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Algunas identidades con la función zeta de Riemann.

Alguien puede ayudar a derivar o dar una referencia a las identidades en el Apéndice B, página 27 de este, http://arxiv.org/pdf/1111.6290v2.pdf

Aquí está una reproducción del Apéndice B de Klebanov, Pufu, Sachdev y Safdi s $2012$ preprint (v2) 'Renyi Entropías Gratis Campo de las Teorías" (de la fuente en arxiv.org y con la esperanza de que no hay ningún problema citando aquí...(RM)).


B Útil de fórmulas matemáticas

En esta sección presentamos algunos útiles de fórmulas matemáticas. Comenzamos con zeta función de las identidades.

Para $0 < a \leq 1$ tenemos la identidad $$\etiqueta{B. 1} \zeta(z, a) = \frac{2 \Gamma(1 - z)}{(2 \pi)^{1-z}} \left[\sin \frac{z \pi}{2} \sum_{n=1}^\infty \frac{\cos 2 \pi a n}{n^{1-z}} + \cos \frac{z \pi}{2} \sum_{n=1}^\infty \frac{\pecado 2 \pi a n}{n^{1-z}} \right] \,$$

Tomando derivados a $z=0, -1, -2$ da

\begin{align} \zeta'(-2, a) &= - \frac{1}{4 \pi^2} \sum_{n=1}^\infty \frac{\cos 2 \pi a n}{n^3} - \frac{1}{4 \pi^3} \sum_{n=1}^\infty \frac{(2 \log (2 \pi n) + 2 \gamma - 3) \sin 2 \pi a n}{n^3} \,, \\ \tag{B.2}\zeta'(-1, a) &= \frac{1}{4 \pi} \sum_{n=1}^\infty \frac{\sin 2 \pi q n}{n^2} - \frac{1}{2 \pi^2} \sum_{n=1}^\infty \frac{(\log (2 \pi n) + \gamma - 1) \cos 2 \pi a n}{n^2} \,, \\ \zeta'(0, a) &= \frac{1}{2} \sum_{n=1}^\infty \frac{\cos 2 \pi a n}{n} + \frac{1}{\pi} \sum_{n=1}^\infty \frac{(\log (2 \pi n) + \gamma) \sin 2 \pi a n}{n} \,. \end{align}

Otros dos útiles identidades son la regularización de las sumas \begin{align} \tag{B.3}\sum_{n \in \mathbb{Z}} \log \left( \frac{n^2}{q^2} + a^2 \right) &= 2 \log \left[2 \sinh (\pi q |a|) \right] \,, \\ \sum_{n \in \mathbb{Z} + \frac 12} \log \left(\frac{n^2}{q^2} + a^2 \right) &= 2 \log \left[2 \cosh (\pi q |a|) \right] \,. \end{align}

Estas sumas seguir a partir de la fórmula más general

$$\etiqueta{B. 4}\sum_{n \in \mathbb{Z}} \log \left( \frac{(n + \alpha)^2}{p^2} + a^2 \right) = \log \left[2 \cosh (2 \pi p |a|) - 2 \cos (2 \pi \alpha) \right] \,.$$

Esta relación a su vez de la siguiente manera a partir de la distribución de Poisson fórmula de sumación de $$\tag{B.5} \frac{1}{ 2 \pi q} \sum_{n \in \mathbb{Z}} \hat f \left( \frac{n + \alpha}{q} \right) =\sum_{k \in \mathbb{Z}} e^{-i 2 \pi k \alpha} f(2 \pi q k) \,$$ aplicado a $$\tag{B.6}\hat f(\omega) = \log \left( \omega^2 + a^2 \right) \,.$$ Para $t \neq 0$ uno simplemente puede calcular la inversa de la transformada de Fourier de $\hat f$: $$\tag{B.7}f(t) = \int_{-\infty}^\infty \frac{d\omega}{2 \pi} e^{-i \omega t} \log \left(\omega^2 +a^2 \right) = - \frac{e^{-|a|\;|t|}}{|t|} \,.$$

El caso de $t=0$ requiere de un cuidado especial debido a que la expresión de $f(0)$ es divergente y requiere de regularización: $$\etiqueta{B. 8}f(0) = \int_{-\infty}^\infty \frac{d\omega}{2 \pi} \log \left(\omega^2 +a^2 \right) = -\frac{d}{ds} \int \frac{d\omega}{2 \pi} \frac{1}{\left(\omega^2 +a^2 \right)^s} \Biggr\rvert_{s=0} = |a| \,.$$ El uso de $(B.6)-(B.8)$ uno puede mostrar que $(B.5)$ reduce a $(B.4)$.

