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Demostrar que $\ln{\left({A^6\sqrt{\pi}\over 2^{7\over6}e}\right)}=\sum\limits_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n(n+1)}\eta(n)$

Mostrar que

$$\ln{\left({A^6\sqrt{\pi}\over 2^{7\over6}e}\right)}=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n(n+1)}\eta(n)$$

(donde $\eta(n)$ es la de Dirichlet eta función, y Una es la Glaisher-Kinkelin constante).

Trato:

$$\ln{\left({A^6\sqrt{\pi}\over 2^{7\over6}e}\right)}=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n}\eta(n)-\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}\eta(n)$$

Utilizamos esta serie $$\ln{{\pi\over 2}}=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n}\eta(n)$$ a simplificar a

$$-\ln{\left({A^6\over 2^{1\over6}\sqrt{\pi}e}\right)}=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}\eta(n)$$

Tenemos

$$\ln{\left[\prod_{k=1}^{\infty}\left({k\over k+1}\right)^{(-1)^{k+1}}\right]}=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^n\eta(n)\over n}$$

No podemos usar esto para aplicar en la anterior serie.

Me pregunto, ¿hay un infinito de productos para

$$\ln{\left[F(k)\right]}=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^n\eta(n)\over 1+n}$$

¿Alguien puede por favor dar una mano aquí? Gracias.

9voto

Renan Puntos 6004

Sugerencia. Uno puede escribir $$ \begin{align} \sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}\eta(n)&=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}\eta(n) \\&=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}\left(1+\sum_{k=2}^{\infty}\frac{(-1)^{k-1}}{k^n}\right) \\&=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}+\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n+1}\sum_{k=2}^{\infty}\frac{(-1)^{k-1}}{k^n} \\&=1-\ln 2+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^{k-1}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{(n+1)k^n} \\&=1-\ln 2+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^{k-1}\left[1-k\ln\left(1+\frac1k \right) \right] \\&=\sum_{k=1}^{\infty}(-1)^{k}\left[k\ln\left(1+\frac1k \right)-1 \right] \tag1 \end{align} $$ since, by a Taylor series expansion, as $k\to \infty$, uno tiene $$ (-1)^{k}\left[k\ln\left(1+\frac1k \right)-1 \right]=\frac{(-1)^{k}}{2k}+O\left(\frac{1}{k^2}\right) $$ the series in $(1)$ es por lo tanto convergente, entonces es suficiente para considerar su suma parcial $$ \begin{align} S_{2n}&=\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}\left[k\ln\left(1+\frac1k \right)-1 \right] \\&=\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}k\ln\left(k+1\right)-\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}k\ln k-\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k} \\&=\sum_{k=2}^{2n+1}(-1)^{k-1}(k-1)\ln k-\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}k\ln k \\&=2n\ln (2n+1)-2\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}k\ln k+\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}\ln k \tag2 \end{align} $ de$ la última suma se obtiene a través de la fórmula de Stirling $$ \sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k}\ln k=\frac{\ln \pi}2+\frac{\ln n}2+O\left(\frac1n \right) $$ y uno puede reorganizar la suma $$ \begin{align} &\sum_{k=1}^{2n}(-1)^{k-1}k\ln k \\&=\sum_{k=1}^{2n}k\ln k-2\sum_{k=1}^{n}2k\ln(2k) \\&=\sum_{k=1}^{2n}k\ln k-4\sum_{k=1}^{n}k\ln k-4\sum_{k=1}^{n}k\ln 2 \\&=\ln \frac{1^12^2\cdots (2n)^{2n}}{(2n)^{2n^2+n+1/12}e^{-n^2}}-4\ln \frac{1^12^2\cdots n^n}{n^{n^2/2+n/2+1/12}e^{-n^2/4}}-\left(n-\frac1{12}\right)\ln 2-\left(n+\frac14\right)\ln n \end{align} $$ giving in $(2)$ $$ S_{2n}=\frac{\ln \pi}2+\frac{\ln 2}6+1-6\ln A+O\left(\frac1n \right) $$ como se esperaba, ya que $$ A= \lim_{n \to \infty}\frac{1^12^2\cdots n^n}{n^{n^2/2+n/2+1/12}e^{-n^2/4}}. $$

