2\log^{2}(1-v)+Li_{2}(v)\right)=-1/2\int_{0}^{1}\frac{\log(v)\log^{2}(1-v)}{1-v}dv+\int_{0}^{1}\frac{\log(v)Li_{2}(v)}{1-v}dv}

\displaystyle{-1/2\cdot 2\left[1/2\log^{2}(1-v)Li_{2}(1-v)-\log(1-v)Li_{3}(1-v)+Li_{4}(1-v)-\zeta(4)\right]|_{0}^{1}+[1]}

\displaystyle{-\left(-\zeta(2)-\frac{3}{4}\zeta(4)\right)=\boxed{\frac{7}{4}\zeta(4)}}


Άβαταρ μέλους
pprime
Δημοσιεύσεις: 39
Εγγραφή: Κυρ Μαρ 16, 2014 1:54 am

Re: Άθροισμα Euler με ουρά ζ(2)

#3

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από pprime » Κυρ Σεπ 03, 2017 7:41 am

Tolaso J Kos έγραψε:Να δείξετε ότι: \displaystyle{\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{\mathcal{H}_n}{n}\left(\zeta(2) - \sum\limits_{k=1}^{n} \frac{1}{n^2}\right) =  \dfrac{7}{4}\zeta(4)}.
\displaystyle{\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\frac{H_{n}}{n}\left( \zeta \left( 2 \right)-\sum\limits_{k=1}^{n}{\frac{1}{k^{2}}} \right)}=\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\frac{\psi _{1}\left( n+1 \right)}{n}H_{n}}=-\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\frac{H_{n}}{n}\int\limits_{0}^{1}{\frac{x^{n}\ln x}{1-x}dx}}=-\int\limits_{0}^{1}{\left( \frac{x\ln x}{1-x}\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\frac{H_{n}}{n}x^{n-1}} \right)dx}}

\displaystyle{=-\int\limits_{0}^{1}{\frac{x\ln x}{1-x}\left( \sum\limits_{n=0}^{+\infty }{\frac{x^{n}}{n+1}H_{n+1}} \right)dx}=-\int\limits_{0}^{1}{\frac{x\ln x}{1-x}\left( \frac{1}{x}\sum\limits_{n=0}^{+\infty }{\frac{H_{n}+\frac{1}{n+1}}{n+1}x^{n+1}} \right)dx}}

\displaystyle{=-\int\limits_{0}^{1}{\frac{x\ln x}{1-x}\left( 1+\frac{1}{x}\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\left( \frac{1}{\left( n+1 \right)^{2}}+\frac{H_{n}}{n+1} \right)x^{n+1}} \right)dx}}

\displaystyle{=-\int\limits_{0}^{1}{\frac{x\ln x}{1-x}\left( 1+\frac{1}{x}\sum\limits_{n=2}^{+\infty }{\frac{x^{n}}{n^{2}}}+\frac{1}{x}\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\frac{H_{n}}{n+1}x^{n+1}} \right)dx}=-\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln x}{1-x}\left( \frac{\ln ^{2}\left( 1-x \right)}{2}+\text{Li}_{2}\left( x \right) \right)dx}}

\displaystyle{=-\frac{1}{2}\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln x\ln ^{2}\left( 1-x \right)}{1-x}dx}-\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln x\text{Li}_{2}\left( x \right)}{1-x}dx}=\frac{\pi ^{4}}{90}+\frac{3}{4}\cdot \frac{\pi ^{4}}{90}=\frac{7\pi ^{4}}{360}}

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
(*)
\displaystyle{\int\limits_{0}^{1}{t^{x-1}\left( 1-t \right)^{y-1}\ln t\ln ^{2}\left( 1-t \right)dt}=\frac{d^{2}}{dy^{2}}\left( \frac{d\beta \left( x,y \right)}{dx} \right)=\frac{d^{2}}{dy^{2}}\left( \left( \psi \left( x \right)-\psi \left( x+y \right) \right)\beta \left( x,y \right) \right)}

\displaystyle{=\left( \psi \left( x \right)-\psi \left( x+y \right) \right)\left( \left( \psi \left( y \right)-\psi \left( x+y \right) \right)^{2}\beta \left( x,y \right)+\left( \psi _{1}\left( y \right)-\psi _{1}\left( x+y \right) \right)\beta \left( x,y \right) \right)}

\displaystyle{-2\left( \psi \left( y \right)-\psi \left( x+y \right) \right)\psi _{1}\left( x+y \right)\beta \left( x,y \right)-\psi _{2}\left( x+y \right)\beta \left( x,y \right)}

(**)
\displaystyle{\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln x\text{Li}_{2}\left( x \right)}{1-x}dx}=\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln \left( 1-x \right)\text{Li}_{2}\left( 1-x \right)}{x}dx}}

\displaystyle{\text{Li}_{2}\left( x \right)+\text{Li}_{2}\left( 1-x \right)=\zeta \left( 2 \right)-\ln x\ln \left( 1-x \right)}

\displaystyle{\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln x\text{Li}_{2}\left( x \right)}{1-x}dx}=\zeta \left( 2 \right)\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln \left( 1-x \right)}{x}dx}-\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln \left( 1-x \right)\text{Li}_{2}\left( x \right)}{x}dx}-\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln \left( x \right)\ln ^{2}\left( 1-x \right)}{x}dx}}

\displaystyle{=-\zeta \left( 2 \right)\text{Li}_{2}\left( 1 \right)+\frac{1}{2}\left( \text{Li}_{2}\left( 1 \right) \right)^{2}-\int\limits_{0}^{1}{\frac{\ln \left( x \right)\ln ^{2}\left( 1-x \right)}{x}dx}=-\frac{3}{2}\left( \text{Li}_{2}\left( 1 \right) \right)^{2}-\frac{d^{2}}{dy^{2}}\left( \frac{d\beta \left( x,y \right)}{dx} \right)_{\left( x\to 0,y\to 1 \right)}}

\displaystyle{=\frac{1}{2}\left( \frac{\pi ^{2}}{6} \right)^{2}-\left( -\frac{\pi ^{4}}{180} \right)=\frac{\pi ^{4}}{180}-\frac{\pi ^{4}}{72}=-\frac{\pi ^{4}}{120}}


Απάντηση

Επιστροφή σε “ΑΝΑΛΥΣΗ”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 6 επισκέπτες