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スレッドNo.2495

πとの関連性

GAIさんの「πとの関連性」で、
 
1-1/3^3+1/5^3-1/7^3+1/9^3-1/11^3+・・・・・=π^3/32
1-1/2^3+1/4^3-1/5^3+1/7^3-1/8^3+1/10^3-1/11^3+1/13^3-1/14^3+・・・=4*π^3/(81*√3)

などの関係式がありますが、これらはクラウゼン関数とベルヌーイ多項式を用いて導くことができます。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AF%E3%83%A9%E3%82%A6%E3%82%BC%E3%83%B3%E9%96%A2%E6%95%B0
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%99%E3%83%AB%E3%83%8C%E3%83%BC%E3%82%A4%E5%A4%9A%E9%A0%85%E5%BC%8F

ベルヌーイ多項式はベルヌーイ数b_kと二項係数C(n,k)を用いて、
B_n(x)=Σ_{k=1}^{∞}C(n,k)b_{n-k}x^k
と表されます。
クラウゼン関数のうち、Sl_zという関数は
Sl_z(θ)=Σ_{k=1}^{∞}(sin(kθ)/k^z)
と表されます。Sl_zとB_nの間には、
Sl_{2m-1}(θ)=(-1)^m(2π)^(2m-1)/2/(2m-1)!*B_{2m-1}(θ/(2π))
という関係式があります。3乗の場合は、
Sl_3(θ)=Σ_{k=1}^{∞}(sin(kθ)/k^3)
B_3(x)=x^3-(3/2)*x^2+1/2*x
Sl_3(θ)=(-1)^2*(2π)^3/2/3!*B_3(θ/(2π))=(2/3)*π^3*B_3(θ/(2π))
を用います。

周期4の場合は、
Sl_3(π/2)=1-1/3^3+1/5^3-1/7^3+...=(2/3)*π^3*B_3(1/4)
B_3(1/4)=(1/4)^3-(3/2)*(1/4)^2+(1/2)*(1/4)=3/64
より、
1-1/3^3+1/5^3-1/7^3+...=1/32*π^3
となります。

周期3の場合は、
Sl_3(2π/3)=(√3/2)*(1-1/2^3+1/4^3-1/5^3+...)=(2/3)*π^3*B_3(1/3)
B_3(1/3)=(1/3)^3-(3/2)*(1/3)^2+(1/2)*(1/3)=1/27
より、
1-1/2^3+1/4^3-1/5^3+...=4/(81√3)*π^3
となります。

周期6の場合は、
Sl_3(π/3)=(√3/2)*(1+1/2^3-1/4^3-1/5^3+...)=(2/3)*π^3*B_3(1/6)
B_3(1/3)=(1/6)^3-(3/2)*(1/6)^2+(1/2)*(1/6)=5/108
より、

1+1/2^3-1/4^3-1/5^3+...=5/(81√3)*π^3
なので、
1-1/5^3+1/7^3-1/11^3+...=1/(18√3)*π^3
となります。

周期8の場合は、
Sl_3(π/4)=1/√2+1/2^3+1/√2/3^3-1/√2/5^3-1/6^3-1/√2/7^3+...=(2/3)*π^3*B_3(1/8)
Sl_3(3π/4)=1/√2-1/2^3+1/√2/3^3-1/√2/5^3+1/6^3-1/√2/7^3+...=(2/3)*π^3*B_3(3/8)
B_3(1/8)=21/512,B_3(3/8)=15/512
より、

Sl_3(π/4)+Sl_3(3π/4)=√2+√2/3^3-√2/5^3-√2/7^3+...=3/64*π^3
なので、
1+1/3^3-1/5^3-1/7^3+...=3/(64√2)*π^3
となります。

