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La forma cerrada para $\sum_{n=0}^\infty\frac{\Gamma\left(n+\tfrac14\right)}{2^n\,(4n+1)^2\,n!}$

Estuve experimentando con hipergeométrica-como la serie y descubrió la siguiente conjetura (confirmado hasta la fecha por más de $5000$ dígitos decimales): $$\sum_{n=0}^\infty\frac{\Gamma\!\left(n+\tfrac14\right)}{2^n\,(4n+1)^2\,n!}\stackrel{\color{gray}?}=\\ \frac{\Gamma\!\left(\tfrac14\right)\sqrt[4]2}{192}\left[\vphantom{\huge|}6\sqrt{2}\left(2\pi\ln2-\ln^22-8\operatorname{Li}_2\left(\tfrac1{\sqrt2}\right)\right)+3\psi^{(1)}\!\left(\tfrac18\right)-48G+\left(\vphantom{\large|}7\sqrt2-6\right)\pi^2\right],\tag{$\diamond$}$$ donde $G$ es el catalán constante, $\operatorname{Li}_2(x)$ es el dilogarithm y $\psi^{(1)}(x)$ es el trigamma función. Podría usted sugerir algunas ideas de cómo demostrarlo?


A ver cuál es la estrategia que yo uso para encontrar conjeturas como este, a ver a mi otra pregunta.


Actualización: he encontrado una generalización de esta conjetura. Consulte el correspondiente Mathematica expresión aquí. Con suerte, puede ser simplificado.

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Dennis Puntos 9534

Primera nota de que $$\sum_{n=0}^\infty\frac{\Gamma\!\left(n+\tfrac14\right)}{2^n\,(4n+1)^2\,n!}=\Gamma\left(\frac14\right){}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14,\frac14 \\ \frac54,\frac54\end{array};\frac12\biggr]$$

Vamos a obtener una "primaria" expresión de ${}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14,\frac14 \\ \frac54,\frac54\end{array};z\biggr]$ arbitrarias $z$ utilizando como herramienta principal la diferenciación de la fórmula \begin{align}\left(z\frac{d}{dz}+\beta_k-1\right){}_pF_q\biggl[ \begin{array}{c}\alpha_1,\ldots,\alpha_p \\ \beta_1,\ldots,\beta_k,\ldots,\beta_q\end{array};z\biggr]&=\\ =\left(\beta_k-1\right) {}_pF_q\biggl[ \begin{array}{c}\alpha_1,\ldots,\alpha_p \\ \beta_1,\ldots,\beta_k-1,\ldots,\beta_q\end{array};z\biggr]&. \etiqueta{$\spadesuit$}\end{align}

Lema 1. Tenemos $${}_2F_1\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 \\ \frac54\end{array};z\biggr]= \frac{z^{-\frac14}}4\left[e^{\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{-\frac{\pi i}4}t(z)}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t(z)}+e^{-\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{\frac{\pi i}4}t(z)}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t(z)}\right], \tag{$\clubsuit$}$$ donde $t(z)=\left(\frac{z}{1-z}\right)^{\frac14}$.

Prueba. Configuración en ($\spadesuit$) $p=2$, $q=1$, $\alpha_1=\alpha_2=\frac14$, $\beta_1=\frac54$, tenemos $$\left(z\frac{d}{dz}+\frac14\right){}_2F_1\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 \\ \frac54\end{array};z\biggr]=\frac14{}_2F_1\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 \\ \frac14\end{array};z\biggr]=\frac{\left(1-z\right)^{-\frac14}}{4}.$$ El resultado de 1er orden ODE $zy'+\frac y4=\frac{\left(1-z\right)^{-\frac14}}{4}$ puede ser integrado por la variación de la constante de integración: establecimiento $y(z)=C(z)z^{-\frac14}$, se obtiene $$C'(z)=\frac{z^{-\frac34}\left(1-z\right)^{-\frac14}}{4}\qquad \Longrightarrow\quad C(z)=\frac14\int z^{-\frac34}\left(1-z\right)^{-\frac14}dz.$$ La antiderivada puede ser calculado en términos de funciones elementales: establecimiento $$z=\frac{t^4}{1+t^4},\qquad 1-z=\frac{1}{1+t^4},\qquad dz=\frac{4t^3dt}{(1+t^4)^2},\qquad t=\left(\frac{z}{1-z}\right)^{\frac14},$$ tenemos $$C(z)=\int\frac{dt}{1+t^4}=\frac14\left[e^{\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{-\frac{\pi i}4}t}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t}+e^{-\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{\frac{\pi i}4}t}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t}\right]+\operatorname{const}.$$ La fijación de la integración constante a través de la condición ${}_2F_1\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 \\ \frac54\end{array};0\biggr]=1$ (in fact it suffices to know that ${}_2F_1$ is regular as $z\a 0$), we arrive at the representation ($\clubsuit$). In Prudnikov et al there is a formula (7.3.2.66, Vol. III) from which one should in principle be able to derive the same result after transformation of parameters. $\square$

