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Forma cerrada de $\operatorname{Li}_2\left(1 \pm i\sqrt{3}\right)$

He encontrado la siguiente identidad mientras atravesaba un camino bastante difícil.

$$ \Re\operatorname{Li}_2\left(1 \pm i\sqrt{3}\right) = \frac{\pi^2}{24} -\frac{1}{2}\ln^2 2 - \frac{1}{4}\operatorname{Li}_2\left(\tfrac{1}{4}\right),$$

donde $\operatorname{Li}_2$ es el función dilogaritmo .

Creo que podríamos demostrarlo directamente a partir de las identidades del dilogaritmo.

¿Cómo podríamos demostrar la identidad anterior?

Además

¿Podríamos especificar $\Im\operatorname{Li}_2\left(1 \pm i\sqrt{3}\right)$ ?

Hay una pregunta similar aquí .

7voto

Roger Hoover Puntos 56

Para empezar, tenemos: $$I=\Re\,\text{Li}_2(1\pm i\sqrt{3})=\Re\int_{1}^{i\sqrt{3}}\frac{\log t}{1-t}\,dt=\frac{\pi^2}{6}+\Re\int_{0}^{i\sqrt{3}}\frac{\log t}{1-t}\,dt\tag{1}$$ por lo tanto:

$$ I = \frac{\pi^2}{6}-\int_{0}^{\sqrt{3}}\frac{\frac{\pi}{2}+t\log t}{1+t^2}\,dt\tag{2}=-\int_{0}^{\sqrt{3}}\frac{t\log t}{1+t^2}\,dt $$ pero: $$\begin{eqnarray*} \int\frac{t\log t}{1+t^2}\,dt &=& \frac{\log(t)\log(1+t^2)}{2}+\text{Li}_2(it)+\text{Li}_2(-it)\\&=&\frac{\log(t)\log(1+t^2)}{2}+\frac{1}{4}\,\text{Li}_2(-t^2)\tag{3}\end{eqnarray*}$$ se deduce de la integración por partes y de la fórmula de reflexión del dilogaritmo, por lo que simplemente obtengo

$$ \Re\,\text{Li}_2(1\pm i\sqrt{3})=-\frac{\log(3)\log(4)+\text{Li}_2(-3)}{4}\tag{4}$$

y no debería ser demasiado difícil de convertir $(4)$ en su expresión a través de las identidades funcionales del dilogaritmo. De manera similar:

$$ \Im\,\text{Li}_2(1+ i\sqrt{3})=\int_{0}^{\sqrt{3}}\frac{\frac{\pi t}{2}-\log t}{1+t^2}\,dt = \frac{\pi}{2}\log 2+\int_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^{+\infty}\frac{\log t}{1+t^2}\,dt\tag{5}$$ por lo tanto: $$ \Im\,\text{Li}_2(1+ i\sqrt{3})=\frac{\pi}{2}\log 2+\frac{\pi}{12}\log 3+\Im\,\text{Li}_2\left(\frac{i}{\sqrt{3}}\right)\tag{6}$$ o:

$$ \Im\,\text{Li}_2(1+ i\sqrt{3})=\frac{\pi}{12}\log(192)+\frac{1}{\sqrt{3}}\sum_{n\geq 0}\frac{(-1)^n}{3^n(2n+1)^2}.\tag{7}$$

dando un valor del integral tangente inversa . Depende del valor de la función Clausen $\text{Cl}_2\left(\frac{\pi}{3}\right)$ y esa cantidad depende de los valores del Barnes $G$ -función en $\frac{1}{3}$ y $\frac{2}{3}$ .

7voto

psychotik Puntos 171

Aquí hay una solución que sólo utiliza las identidades del dilogaritmo:

$$ \operatorname{Li}_2(z) + \operatorname{Li}_2(1-z) = \zeta(2) - \log z \log(1-z). \tag{1} $$ $$ \operatorname{Li}_2(1-z) + \operatorname{Li}_2(1-\tfrac{1}{z}) = -\tfrac{1}{2}\log^2 z. \tag{2} $$ $$ \operatorname{Li}_2(z) + \operatorname{Li}_2(-z) = \tfrac{1}{2}\operatorname{Li}_2(z^2). \tag{3} $$

Observamos que cada identidad es verdadera para todos los $z \in \Bbb{C}$ que evita los cortes de rama principales de las funciones que intervienen en él. Entonces

  1. Aplicando (1), tenemos \begin{align*} \operatorname{Li}_2(1\pm i\sqrt{3}) &= \zeta(2)-\log(1\pm i\sqrt{3})\log(\mp i\sqrt{3}) - \operatorname{Li}_2(\mp i\sqrt{3}) \\ &= \zeta(2)-\left( \log 2 \pm \tfrac{i\pi}{3} \right) \left( \tfrac{1}{2}\log 3 \mp \tfrac{i\pi}{2} \right) - \operatorname{Li}_2(\mp i\sqrt{3}). \end{align*} Tomando la parte real de ambos lados, obtenemos $$ \Re \operatorname{Li}_2(1\pm i\sqrt{3}) = - \tfrac{1}{2}\log 2 \log 3 - \Re\operatorname{Li}_2(\mp i\sqrt{3}). $$

  2. Ahora aplicamos (3). Utilizando el hecho de que $\overline{\operatorname{Li}_2(z)} = \operatorname{Li}_2(\bar{z})$ tenemos $$ \Re\operatorname{Li}_2(\mp i\sqrt{3}) = \tfrac{1}{2}\left( \operatorname{Li}_2(i\sqrt{3}) + \operatorname{Li}_2(-i\sqrt{3}) \right) = \tfrac{1}{4}\operatorname{Li}_2(-3). $$

  3. Por último, utilizamos (2) con $z = 4$ y (1) con $z = 1/4$ . Entonces $$ \operatorname{Li}_2(-3) = \operatorname{Li}_2(\tfrac{1}{4}) - \zeta(2) + 2\log 2 \log(\tfrac{2}{3}). $$

  4. Combinando todo esto, tenemos \begin{align*} \Re \operatorname{Li}_2(1\pm i\sqrt{3}) &= - \tfrac{1}{2}\log 2 \log 3 - \Re\operatorname{Li}_2(\mp i\sqrt{3}) \\ &= - \tfrac{1}{2}\log 2 \log 3 - \tfrac{1}{4}\operatorname{Li}_2(-3) \\ &= \tfrac{1}{4}\zeta(2) - \tfrac{1}{2}\log^2 2 - \tfrac{1}{4}\operatorname{Li}_2(\tfrac{1}{4}). \end{align*}


P.D. He leído ahora la respuesta de Jack D'Aurizio y veo que la idea esencial es exactamente la misma. Debería haber revisado su respuesta antes de escribirla ;(

3voto

Dennis Puntos 9534

Para completar la excelente respuesta de @JackD'Aurizio: \begin{align*} \Im\operatorname{Li}_2\left(1+i\sqrt3\right)=\frac{\pi \ln 2}{2}+\frac{5\sqrt3}{72}\left[\psi_1\left(\frac13\right)-\psi_1\left(\frac23\right)\right], \end{align*} donde $\psi_1(z)$ denota el función trigamma .

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