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周期5と10の場合については、
Sl_3(π/5)=√(3-φ)/2+√(φ+2)/2/2^3+√(φ+2)/2/3^3+√(3-φ)/2/4^3
-√(3-φ)/2/6^3-√(φ+2)/2/7^3-√(φ+2)/2/8^3-√(3-φ)/2/9^2+...
Sl_3(2*π/5)=√(φ+2)/2+√(3-φ)/2/2^3-√(3-φ)/2/3^3-√(φ+2)/2/4^3+...
Sl_3(3*π/5)=√(φ+2)/2-√(3-φ)/2/2^3-√(3-φ)/2/3^3+√(φ+2)/2/4^3
-√(φ+2)/2/6^3+√(3-φ)/2/7^3+√(3-φ)/2/8^3-√(φ+2)/2/9^3+...
Sl_3(4*π/5)=√(3-φ)/2-√(φ+2)/2/2^3+√(φ+2)/2/3^3-√(3-φ)/2/4^3+...
φ=(1+√5)/2
Sl_3(π/5)=(2/3)*π^3*B_3(1/10)=3/125*π^3
Sl_3(2π/5)=(2/3)*π^3*B_3(1/5)=4/125*π^3
Sl_3(3π/5)=(2/3)*π^3*B_3(3/10)=7/250*π^3
Sl_3(4π/5)=(2/3)*π^3*B_3(2/5)=2/125*π^3
より、

√(φ+2)Sl_3(2π/5)+√(3-φ)Sl_3(4π/5)
=5/2-5/2/4^3+5/2/6^3-5/2/9^3+...
=(√(φ+2)*4/125+√(3-φ)*2/125)*π^3
なので、
1-1/4^3+1/6^3-1/9^3+...=(√(φ+2)*8/625+√(3-φ)*4/625)π^3
となります。

√(3-φ)Sl_3(2π/5)-√(φ+2)Sl_3(4π/5)
=5/2*(1/2^3-1/3^3+1/7^3-1/8^3+...)
=(√(3-φ)*4/125-√(φ+2)*2/125)*π^3
なので、
1/2^3-1/3^3+1/7^3-1/8^3+...=(√(3-φ)*8/625-√(φ+2)*4/625)*π^3
となります。

√(3-φ)Sl_3(π/5)+√(φ+2)Sl_3(3π/5)
=5/2+5/2/4^3-5/2/6^3-5/2/9^3+...
=(√(3-φ)*3/125+√(φ+2)*7/250)*π^3
なので、
1+1/4^3-1/6^3-1/9^3+...=(√(3-φ)*6/625+√(φ+2)*7/625)*π^3
となります。

√(φ+2)Sl_3(π/5)-√(3-φ)Sl_3(3π/5)
=5/2/2^3+5/2/3^3-5/2/7^3-5/2/8^3+...
=(√(φ+2)*3/125-√(3-φ)*7/250)*π^3
なので、
1/2^3+1/3^3-1/7^3-1/8^3+...=(√(3-φ)*6/625-√(φ+2)*7/625)*π^3
となります。

引用して返信編集・削除(未編集)

周期7の場合については、
Sl_3(2π/7)=sin(2*π/7)*(1-1/6^3+...)+sin(4π/7)*(1/2^3-1/5^3+...)+sin(6π/7)*(1/3^3-1/4^3+...)
Sl_3(4π/7)=sin(4*π/7)*(1-1/6^3+...)+sin(8π/7)*(1/2^3-1/5^3+...)+sin(12π/7)*(1/3^3-1/4^3+...)
Sl_3(6π/7)=sin(6*π/7)*(1-1/6^3+...)+sin(12π/7)*(1/2^3-1/5^3+...)+sin(18π/7)*(1/3^3-1/4^3+...)
Sl_3(2π/7)=(2/3)π^3*B_3(1/7)=10/343*π^3
Sl_3(4π/7)=(2/3)π^3*B_3(2/7)=10/343*π^3
Sl_3(6π/7)=(2/3)π^3*B_3(3/7)=4/343*π^3
より、

sin(2π/7)*(1-1/6^3+...)+sin(4π/7)*(1/2^3-1/5^3+...)+sin(8π/7)*(-1/3^3+1/4^3+...)=10/343*π^3
sin(4π/7)*(1-1/6^3+...)+sin(8π/7)*(1/2^3-1/5^3+...)+sin(2π/7)*(-1/3^3+1/4^3+...)=10/343*π^3
sin(8π/7)*(1-1/6^3+...)+sin(2π/7)*(1/2^3-1/5^3+...)+sin(4π/7)*(-1/3^3+1/4^3+...)=-4/343*π^3
と書き換えて、zを1の原始7乗根とすると、
sin(2π/7)=(z-z^-1)/2i,sin(4π/7)=(z^2-z^-2)/2i,sin(8π/7)=(z^4-z^-4)/2i
であり、

