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Conjetura de $\sum_{m=1}^\infty\frac{y_{n+1,m}y_{n,k}}{[y_{n+1,m}-y_{n,k}]^3}\overset{?}=\frac{n+1}{8}$, donde $y_{n,k}=(\text{BesselJZero[n,k]})^2$

Mientras que la solución de una mecánica cuántica problema mediante teoría de perturbaciones me encontré con el siguiente suma $$ S_{0,1}=\sum_{m=1}^\infty\frac{y_{1,m}y_{0,1}}{[y_{1,m}-y_{0,1}]^3}, $$ donde $y_{n,k}=\left(\text{BesselJZero[n,k]}\right)^2$ es la plaza de la $k$-th cero de la función de Bessel $J_n$ de la primera clase.

Cálculo numérico utilizando Mathematica mostró que $S_{0,1}\approx 0.1250000$. Aunque no pude comprobarlo con mayor precisión he encontrado algunos otros casos análogos sumas están cerca de los números racionales. Específicamente, después de algunos experimentos que he encontrado que las sumas $$ S_{n,k}=\sum_{m=1}^\infty\frac{y_{n+1,m}y_{n,k}}{[y_{n+1,m}-y_{n,k}]^3} $$ son independientes de $k$ y han racional valores de tipo integer $n$, e hizo la siguiente conjetura

$\bf{Conjecture:}\ $ $k=1,2,3,...$ y arbitraria $n\geq 0$ $$\sum_{m=1}^\infty\frac{y_{n+1,m}y_{n,k}}{[y_{n+1,m}-y_{n,k}]^3}\desbordado{?}=\frac{n+1}{8},\\ \texto{donde}\ y_{n,k}=\left(\text{BesselJZero[n,k]}\right)^2. $$

Cómo se puede demostrar?

Parece que esta conjetura es correcta también para valores negativos de $n$. Por ejemplo, para $n=-\frac{1}{2}$ uno tiene $y_{\frac{1}{2},m}=\pi^2 m^2$, $y_{-\frac{1}{2},k}=\pi^2 \left(k-\frac{1}{2}\right)^2$ y la conjetura se convierte en (véase Claude Leibovici la respuesta para más detalles) $$ \sum_{m=1}^\infty\frac{m^2\left(k-\frac{1}{2}\right)^2}{\left(m^2-\left(k-\frac{1}{2}\right)^2\right)^3}=\frac{\pi^2}{16}. $$

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Eric Lee Puntos 136

Hay un lugar aseado prueba de ello.

En primer lugar, tenga en cuenta que ya hay un análogo para esto: DLMF §10.21 dice que una de Rayleigh la función de $\sigma_n(\nu)$ se define como una potencia similar de la serie $$ \sigma_n(\nu) = \sum_{m\geq1} y_{\nu, m}^{-n}. $$ Se vincula a http://arxiv.org/abs/math/9910128v1 entre los demás como un ejemplo de cómo para evaluar este tipo de cosas.

En su caso, llame a $\zeta_m = y_{\nu,m}$ y $z=y_{\nu-1,k}$ ($\nu$ es $n$ desplazado por $1$), por lo que después de la expansión en fracciones parciales de su suma es $$ \sum_{m\geq1} \frac{\zeta_m z}{(\zeta_m-z)^3} = \sum_{m\geq1} \frac{z^2}{(\zeta_m-z)^3} + \frac{z}{(\zeta_m-z)^2}. $$

Introducir la función $$ y_\nu(z) = z^{-\nu/2}J_\nu(z^{1/2}). $$ Por DLMF 10.6.5 sus derivados satisface las dos relaciones $$\begin{aligned} y'_\nu(z) &= (2z)^{-1} y_{\nu-1}(z) - \nu z^{-1} y_\nu(z) \\&= -\tfrac12 y_{\nu+1}(z). \end{aligned} $$

También tiene el infinito producto expansión $$ y_\nu(z) = \frac{1}{2^\nu\nu!}\prod_{k\geq1}(1 - z/\zeta_k). $$ Por lo tanto, cada suma parcial de $(\zeta_k-z)^{-s}$, $s\geq1$ puede ser evaluado en términos de los derivados de la $y_\nu$: $$ \sum_{k\geq1}(\zeta_k-z)^{s} = \frac{-1}{(s-1)!}\frac{d^s}{dz^s}\log y_\nu(z). $$ Cuando la evaluación de este logarítmica de la derivada, la derivada $y'_\nu$ puede ser expresado en términos de $y_{\nu-1}$, bajando en $\nu$, pero la derivada $y'_{\nu-1}$ puede ser expresado en términos de $y_\nu$ el uso de los otros relación que va para arriba en el índice de $\nu$. Así que incluso derivadas de orden superior sólo contienen $y_\nu$$y_{\nu-1}$.

