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Extraer números catalanes de la función generadora a través de residuos.

Considerar el catalán números de $C_n=\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}$, que tienen la siguiente generación de la función:

$$C(x)=\sum_{n=0}^{\infty}C_nx^n=\frac{1-\sqrt{1-4x}}{2x}.$$

Soy muy consciente de las habituales pruebas de esta identidad: por ejemplo, uno puede escribir $C(x)$ como la raíz de una ecuación cuadrática a través de la combinatoria de las identidades, o uno puede Taylor-expandir $\sqrt{1-4x}$.

Me pregunto si hay una manera de empezar de $C(x)=\frac{1-\sqrt{1-4x}}{2x}$ y extraer los coeficientes de Taylor a través de residuos de cálculo. Es decir, si hay una directa a la hora de evaluar la integral

$$\oint_{C}\frac{1-\sqrt{1-4z}}{2z^{n+1}}dz$$

para algunos seleccionados adecuadamente $C$.

6voto

Szeto Puntos 16

La solución podría haber sido mucho más corto, pero yo prefiero los detalles a la concisión.

Uno quiere mostrar que $$C_n=\frac1{2\pi i}\oint_{C}\frac{1-\sqrt{1-4z}}{2z}\frac{dz}{z^{n+1}}$$

Es fácil ver $$\oint_{C}\frac{1-\sqrt{1-4z}}{2z}\frac{dz}{z^{n+1}}=-\frac12\oint_{C}\frac{\sqrt{1-4z}}{z^{n+2}}dz$$


Definiciones

Vamos a tomar la rama de corte de $\sqrt{1-4z}$ a $\mathbb R_{\ge1/4}$, es decir, $$\sqrt{1-4z}=\exp\bigg[\frac{\ln|1-4z|+i\arg(1-4z)}2\bigg]\qquad{\arg(1-4z)\in[-\pi,\pi)}$$

Voy a mostrar cómo evaluar

$$I_n:=\oint_C\sqrt{1-4z}~~ z^{-n-2}dz$$ directamente.


La descomposición de la integral de contorno

Tome $C$ a ser el ojo de la cerradura de contorno centrado en $1/4$ que evita la rama de corte.

Las dos integrales, una alrededor del punto de ramificación y uno a lo largo del círculo infinitamente grande, se desvanecen.

La integral sobre el eje real $I^+$ es (usando la parametrización $z=\frac14+te^{i\theta}$, por debajo del límite $\theta\to0^+$)

$$\begin{align} I^+ &=\lim_{\theta\to0^+}\int^\infty_0\frac{\sqrt{1-4(1/4+te^{i\theta})}} {(1/4+te^{i\theta})^{n+2}}e^{i\theta}dt \\ &=\int^\infty_0\frac{\lim_{\theta\to0^+}\sqrt{4te^{i(\theta-\pi)}}} {(1/4+t)^{n+2}}dt \\ &=-2i\int^\infty_0\frac{\sqrt{t}}{(1/4+t)^{n+2}}dt \\ \end{align} $$

La integral por debajo del eje real $I^-$ es (usando la parametrización $z=\frac14+te^{i\theta}$, por debajo del límite $\theta\to2\pi^-$) $$\begin{align} I^- &=\lim_{\theta\to2\pi^-}\int_\infty^0\frac{\sqrt{1-4(1/4+te^{i\theta})}}{(1/4+te^{i\theta})^{n+2}}e^{i\theta}dt \\ &=\int_\infty^0\frac{\lim_{\theta\to2\pi^-}\sqrt{4te^{i(\theta-\pi)}}}{(1/4+t)^{n+2}}dt \\ &=-2i\int^\infty_0\frac{\sqrt{t}}{(1/4+t)^{n+2}}dt=I^+ \end{align} $$

Por lo tanto, $I_n\equiv I^+ + I^-=2I^+=-4i\displaystyle{\int^\infty_0\frac{\sqrt{t}}{(1/4+t)^{n+2}}dt}$.


La evaluación de $I_n$ directamente

Por la sustitución de $u=\frac1{1+4t}$, $$\begin{align} \frac1{-4i}I_n &=\int^\infty_0\frac{\sqrt{t}}{(1/4+t)^{n+2}}dt \\ &=2^{2n+1}\int^1_0\sqrt{1-u}~~u^{n-1/2}du \\ &=2^{2n+1}B\left(\frac32,n+\frac12\right)\\ &=2^{2n+1}\cdot\Gamma(3/2)\cdot\Gamma(n+1/2)\cdot\frac1{\Gamma(n+2)}\\ &=2^{2n+1}\cdot\frac{\sqrt\pi}{2}\cdot\frac{(2n)!}{2^{2n}n!}\sqrt\pi\cdot\frac1{n+1}\frac1{n!}\\ &=\pi\cdot\frac1{n+1}\binom{2n}{n}\\ I_n&=\frac{-4\pi i}{n+1}\binom{2n}{n}\\ \end{align} $$


Montaje

$$\oint_{C}\frac{1-\sqrt{1-4z}}{2z^{n+2}}dz=-\frac12\oint_{C}\frac{\sqrt{1-4z}}{z^{n+2}}dz=-\frac12I_n$$ $$=-\frac12\cdot\frac{-4\pi i}{n+1}\binom{2n}{n}=2\pi i\frac1{n+1}\binom{2n}{n}$$

Por lo tanto, $$\color{red}{\oint_{C}\frac{1-\sqrt{1-4z}}{2z}\frac{dz}{z^{n+1}}=2\pi i~C_n}$$ como se esperaba.

1voto

Marko Riedel Puntos 19255

Con la ecuación funcional

$$C(z) = 1 + z C(z)^2$$

y la solución

$$C(z) = \frac{1-\sqrt{1-4z}}{2z}$$

podemos elegir la rama de corte de la raíz cuadrada a se $(1/4, +\infty)$ así que tenemos una analítica de la función en el barrio de la el origen y la de Cauchy Coeficiente de la Fórmula se aplica.

Tenemos

$$n C_n = [z^{n-1}] C'(z) = \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z^n} C'(z) \; dz.$$

Con la sustitución de $C(z) = w$ tenemos que $z = (w-1)/w^2$ así que

$$n C_n = \frac{1}{2\pi i} \int_{|w-1|=\gamma} \frac{w^{2n}}{(w-1)^n} \; dw \\ = \frac{1}{2\pi i} \int_{|w-1|=\gamma} \frac{1}{(w-1)^n} \sum_{q=0}^{2n} {2n\elegir q} (w-1)^q \; dw \\ = {2n\elegir n-1}.$$

Por lo tanto, tienen

$$C_n = \frac{1}{n} {2n\elegir n-1} = \frac{1}{n+1} {2n\elegir n}$$

como se requiere. Esto era para $n\ge 1$ y vemos que esta última fórmula también se obtiene el valor correcto para $n=0.$ Aquí hemos hecho uso de la hecho de que $C(z) = 1 + z + \cdots$ por lo que la imagen de contorno del círculo $|z|=\epsilon$ puede ser deformado a un círculo de $|w-1|=\gamma$ hacer un solo turno. La rama elegida corte, de hecho, corresponde a la rama principal del logaritmo con el argumento de $(-\pi, \pi].$

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