6voto

user21783 Puntos 11

$(B.1)$ es el funcional de la ecuación de la zeta de Hurwitz función y Knopp y Robins' prueba está disponible aquí. $$\tag{B.1}\zeta(z,a)=\frac{2\,\Gamma(1-z)}{(2\pi)^{1-z}}\left[\sin\frac {z\pi}2\sum_{n=1}^\infty\frac{\cos2\pi an}{n^{1-z}}+\cos\frac {z\pi}2\sum_{n=1}^\infty\frac{\sin2\pi an}{n^{1-z}}\right]$$

El autor de la nota se propone una derivación de $(B.3)$ en orden inverso, desde el inicio de $B.7)$. Pero vamos a intentar otra derivación utilizando el logaritmo de la infinita productos con $x:=\pi\,q\,|a|$ : $$\tag{1}\sinh(x)=x\prod_{k=1}^\infty \left(1+\frac {x^2}{\pi^2k^2}\right)$$ $$\tag{2}\cosh(x)=\prod_{k=1}^\infty \left(1+\frac {4\,x^2}{\pi^2(2k-1)^2}\right)$$ que se pueden encontrar por ejemplo aquí o en la línea de referencias.

La derivación no será directa, ya que estos productos son convergentes, mientras que $(B.3)$ es claramente divergentes y las necesidades de algunos de regularización. \begin{align} \frac 12\sum_{n\in\mathbb{Z}}\log\left(\frac {n^2}{q^2}+a^2\right)&=\frac 12\log\bigl(a^2\bigr)+\sum_{n=1}^\infty\log\left(\frac {n^2}{q^2}+a^2\right)\\ &=\log|a|+\sum_{n=1}^\infty\log\frac {n^2}{q^2}+\log\left(1+\frac{q^2a^2}{n^2}\right)\\ \tag{3}&=\log|a|+\sum_{n=1}^\infty\log\left(1+\frac{q^2a^2}{n^2}\right)+2\sum_{n=1}^\infty\log n-\log q\\ \end{align} La última suma a la derecha (como a menudo en la QFT) está fuertemente divergentes de lo que vamos a utilizar zeta de regularización para volver a escribir en una forma finita : $$f(z):=\sum_{n=1}^\infty\frac{\log n-\log q}{n^z}=-\zeta'(z)-\zeta(z)\log q,\quad \text{for}\ \Re(z)>1$$ (desde $\;\displaystyle\frac d{dz}n^{-z}=\frac d{dz}e^{-z\log n}=-\frac{\log n}{n^z}$)

De esto podemos deducir la 'zeta regularización de la suma' (uso de la analítica de la extensión de $f(z)$ a $0$) : $$\sum_{n=1}^\infty\log n-\log q=\lim_{z\to 0^+}f(z)=-\zeta'(0)-\zeta(0)\log q=\frac{\log 2\pi}2+\frac 12\log q=\frac{\log 2\pi q}2$$ y obtenemos :

\begin{align} \frac 12\sum_{n\in\mathbb{Z}}\log\left(\frac {n^2}{q^2}+a^2\right)&=\log|a|+\sum_{n=1}^\infty\log\left(1+\frac{q^2a^2}{n^2}\right)+\log 2\pi +\log q\\ &=\log\left[2\,\pi q|a|\prod_{n=1}^\infty \left(1+\frac{q^2a^2}{n^2}\right)\right]\\ \\ &=\log[2\,\sinh(\pi\;q\,|a|)],\quad\text{using}\ (1)\ \text{for}\;\;q\,|a|=\frac x{\pi}\\ \end{align} Que es la primera parte de la $(B.3)$ : $$\tag{B.3}\sum_{n\in\mathbb{Z}}\log\left(\frac {n^2}{q^2}+a^2\right)=2\;\log[2\,\sinh(\pi\;q\,|a|)]$$

Voy a dejar de obtener la ecuación correspondiente para $\cosh$.
La esperanza de este aclaró las cosas.

2voto

SUMIT MITRA Puntos 16

La primera identidad es esencialmente la ecuación funcional de la función Zeta de Hurwitz. Puede encontrar una prueba y los resultados asociados aquí , donde la identidad aparece en la página 2 del pdf (pág. 1916) como la ecuación (2) donde se define la serie$F$ en la página anterior.

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