Lema 2. Tenemos \begin{align}{}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14,\frac14 \\ \frac54,\frac54\end{array};z\biggr]&=\frac{z^{-\frac14}}{4}\Biggl\{\int_0^{t(z)}\frac{\ln\left(1+t^{-4}\right)dt}{1+t^4} +\Biggr.\la etiqueta{$\heartsuit$} \\ &+\Biggl.\frac{\ln z}{4}\left[e^{\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{-\frac{\pi i}4}t(z)}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t(z)}+e^{-\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{\frac{\pi i}4}t(z)}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t(z)}\right]\Biggr\}, \end{align} donde $t(z)=\left(\frac{z}{1-z}\right)^{\frac14}$.

Prueba. El mismo procedimiento: ajuste en ($\spadesuit$) $p=3$, $q=2$, $\alpha_1=\alpha_2=\alpha_3=\frac14$, $\beta_1=\beta_2=\frac54$, tenemos $$\left(z\frac{d}{dz}+\frac14\right){}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 ,\frac14\\ \frac54,\frac54\end{array};z\biggr]=\frac14{}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14,\frac14 \\ \frac54,\frac14\end{array};z\biggr]=\frac14{}_2F_1\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14\\ \frac54\end{array};z\biggr],$$ que a su vez implica que $${}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 ,\frac14\\ \frac54,\frac54\end{array};z\biggr]=\frac{z^{-\frac14}}{4}\int_0^{z}^{- \frac34}{}_2F_1\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14\\ \frac54\end{array};s\biggr]\,ds.$$ Sustituyendo en esta expresión la representación que se encuentran en el Lema 1 y haciendo el cambio de variables $s\to t(s)=\left(\frac{s}{1-s}\right)^{\frac14}$, llegamos a $${}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14 ,\frac14\\ \frac54,\frac54\end{array};z\biggr]=\frac{z^{-\frac14}}{4}\int_0^{t(z)}\left[e^{\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{-\frac{\pi i}4}t}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t}+e^{-\frac{\pi i}4}\ln\frac{1+e^{\frac{\pi i}4}t}{1-e^{-\frac{\pi i}4}t}\right]\frac{dt}{t\left(1+t^4\right)}.$$ Esto claramente puede ser integrado en términos de dilogarithms. Es conveniente integrar en primer lugar por las partes que el uso de la derivada de la expresión entre corchetes es $\frac4{1+t^4}$, lo que produce ($\heartsuit$). $\square$

Corolario. Función hipergeométrica ${}_3F_2\biggl[ \begin{array}{c}\frac14,\frac14,\frac14 \\ \frac54,\frac54\end{array};z\biggr]$ tiene una expresión explícita en términos de funciones elementales y dilogarithms, que debe entregar el original de la declaración como un caso particular correspondiente a $z=\frac12$.

Prueba. Basta para calcular de forma explícita la integral a partir de la primera línea de ($\heartsuit$). Desde la anti-derivada (por ejemplo, comprobar WolframAlpha) está dada por una bastante larga de expresión, no está escrito aquí. La fórmula resultante, sin embargo, debe simplificar vinculados a la expresión de la actualización de @VladimirReshetnikov. $\square$

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