1-1/6^3+1/8^3-1/13^3+...=(2i/2401)*(10*z^6+10*z^5+4*z^4-4*z^3-10*z^2-10*z)
1/2^3-1/5^3+1/9^3-1/12^3+...=(2i/2401)*(-4*z^6+10*z^5-10*z^4+10*z^3-10*z^2+4*z)
-1/3^3+1/4^3-1/10^3+1/11^3-...=(2i/2401)*(10*z^6-4*z^5-10*z^4+10*z^3+4*z^2-10*z)
より、

1+1/2^3-1/3^3+1/4^3-1/5^3-1/6^3+...=(32i/2401)*π^3*(z^6+z^5-z^4+z^3-z^2-z)
であり、
z^6+z^5-z^4+z^3-z^2-z=-i√7
なので、

1+1/2^3-1/3^3+1/4^3-1/5^3-1/6^3+...=32/(343√7)*π^3
となります。


周期11の場合については、
Sl_3(2π/11)=sin(2π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(4π/11)*(1/2^3-1/9^3+...)+sin(6π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)
+sin(8π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)+sin(10π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)
Sl_3(4π/11)=sin(4π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(8π/11)*(1/2^3-1/9^3+...)+sin(12π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)
+sin(16π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)+sin(20π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)
Sl_3(6π/11)=sin(6π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(12π/11)*(1/2^3-1/9^3+...)+sin(18π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)
+sin(24π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)+sin(30π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)
Sl_3(8π/11)=sin(8π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(16π/11)*(1/2^3-1/9^3+...)+sin(24π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)
+sin(32π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)+sin(40π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)
Sl_3(10π/11)=sin(10π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(20π/11)*(1/2^3-1/9^3+...)+sin(30π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)
+sin(40π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)+sin(50π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)
Sl_3(2π/11)=(2/3)*π^3*B_3(1/11)=30/1331*π^3
Sl_3(4π/11)=(2/3)*π^3*B_3(2/11)=42/1331*π^3
Sl_3(6π/11)=(2/3)*π^3*B_3(3/11)=40/1331*π^3
Sl_3(8π/11)=(2/3)*π^3*B_3(4/11)=28/1331*π^3
Sl_3(10π/11)=(2/3)*π^3*B_3(5/11)=10/1331*π^3
より、

Sl_3(2π/11)=sin(2π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(6π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(18π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(10π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(8π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)
Sl_3(6π/11)=sin(6π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(18π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(10π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(8π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(2π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)
-Sl_3(4π/11)=sin(18π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(10π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(8π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(2π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(6π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)
Sl_3(10π/11)=sin(10π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(8π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(2π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(6π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(18π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)
Sl_3(8π/11)=sin(8π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(2π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(6π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(18π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(10π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)
と書き換えて、

sin(2π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(6π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(18π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(10π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(8π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)=30/1331*π^3
sin(6π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(18π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(10π/1*1)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(8π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(2π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)=40/1331π^3
sin(18π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(10π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(8π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(2π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(6π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)=-42/1331*π^3
sin(10π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(8π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(2π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(6π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(18π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)=10/1331*π^3
sin(8π/11)*(1-1/10^3+...)+sin(2π/11)*(1/3^3-1/8^3+...)+sin(6π/11)*(-1/2^3+1/9^3+...)
+sin(18π/11)*(1/5^3-1/6^3+...)+sin(10π/11)*(1/4^3-1/7^3+...)=28/1331*π^3
であり、zを1の原始11乗根とすると、
sin(2π/11)=(z-z^-1)/2i,sin(6π/11)=(z^3-z^-3)/2i,sin(8π/11)=(z^4-z^-4)/2i,
sin(10π/11)=(z^5-z^-5)/2i,sin(18π/11)=(z^9-z^-9)/2i
なので、