6voto

user90369 Puntos 26

El uso de la generalización $Q_m(x)$ de la función Gamma en

https://www.fernuni-hagen.de/analysis/download/bachelorarbeit_aschauer.pdf

con $\enspace\displaystyle \ln Q_m(x)=\frac{(-x)^{m+1}}{m+1}\gamma +\sum\limits_{n=2}^\infty\frac{(-x)^{m+n}}{m+n}\zeta(n)\enspace$ en la página $13$, $(4.2)$con

$Q_0(1)=\Gamma(2)=1\enspace$ $\enspace\displaystyle Q_0(\frac{1}{2})=\Gamma(\frac{3}{2})=\frac{\sqrt{\pi}}{2}\enspace$ y con los valores calculados

$\displaystyle Q_1:=Q_1(1)=\frac{\sqrt{2\pi}}{e}\enspace$ $\enspace\displaystyle Q_1(\frac{1}{2})= A_1^{\frac{3}{2}}2^{\frac{5}{24}}e^{-\frac{1}{2}} \enspace$ page $38$ $\enspace$ donde

$A_1\equiv A\enspace$ (Glaisher Kinkelin constante), llegamos a la

$\displaystyle \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}}{n(n+1)}\eta(n)=$

$\displaystyle = \frac{\eta(1)}{2}-\sum\limits_{n=2}^\infty\frac{(-1)^n}{n}\zeta(n)+2\sum\limits_{n=2}^\infty\frac{(-1)^n}{2^n n}\zeta(n)-\sum\limits_{n=2}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{n+1}\zeta(n)+4\sum\limits_{n=2}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{2^{n+1}(n+1)}\zeta(n)$

$\displaystyle =\frac{\eta(1)}{2}-( \ln Q_0(1)+\gamma )+2( \ln Q_0(\frac{1}{2})+\frac{\gamma}{2} )-( \ln Q_1(1)-\frac{\gamma}{2})+4(\ln Q_1(\frac{1}{2})-\frac{\gamma}{8})$

$\displaystyle =\frac{\ln 2}{2}+2 \ln\frac{\sqrt{\pi}}{2} -\ln\frac{\sqrt{2\pi}}{e} +4\ln(A_1^{\frac{3}{2}}2^{\frac{5}{24}}e^{-\frac{1}{2}})=\ln\frac{A^6\sqrt{\pi}}{2^{7/6}e}$

3voto

Thierry Lam Puntos 1079

Otro enfoque es el uso común de representación integral de Dirichlet eta función, junto con una representación integral de la zeta de Hurwitz función.

En concreto, se puede utilizar $$\eta(s) = \frac{1}{\Gamma(s)}\int_{0}^{\infty} \frac{x^{s-1}}{1+e^{x}} \, dx , \quad \text{Re}(s) >0,\tag{1}$$ and $$\zeta(s,z) = \frac{1}{\Gamma(s)}\int_{0}^{\infty} \frac{x^{s-1}e^{-zx}}{1-e^{-x}} \, dx \tag{2}, \quad (\text{Re}(s) >1, \, \text{Re}(z) >0). $$

De $(2)$ se sigue que

$$ \begin{align} \zeta(s)-\zeta \left(s, \frac{3}{2} \right) &= \frac{1}{\Gamma(s)} \int_{0}^{\infty}\frac{x^{s-1}}{1-e^{-x}} \left(e^{-x}-e^{-(3/2)x} \right) \\ &= \frac{2^{s}}{\Gamma(s)} \int_{0}^{\infty} \frac{u^{s-1}}{1-e^{-2u}} \left(e^{-2u} - e^{-3u} \right) \, du \\ &= \frac{2^{s}}{\Gamma(s)} \int_{0}^{\infty} \frac{u^{s-1}e^{-2u}} {1+e^{-u}} \, du \\ &= \frac{2^{s}}{\Gamma(s)} \int_{0}^{\infty} \frac{u^{s-1}e^{-u}} {1+e^{u}} \, du, \quad \text{Re}(s) >0. \end{align}$$

