
En matemáticas , en el área de la teoría analítica de números , la función eta de Dirichlet se define mediante la siguiente serie de Dirichlet , que converge para cualquier número complejo cuya parte real sea mayor que cero:
Esta serie de Dirichlet es la suma alternada correspondiente al desarrollo en serie de Dirichlet de la función zeta de Riemann , ζ ( s ), y por esta razón la función eta de Dirichlet también se conoce como función zeta alternada , también denotada ζ *( s ). Se cumple la siguiente relación:
Tanto la función eta de Dirichlet como la función zeta de Riemann son casos especiales de polilogaritmos .
Si bien la expansión en serie de Dirichlet para la función eta es convergente solo para cualquier número complejo s con parte real > 0, es sumable de Abel para cualquier número complejo. Esto sirve para definir la función eta como una función entera .
De forma equivalente, podemos comenzar definiendo que también se define en la región de parte real positiva (representa la función gamma ). Esto da la función eta como una transformada de Mellin .
Hardy dio una demostración simple de la ecuación funcional para la función eta, [ 2 ] que es
A partir de esto, se obtiene inmediatamente la ecuación funcional de la función zeta, así como otro medio para extender la definición de eta a todo el plano complejo.
Ceros
Los ceros de la función eta incluyen todos los ceros de la función zeta: los enteros pares negativos (ceros simples equidistantes reales); los ceros a lo largo de la línea crítica, ninguno de los cuales se sabe que sea múltiple y más del 40% de los cuales se ha demostrado que son simples, y los hipotéticos ceros en la franja crítica pero no en la línea crítica, que si existen deben ocurrir en los vértices de rectángulos simétricos alrededor del eje x y la línea crítica y cuya multiplicidad es desconocida. Además, el factoragrega un número infinito de ceros simples complejos, ubicados en puntos equidistantes en la línea , endonde n es cualquier número entero distinto de cero .
Los ceros de la función eta se ubican simétricamente con respecto al eje real y, según la hipótesis de Riemann, estarían sobre dos líneas paralelas.y en la semirrecta perpendicular formada por el eje real negativo.
El problema de Landau
En la ecuación η ( s ) = (1 − 2 1− s ) ζ ( s ) , "el polo de ζ ( s ) en s = 1 se cancela con el cero del otro factor" (Titchmarsh, 1986, p. 17), y como resultado η (1) no es ni infinito ni cero (véase § Valores particulares ). Sin embargo, en la ecuación η debe ser cero en todos los puntos .donde el denominador es cero, si la función zeta de Riemann es analítica y finita allí. El problema de demostrar esto sin definir primero la función zeta fue señalado y dejado abierto por E. Landau en su tratado de 1909 sobre teoría de números: "Si la serie eta es diferente de cero o no en los puntosEs decir, si se trata de polos de zeta o no, no resulta evidente aquí."
Una primera solución al problema de Landau fue publicada casi 40 años después por DV Widder en su libro La transformada de Laplace . Utiliza el siguiente primo 3 en lugar de 2 para definir una serie de Dirichlet similar a la función eta, que llamaremos lafunción, definida paray con algunos ceros también en , pero no iguales a los de eta.
Sies real y estrictamente positivo, la serie converge ya que los términos reagrupados alternan en signo y disminuyen en valor absoluto a cero. Según un teorema sobre la convergencia uniforme de las series de Dirichlet demostrado por primera vez por Cahen en 1894, laLa función es entonces analítica para , una región que incluye la línea . Ahora podemos definir correctamente, donde los denominadores no son cero, o
Desdees irracional, los denominadores en las dos definiciones no son cero al mismo tiempo excepto pory elLa función está, por lo tanto, bien definida y analítica paraexcepto enFinalmente obtenemos indirectamente quecuando:
Un directo elemental y-prueba independiente de la desaparición de la función eta enfue publicado por J. Sondow en 2003. Expresa el valor de la función eta como el límite de sumas de Riemann especiales asociadas a una integral que se sabe que es cero, utilizando una relación entre las sumas parciales de la serie de Dirichlet que define las funciones eta y zeta para.
Con un poco de álgebra simple aplicada a sumas finitas, podemos escribir para cualquier s complejo
Ahora bien, siy, el factor multiplicadores cero y donde R n ( f ( x ), a , b ) denota una suma de Riemann especial que aproxima la integral de f ( x ) sobre [ a , b ] . Para t = 0 ie, s = 1 , obtenemos
De lo contrario, si, entonces, lo que produce
Arrogante, para cada puntodónde, ahora podemos definirpor continuidad de la siguiente manera,
La aparente singularidad de zeta enAhora se elimina y se demuestra que la función zeta es analítica en todas partes., excepto endónde
Representaciones integrales
Se pueden enumerar varias fórmulas integrales que involucran la función eta. La primera se deriva de un cambio de variable de la representación integral de la función Gamma (Abel, 1823), dando una transformada de Mellin que puede expresarse de diferentes maneras como una integral doble (Sondow, 2005). Esto es válido para
La transformación de Cauchy-Schlömilch (Amdeberhan, Moll et al., 2010) puede utilizarse para demostrar esta otra representación, válida para . La integración por partes de la primera integral anterior en esta sección produce otra derivación.
La siguiente fórmula, debida a Lindelöf (1905), es válida en todo el plano complejo, cuando se toma el valor principal para el logaritmo implícito en la exponencial. Esto corresponde a una fórmula de Jensen (1895) para toda la función. , válido en todo el plano complejo y también demostrado por Lindelöf. "Esta fórmula, notable por su simplicidad, puede demostrarse fácilmente con la ayuda del teorema de Cauchy, tan importante para la suma de series", escribió Jensen (1895). De manera similar, al convertir las trayectorias de integración en integrales de contorno, se pueden obtener otras fórmulas para la función eta, como esta generalización (Milgram, 2013) válida paray todo: Los ceros en el eje real negativo se factorizan limpiamente haciendo(Milgram, 2013) para obtener una fórmula válida para:
Algoritmos numéricos
La mayoría de las técnicas de aceleración de series desarrolladas para series alternadas pueden aplicarse provechosamente a la evaluación de la función eta. Un método particularmente simple, pero razonable, es aplicar la transformación de Euler de series alternadas para obtener
Nótese que la segunda suma, la interna, es una diferencia hacia adelante .
El método de Borwein
Peter Borwein utilizó aproximaciones que involucran polinomios de Chebyshev para producir un método para la evaluación eficiente de la función eta. [ 3 ] Si entonces dónde paraEl término de error γ n está acotado por
El factor deEl límite de error indica que la serie de Borwein converge con bastante rapidez a medida que n aumenta.
Valores particulares
- η (0) = 1 / 2 , la suma de Abel de la serie de Grandi 1 − 1 + 1 − 1 + ... .
- η (−1) = 1 / 4 , la suma de Abel de 1 − 2 + 3 − 4 + ⋯ .
- Para un entero positivo k ,donde B + k es el k- ésimo número de Bernoulli .
También:
- Esta es la serie armónica alternada.
- OEIS : A072691
La forma general para los enteros pares positivos es:
Tomando el límite , se obtiene .
Derivados
La derivada con respecto al parámetro s es para
Referencias
- ↑ "Visor de Jupyter Notebook" .
- ↑ Hardy, GH (1922). Una nueva demostración de la ecuación funcional para la función zeta. Matematisk Tidsskrift. B, 71–73. http://www.jstor.org/stable/24529536
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- Funciones zeta y L