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Probar esta forma cerrada de la suma de ${_4F_3}$ hipergeométrica funciones

Creo que la siguiente identidad es verdadera. ¿Cómo podemos demostrarlo?

$${_4F_3}\left(\begin{array}c 1,1,1,1 \\\tfrac54,2,2\end{array}\medio|\,1\right) + 3\,{_4F_3}\left(\begin{array}c\tfrac12,\tfrac12,1,1\\\tfrac32,\tfrac32,\tfrac32\end{array}\medio|\,1\right) = \frac{\pi^3}{8} + \frac{ 3\pi^2}{4}\ln 2 - \frac 72 \zeta (3).$$

Aquí ${_pF_q}$ es la función hipergeométrica generalizada y $\zeta(3)$ es Apéry constante.

Una aproximación numérica de la identidad:

$$4.7994017718717349316710651835631714860755433336848275119882157\dots$$

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Eric Lee Puntos 136

$\def\Li{{\mathrm{Li}}}$Estos pueden ser evaluados en forma cerrada con un CAS (yo usé Mathematica).

La herramienta principal es el (Euler) integral representación $$ F\left({a,\cdots\cima de la b,\cdots}\medio|\ z\right) = \int_0^1\frac{t^{- 1}(1-t)^{b-a-1}}{B(a-b,a)} F\left({\cdots\cima\cdots}\medio|\,zt\right)\,dt. $$

Llame a la hipergeométrica valores de $F_1$$F_2$. Entonces $$ 4F_1 = \int_0^1 \frac{\Li_2(t)\,dt}{t(1-t)^{3/4}} = \int_0^1 \frac{\Li_2(1-t)\,dt}{(1-t)t^{3/4}} = \int_0^1 \frac{dt}{(1-t)t^{3/4}}\int_0^t \frac{du}{u}(-1)\log(1-u). $$ A continuación, sustituir $t=s^4$, el intercambio de la orden de resumen, de integrar más de $u^{1/4} < s < 1$, y el sustituto de la $u=v^4$, dando $$ 4F_1 = -\int_0^1 \frac{16v^3\,dv}{1-v^4} \log v\left(\log\frac{1+v}{1-v} + i \log\frac{1-i v}{1+i v}\right). $$ Después de la expansión de los registros, y la expansión de la racional de la función racional $\frac{v^3}{1-v^4}$ en fracciones parciales, cada individuo integrando tiene una escuela primaria antiderivada (de la que una buena CAS debe ser capaz de encontrar). Omito el explícito antiderivatives, porque son muy de largo. El valor final es $$ 4F_1 = \tfrac{7}{8} \pi ^3-48 \Im\Li_3(\tfrac12+\tfrac i2)+\tfrac{3}{2} \pi (\log 2)^2+3\pi ^2 \log 2-14\zeta(3). $$

La segunda hipergeométrica es similar. La elección de $a$ $b$ adecuadamente, y utilizando un CAS para simplificar la hipergeométrica plazo en el integrando, como la sustitución de $t=s^2$, tenemos $$ F_2 = \int_0^1 \frac{ds}{2\sqrt{1-s^2}}\big(\Li_2(s) - \Li_2(-s)\big). $$

Ahora, la misma expresión con un "$+$" en lugar de "$-$" puede ser evaluado por un CAS fácilmente: $$ \int_0^1 \frac{dt}{2\sqrt{1-t^2}}\big(\Li_2(t)+\Li_2(-t)\big) = \tfrac1{48}\pi^3 - \tfrac14\pi(\log 2)^2. $$

Tan sólo es necesario encontrar la integral $$ \int_0^1 \frac{\Li_2(t)\,dt}{2\sqrt{1-t^2}}. $$ Usando, como antes, la representación integral $$ \Li_2(t) = -\int_0^t \frac{du}{u}\log(1-u), $$ nos encontramos con que la integral es igual a $$ -\int_0^1 \frac{dt}{2\sqrt{1-t^2}} \int_0^t \frac{du}{u}\log(1-u) = \int_0^1 \frac{du}{2u}\log(1-u)\big(\arcsen u - \tfrac12\pi\big), $$ donde hemos hecho la integral sobre la $t$ primera.

La expansión de la arcoseno en logaritmos para obtener $$ -\frac\pi4 \frac{\log(1-u)}{u} - \frac{i}{2} \frac{\log(1-u) \log(ui+\sqrt{1-u^2})}{u}, $$ mi CAS fue capaz de encontrar un muy largo primaria (con polylogarithms) antiderivada de esta expresión. Luego de tomar los límites de $u=0,1$ y restando da a la expresión $$ \int_0^1 \frac{\Li_2(t)\,dt}{2\sqrt{1-t^2}} = \tfrac5{48}\pi^3 + 2\Im \Li_3(1-i). $$

El uso de la identidad $$ 0 = - \Li_3(z) + \Li_3(1/z) - \tfrac16\log^3(-z)-\tfrac16\pi^2\log(-z) $$ con $z=1-i$, $1/z = \frac{1+i}{2}$, y poniendo las cosas en conjunto da $$ F_2 = -\tfrac1{32}\pi^3 + 4\Im \Li_3(\tfrac12+\tfrac{i}2)-\tfrac18\pi(\log 2)^2. $$

Finalmente llegamos a $$ F_1 + 3F_2 = \tfrac18\pi^3 + \tfrac34\pi^2\log2 - \tfrac72\zeta(3). $$

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