Y el uso de $(1)$, obtenemos $$ \begin{align} &\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1} }{n(n+1)} \, \eta(n) \\ &= \sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1} }{n(n+1)}\frac{1}{\Gamma(n)} \int_{0}^{\infty} \frac{x^{n-1}}{1+e^{x}} \, dx \\ &= \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+e^{x}} \frac{1}{x^{2}} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n!} \, \frac{x^{n+1}}{n+1} \, dx \\ &= \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+e^{x}} \frac{1}{x^{2}} \left(e^{-x}+x-1 \right) \, dx \\ &= \lim_{s \to -1^{+}} \int_{0}^{\infty} \frac{x^{s-1}}{1+e^{x}} \left(e^{-x}+x-1 \right) \, dx \\ &= \lim_{s \to -1^{+}} \left[2^{-s} \, \Gamma(s) \left( \zeta(s) - \zeta \left(s, \frac{3}{2} \right)\right) + \Gamma(s+1) \eta(s+1 ) - \Gamma(s) \eta(s) \right] \\&= \lim_{s \to -1^{+}} \left[2^{-s} \, \Gamma(s) \left(\zeta(s) - \zeta \left(s, \frac{1}{2} \right) +2^{s}\right) + \Gamma(s+1) \eta(s+1 ) - \Gamma(s) \eta(s) \right] \tag{3} \\&= \lim_{s \to -1^{+}} \left[2^{-s} \, \Gamma(s) \left(\zeta(s) - \left(2^{s}-1\right)\zeta (s) +2^{s}\right) + \Gamma(s+1) \eta(s+1 ) - \Gamma(s) \eta(s) \right] \tag{4} \\ &= \lim_{s \to -1^{+}} \left[\left(2^{1-s}-1 \right) \Gamma(s) \zeta(s) + \Gamma(s) + \Gamma(s+1) \eta(s+1 ) - \Gamma(s) \eta(s)\right] \\&= \lim_{s \to -1^{+}} \left[ \Gamma(s) + \Gamma(s+1) \eta(s+1) -2\Gamma(s) \eta(s) \right] \tag{5}. \end{align}$$

La expansión de alrededor de $s=-1$, obtenemos

$$ \begin{align} &\lim_{s \to -1^{+}} \left[ \Gamma(s) + \Gamma(s+1) \eta(s+1) -2\Gamma(s) \eta(s) \right] \\ &= \small \lim_{s \to -1^{+}} \Big[\left(- \frac{1}{s+1} + \gamma-1 + \mathcal{O}(s+1) \right) + \left(\frac{1}{s+1} - \gamma + \mathcal{O}(s+1) \right) \Big(\frac{1}{2} +\eta'(0)(s+1) \\ &+ \small \mathcal{O}\left( (s+1)^{2} \right) \Big) - \small 2 \left(- \frac{1}{s+1} + \gamma-1 + \mathcal{O}(s+1) \right) \left(\frac{1}{4} + \eta'(-1)(s+1) + \mathcal{O}\left((s+1)^{2} \right) \right) \Big] \\ &= \lim_{s \to -1^{+}} \left[\eta'(0) + 2 \eta'(-1) - \frac{1}{2} + \mathcal{O}\left((s+1) \right) \right] \\&= \frac{1}{2} \, \ln \left(\frac{\pi}{2} \right) +2 \big( 4 \ln(2) \zeta(-1) -3 \zeta'(-1) \big) -\frac{1}{2} \tag{6} \\&= \frac{1}{2} \, \ln \left(\frac{\pi}{2} \right) +2 \left(-\frac{1}{3} \, \ln(2) -3 \left(\frac{1}{12} - \ln(A) \right) \right) - \frac{1}{2} \tag{7} \\&= \ln \left(\frac{\sqrt{\pi} \, A^{6}}{ 2^{7/6} e} \right) . \end{align}$$


$(3)$ $\zeta(s,a) = \zeta(s,a+1) + a^{-s}$

$(4)$ http://mathworld.wolfram.com/HurwitzZetaFunction.html (11)

$(5)$ $\eta(s) = (1-2^{1-s}) \zeta(s)$

$(6)$ http://mathworld.wolfram.com/DirichletEtaFunction.html (11)

$(7)$ https://en.wikipedia.org/wiki/Glaisher%E2%80%93Kinkelin_constant


Expandir $\Gamma(s+1)$ en una de la serie de Laurent alrededor de $s=-1$, la utilización de la identidad de la $\Gamma(s+1) = \frac{\Gamma(s+2)}{s+1}$.

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