1-1/10^3+...=(2i/11^4)*π^3*(30*z^10+42*z^9+40*z^8+28*z^7+10*z^6-10*z^5-28*z^4-40*z^3-42*z^2-30*z)
1/3^3-1/8^3+...=(2i/11^4)*π^3*(28*z^10-40*z^9+30*z^8+10*z^7-42*z^6+42*z^5-10*z^4-30*z^3+40*z^2-28*z)
-1/2^3+1/9^3+...=(2i/11^4)*π^3*(10*z^10-30*z^9+28*z^8-42*z^7+40*z^6-40*z^5+42*z^4-28*z^3+30*z^2-10*z)
1/5^3-1/6^3+...=(2i/11^4)*π^3*(-42*z^10-28*z^9+10*z^8+40*z^7+30*z^6-30*z^5-40*z^4-10*z^3+28*z^2+42*z)
1/4^3-1/7^3+...=(2i/11^4)*π^3*(40*z^10-10*z^9-42*z^8+30*z^7+28*z^6-28*z^5-30*z^4+42*z^3+10*z^2-40*z)
より、

1-1/2^3+1/3^3+1/4^3+1/5^3-1/6^3-1/7^3-1/8^3+1/9^3-1/10^3+...
=(2i/11^3)*π^3*(-12*z^9- 12*z^5-12*z^4-12*z^3-12*z-6)
=(12i/11^3)*π^3*(z^10-z^9+z^8+z^7+z^6-z^5-z^4-z^3+z^2-z)
なので、

z^10-z^9+z^8+z^7+z^6-z^5-z^4-z^3+z^2-z=-i√11
から、

1-1/2^3+1/3^3+1/4^3+1/5^3-1/6^3-1/7^3-1/8^3+1/9^3-1/10^3+...=12/(121√11)*π^3
となります。

引用して返信編集・削除(編集済: 2025年02月08日 20:38)

紹介してもらって初めて知ることに成りましたこのクラウゼン関数
何とベルヌーイ多項式と組み合わさることでディリクレのベータ関数や
ディリクレL関数を引き起こす働きができるんですね。
もう何年も前に計算上偶然見つけていた等式がこんなにも理路騒然と
他の概念から導き出せるものなのだと感動しています。
ディリクレはドイツ(1805~1859)
クラウゼンはデンマーク(1801~1885)
でほぼ同じ世代をお互い刺激し合いながら生きていたんでしょうね。
世の中色々な人で満ち溢れていますね。
改めてこの人を読んでこんなにも立派な発見をやっておきながら、余り
名を知られていないのは不公平に感じる。
私だけが知らないだけなのか?
kuiperbeltさんは何時この繋がりを御知りになったのですか?

引用して返信編集・削除(未編集)

私もクラウゼン関数を知ったのはつい最近のことでした。

1-1/3^3+1/5^3-1/7^3+1/9^3-1/11^3+・・・
1-1/2^3+1/4^3-1/5^3+1/7^3-1/8^3+1/10^3-1/11^3+1/13^3-1/14^3+・・・
を見て、多重対数関数を用いて
Li_3(i)=i-1/2^3-i/3^3+1/4^3+i/5^3-1/6^3-i/7^3+1/8^3+・・・
Li_3(ω)=ω+ω^2/2^3+1/3^3+ω/4^3+ω^2/5^3+1/6^3+・・・
の虚部で表せるのではないかと考え、英語版の多重対数関数のWikipedeia(https://en.wikipedia.org/wiki/Polylogarithm)に

The polylogarithm with pure imaginary μ may be expressed in terms of the Clausen functions Ci_s(θ) and Si_s(θ), and vice versa (Lewin 1958, Ch. VII § 1.4; Abramowitz & Stegun 1972, § 27.8):

Li_s(e^±iθ)=Ci_s(θ)±iSi_s(θ)

という記載を見つけてクラウゼン関数にたどりついたのでした。

引用して返信編集・削除(未編集)

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