Cómo es $ \sum_{n=1}^{\infty}\left(\psi(\alpha n)-\log(\alpha n)+\frac{1}{2\alpha n}\right)$ al $\alpha$ es gran?

Question

Deje $\psi := \Gamma'/\Gamma$ denotar la función digamma.

Podrías encontrar, como $\alpha$ tiende a $+\infty$, un término equivalente para la siguiente serie?

$$ \sum_{n=1}^{\infty} \left( \psi (\alpha n) - \log (\alpha n) + \frac{1}{2\alpha n} \right) $$

Por favor tengo una respuesta, tengo curiosidad acerca de los diferentes enfoques.

Gracias.

Answer 1

$\newcommand{\+}{^{\daga}} \newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\down}{\downarrow} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\isdiv}{\,\left.\a la derecha\vert\,} \newcommand{\cy}[1]{\left\vert #1\right\rangle} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert} \newcommand{\wt}[1]{\widetilde{#1}}$ Con Digamma Identidad$\ds{\bf\mbox{6.3.21}}$ \begin{align}&\color{#66f}{\large\sum_{n = 1}^{\infty}\bracks{% \Psi\pars{\alpha n} - \ln\pars{\alpha n} + {1 \over 2\alpha n}}} \\[3mm]&=\sum_{n = 1}^{\infty}\bracks{-2\int_{0}^{\infty}{t\,\dd t \over \pars{t^{2} + \alpha^{2}n^{2}}\pars{\expo{2\pi t} - 1}}}\tag{1} \\[3mm]&=-\,{2 \over \alpha^{2}}\sum_{n = 1}^{\infty}{1 \over n^{2}} \int_{0}^{\infty}{t\,\dd t \over \bracks{1 +t^{2}/\pars{\alpha^{2}n^{2}}} \pars{\expo{2\pi t} - 1}} \\[3mm]&=-\,{2 \over \alpha^{2}}\sum_{n = 1}^{\infty}{1 \over n^{2}} \int_{0}^{\infty}\pars{1 - {t^{2} \over \alpha^{2}n^{2}} + {t^{4}\over \alpha^{4}n^{4}} - \cdots}{t\,\dd t \over \expo{2\pi t} - 1} \\[3mm]&=\bracks{-2\, \overbrace{\sum_{n = 1}^{\infty}{1 \over n^{2}}}^{\ds{\pi^{2} \over 6}}\ \overbrace{\int_{0}^{\infty}{t\,\dd t \over \expo{2\pi t} - 1}}^{\ds{1 \over 24}}}\ \,{1 \over \alpha^{2}} +\bracks{2\ \overbrace{\sum_{n = 1}^{\infty}{1 \over n^{4}}}^{\ds{\pi^{4} \over 90}}\ \overbrace{\int_{0}^{\infty}{t^{3}\,\dd t \over \expo{2\pi t} - 1}} ^{\ds{1 \over 240}}}\,{1 \over \alpha^{4}} \\[3mm]&\phantom{}+\bracks{-2\ \overbrace{\sum_{n = 1}^{\infty}{1 \over n^{6}}}^{\ds{\pi^{6} \over 945}}\ \overbrace{\int_{0}^{\infty}{t^{5}\,\dd t \over \expo{2\pi t} - 1}} ^{\ds{1 \over 504}}}\,{1 \over \alpha^{6}} + \cdots \\[3mm]&=\color{#66f}{\large-\,{\ \pi^{2} \over 72}\,{1 \over \color{#c00000}{\alpha^{2}}} + {\ \pi^{4} \over 10800}\,{1 \over \color{#c00000}{\alpha^{4}}} - {\ \pi^{6} \over 238140}\,{1 \over \color{#c00000}{\alpha^{6}}} + \cdots} \end{align}

De hecho, no es un cerrado de la expresión, en términos de una integral, porque la serie en $\pars{1}$ está dada por: $$ \sum_{n = 1}^{\infty}{1 \over t^{2} + \alpha^{2}n^{2}} ={1 \over 2\alpha t^{2}}\,\bracks{\pi t\coth\pars{{\pi \\alpha}\,t} - \alpha} $$

\begin{align}&\sum_{n = 1}^{\infty}\bracks{% \Psi\pars{\alpha n} - \ln\pars{\alpha n} + {1 \over 2\alpha n}} =\int_{0}^{\infty} {1 - \pars{\pi t/\alpha}\coth\pars{\pi t/\alpha} \over t} \,{\dd t \over \expo{2\pi t} - 1} \end{align}

Answer 2

Debido a la fórmula de Gauss: $$-\psi(z)+\log(z) = \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{\log u}+\frac{1}{1-u}\right)u^{z-1}\,du$$ su serie es sólo $-I(\alpha)$ debido a que el teorema de convergencia dominada, donde: $$ I(\alpha) = \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{\log z}+\frac{1}{1-z}-\frac{1}{2}\right)\frac{z^{\alpha-1}}{1-z^{\alpha}}\,dz.$$ Ahora, como en esta otra pregunta, tenemos que: $$ f(z) = \left(\frac{1}{\log z}+\frac{1}{1-z}-\frac{1}{2}\right)\frac{z}{1-z} $$ es un positivo, creciente y acotada de la función en $(0,1)$ que satisface $f(z)\leq\frac{\sqrt{z}}{12}$. Esto le da a ese $$ 0 \leq I(\alpha) \leq \frac{1}{6}-\frac{\pi}{12\alpha}\cot\frac{\pi}{2\alpha}=\frac{\pi^2}{72\alpha^2}+O\left(\frac{1}{\alpha^4}\right), $$ por lo tanto el límite al $\alpha$ enfoques $+\infty$ es simplemente cero. Por otra parte, ya hemos $f(z)\geq\frac{z}{12}$, $$ I(\alpha)\geq\frac{\alpha+\gamma+\psi(\alpha)}{12\alpha}=\frac{\pi^2}{72\alpha^2}+O\left(\frac{1}{\alpha^3}\right),$$ por lo tanto: $$ I(\alpha) = \frac{\pi^2}{72\alpha^2}+O\left(\frac{1}{\alpha^3}\right).$$