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Evaluación de $\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma (n+s)}$

Quiero probar y evaluar este interesante suma:

$$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma (n+s)}$$

donde $0 \le s < 1$

WolframAlpha evalúa esta suma será

$$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma (n+s)} = e\left(1-\frac{\Gamma(s, 1)}{\Gamma(s)}\right)$$

Algunos casos notables de esta suma sería de al $s=0$ (la producción de Taylor de la serie para $e$) y al $s=\frac{1}{2}$:

$$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma (n+\frac{1}{2})} = e \operatorname {erf}(1)$$

Yo estaría muy interesado en saber los pasos de cómo uno debería evaluar este interesante suma.

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user26872 Puntos 11194

Nos encontramos con una expresión integral para la suma ($u$ integral de abajo) sin recurrir a las propiedades de las funciones especiales.

Tenemos $$\begin{eqnarray*} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma(n+s)} &=& \frac{1}{\Gamma(s+1)} \underbrace{\left(1+\frac{1}{s+1}+\frac{1}{(s+1)(s+2)} + \ldots\right)}_{f(s)}. \end{eqnarray*}$$ La serie $f(s)$ es un ejemplo simple de un inversa factorial de la serie. Estas series fueron estudiados incluso en el siglo 18 por Nicole y Stirling y son tratados, por ejemplo, en Whittaker y Watson, Un Curso de Análisis Moderno.

Una forma de desarrollar este tipo de series es, sucesivamente, integrando por partes el lado derecho de $$f(s) = \int_0^1 d\xi\, s(1-\xi)^{s-1} F(\xi),$$ donde $F(\xi)$ es algunos analítica de la función de $\xi$ y $\int_0^1$ es la abreviatura de $\lim_{\epsilon\to 0^+}\int_0^{1-\epsilon}$. Uno encuentra $$\begin{eqnarray*} f(s) &=& F(0) + \frac{F'(0)}{s+1} + \frac{F''(0)}{(s+1)(s+2)} +\ldots. \end{eqnarray*}$$ Para más detalles sobre las restricciones en $F(\xi)$, ver Whittaker y Watson, 4ª edición, $\S 7.82$.

Para este problema tenemos $F^{(n)}(0) = 1$, lo $F(\xi) = e^\xi$. Entonces $$\begin{eqnarray*} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma(n+s)} &=& \frac{f(s)}{\Gamma(s+1)} \\ &=& \frac{1}{\Gamma(s+1)} \int_0^1 d\xi\, s(1-\xi)^{s-1} e^\xi \\ &=& \frac{e}{\Gamma(s)} \int_0^1 du\, u^{s-1} e^{-u} \hspace{10ex}(\textrm{let }u=1-\xi) \\ &=& \frac{e}{\Gamma(s)} \gamma(s,1), \end{eqnarray*}$$ donde $\gamma(s,x)$ es la menor la función gamma incompleta. Tenga en cuenta que $\gamma(s,x) = \Gamma(s) - \Gamma(s,x)$ donde $\Gamma(s,x)$ es la parte superior de la función gamma incompleta. Por lo tanto, $$\begin{eqnarray*} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\Gamma(n+s)} &=& e\left(1-\frac{\Gamma(s,1)}{\Gamma(s)}\right), \end{eqnarray*}$$ como se reivindica.

Gracias por la interesante pregunta!

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Robert Christie Puntos 7323

Supongo que uno comienza por considerar más general de la suma: $$E_{\alpha,\beta}(z) = \sum_{n=0}^\infty \frac{z^n}{\Gamma(\alpha n+\beta)}$$ que se conoce como un Mittag-Leffler función. Para el caso especial de $\alpha=1$, la función satisface la ecuación diferencial: $$ z \frac{d}{d z} E_{1,s}(z) + (s-1) E_{1,s}(z) = \sum_{n=0}^\infty \frac{(n+s-1)z^n}{\Gamma(n+s)} =z \sum_{n=0}^\infty \frac{z^{n-1}}{\Gamma(n-1+s)} = \frac{1}{\Gamma(s-1)} + z E_{1,s} $$ Esta es una ecuación no homogénea de primer orden $$ z^\prime(z) + (s-1-z) y(z) = \frac{1}{\Gamma(s-1)} $$ $$ z \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} z} \left( z^{m-1} \mathrm{e}^{z} y(z) \right) = \frac{1}{\Gamma(s-1)} z^{m-1} \mathrm{e}^{z} $$ Por lo tanto $$ y(z) = \frac{1}{z^{m-1} \mathrm{e}^{z}} \left( C - \frac{1}{\Gamma(s-1)} \int_z^\infty t^{s-2} \mathrm{e}^{-t} \mathrm{d} t \right) $$ La integral en el lado derecho, el lado que se conoce como la función Gamma incompleta.

Por cierto, la serie original es también una hipergeométrica de la serie, lo que significa que $E_{1,s}(z)$ representa una función hipergeométrica. En efecto: $$ E_{1,s}(z) = \frac{1}{\Gamma(s)}{}_1F_1\left(1; s; z\right) = \frac{1}{\Gamma(s)} \sum_{n=0}^\infty \frac{(1)_n}{(s)_n} z^n = \sum_{n=0}^\infty \frac{z^n}{\Gamma(n+s)} $$ donde $(s)_n = \frac{\Gamma(n+s)}{\Gamma(s)}$ fue utilizado.

7voto

juaninf Puntos 161

Si usted está dispuesto a empezar con la expansión de la baja de la función gamma incompleta discutido aquí:

$$\gamma(s, x) = x^s \, \Gamma(s) \, e^{-x}\sum_{n=1}^\infty\frac{x^n}{\Gamma(s+n)} $$

Entonces:

$$\begin{align*} \Gamma(s) &= \Gamma(s,1) + \gamma(s,1) \\ e &= \frac{e\Gamma(s,1)}{\Gamma(s)} + \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{\Gamma(s+n)} \end{align*} $$

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