He calculado la suma de utilizar este procedimiento con un CAS como: $$ -\tfrac12z^2(\log y)"' -z(\log y)" = \tfrac18\nu + z^{-1} P\big(y_{\nu-1}(z)/y_\nu(z)\big), $$ donde $P$ es el polinomio $$ P(q) = -\tfrac18 q^3 + (\tfrac38\nu\tfrac18) q^2 + (-\tfrac14\nu^2 + \tfrac14\nu \tfrac18)q. $$

Al $z$ es el elegido para ser cualquier raíz de $y_{\nu-1}$, $z=\mathsf{BesselJZero}[\nu-1, k]\hat{}2$, $P(q)=0$, su suma es igual a $$ \frac{\nu}{8}, $$ que es $(n+1)/8$ en su notación.

Es posible derivar una serie de formas cerradas por la suma de este tipo. Por ejemplo, mediante la diferenciación de $\log y$ diferente (ir $\nu\to\nu+1\to\nu$), se podría obtener $$ \sum_{m\geq1} \frac{y_{\nu,m}y_{\nu+1,k}}{(y_{\nu,m}-y_{\nu+1,k})^3} = -\frac{\nu}{8}. $$

Algunos otros ejemplos, para que el r.h.s. es independiente de $z$ ($\zeta_m=y_{\nu,m}, z=y_{\nu-1,l}$, $l$ arbitraria): $$ \begin{gathered} \sum_{k\geq1} \frac{\zeta_k}{(\zeta_k-z)^2} = \frac14,\\ \sum_{k\geq1} \frac{z^2}{(\zeta_k-z)^4} - \frac{1}{(\zeta_k-z)^2} + \frac1{24}\frac{5-\nu}{\zeta_k-z} = \frac{1}{48}, \\ \sum_{k\geq1} \frac{\zeta_k}{(\zeta_k-z)^4} + \frac1{96}\frac{z-\zeta_k-8+4\nu}{(\zeta_k-z)^2} = 0. \end{reunieron} $$ o con $z=y_{\nu+1,l}$, $l$ arbitrario: $$ \begin{gathered} \sum_{k\geq1} \frac{z^2}{(\zeta_k-z)^3} = -\tfrac18\nu-\tfrac14, \end{reunieron} $$ y consiguen messier con grados más altos.

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Claude Leibovici Puntos 54392

Esta es una respuesta parcial sobre la conjetura de pasado.

Si no hay error: Considerando la fracción parcial descomposición de $$A_m=\frac{m^2 x^2}{\left(m^2-x^2\right)^3}$$ $$A_m = \frac{m}{8 (m-x) ^ 3} + \frac {m} {8 (m + x) ^ 3}-\frac {1} {16 (m-x) ^ 2}-\frac {1} {16 (m + x) ^ 2}-$$ $$\frac{1}{16 m (m-x)}-\frac{1}{16 m (m+x)}$$ and then $$S(x)=\sum_{m=1}^\infty A_m=\frac \pi{16x}\Big(\cot (\pi x)+\pi x \csc ^2(\pi x)-2 \pi ^2 x^2 \cot (\pi x) \csc ^2(\pi x)\Big)$$ Then, if $k $ is an integer, $% $ $S(k-\frac 12)=\frac {\pi^2} {16}$

Usted podría interesarse por este papel.

1voto

Anthony Cramp Puntos 126

No es una respuesta todavía. Pero las referencias citadas para que la página de Wikipedia, puede permitirle obtener la respuesta.

Comienzan con la fórmula $$ J_\alpha(z) = \frac{(z/2)^\alpha}{\Gamma(\alpha+1)} \prod_{n=1}^\infty\left(1-\frac{z^2}{j_{\alpha,n}^2}\right) $$ Fuente: Wikipedia . Aquí $j_{\alpha,n}$ $n$th positivo cero de $J_\alpha$.

Tomar la derivada logarítmica para obtener $$ \frac{\alpha}{z} - \frac{J_{\alpha+1}(z)}{J_\alpha(z)} = \frac{\alpha}{z} + \sum_{n=1}^\infty\frac{2z}{z^2-j_{\alpha,n}^2} $$ Reemplace $\alpha$ $-\alpha$ y simplificar $$ \frac{J_{\alpha-1}(z)}{J_\alpha(z)} = 2\sum_{n=1}^\infty\frac{z}{j_{\alpha,n}^2-z^2} $$ Conecte $z=j_{\alpha-1,k}$ cero de $J_{\alpha-1}$: $$ 0 = 2 \sum_{n=1}^\infty \frac{j_{\alpha-1,k}}{j_{\alpha,n}^2-j_{\alpha-1,k}^2} \\ 0 = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{j_{\alpha,n}^2-j_{\alpha-1,k}^2} $$ Queremos algo como esto con la tercera potencia en el denominador.

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