Graf Dirichletove funkcije beta
y
(
x
)
=
β
(
x
)
{\displaystyle y(x)=\beta (x)}
na intervalu [−8, 8]
Dirichletova funkcija beta (tudi Catalanova funkcija beta ; običajna označba
β
(
s
)
{\displaystyle \beta (s)}
) je v matematiki in še posebej analitični teoriji števil specialna funkcija , tesno povezana z Riemannovo funkcijo ζ . Je posebni primer Dirichletove L-funkcije , L-funkcije z alternirajočim karakterjem periode 4. Imenuje se po nemškem matematiku Petru Gustavu Lejeuneu Dirichletu in včasih po belgijskem matematiku Eugèneu Charlesu Catalanu .
Dirichletova funkcija β je definirana kot alternirajoča vrsta :[ 1]
β
(
s
)
=
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
(
2
n
+
1
)
s
=
1
−
1
3
s
+
1
5
s
−
1
7
s
+
1
9
s
−
+
…
,
{\displaystyle \beta (s)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)^{s}}}=1-{\frac {1}{3^{s}}}+{\frac {1}{5^{s}}}-{\frac {1}{7^{s}}}+{\frac {1}{9^{s}}}-+\ldots \!\,,}
ali enakovredno kot:
β
(
s
)
=
1
Γ
(
s
)
∫
0
∞
x
s
−
1
e
−
x
1
+
e
−
2
x
d
x
,
{\displaystyle \beta (s)={\frac {1}{\Gamma (s)}}\int _{0}^{\infty }{\frac {x^{s-1}e^{-x}}{1+e^{-2x}}}\,\mathrm {d} x\!\,,}
kjer je
Γ
(
s
)
{\displaystyle \Gamma (s)}
funkcija Γ . V obeh primerih je
ℜ
(
s
)
>
0
{\displaystyle \Re (s)>0\,}
.
S pomočjo Hurwitzeve funkcije ζ je Dirichletova funkcija β določena kot:[ 2]
β
(
s
)
=
1
4
s
[
ζ
(
s
,
1
4
)
−
ζ
(
s
,
3
4
)
]
,
{\displaystyle \beta (s)={\frac {1}{4^{s}}}\left[\zeta \left(s,{\frac {1}{4}}\right)-\zeta \left(s,{\frac {3}{4}}\right)\right]\!\,,}
na celi kompleksni
s
{\displaystyle s\,}
-ravnini.
Z Lerchevim transcendentom je določena kot:
β
(
s
)
=
Φ
(
−
1
,
s
,
1
2
)
2
s
,
{\displaystyle \beta (s)={\frac {\Phi \left(-1,s,{\frac {1}{2}}\right)}{2^{s}}}\!\,,}
ki spet velja za vse kompleksne vrednosti
s
{\displaystyle s\,}
.
Vrsta za Dirichletovo funkcijo β se lahko tvori tudi s pomočjo funkcije poligama :
β
(
s
)
=
1
2
s
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
(
n
+
1
2
)
s
=
1
(
−
2
)
2
s
(
s
−
1
)
!
[
ψ
(
s
−
1
)
(
1
4
)
−
ψ
(
s
−
1
)
(
3
4
)
]
.
{\displaystyle \beta (s)={\frac {1}{2^{s}}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{\left(n+{\frac {1}{2}}\right)^{s}}}={\frac {1}{(-2)^{2s}(s-1)!}}\left[\psi ^{(s-1)}\left({\frac {1}{4}}\right)-\psi ^{(s-1)}\left({\frac {3}{4}}\right)\right]\!\,.}
Funkcijska enačba razširi Dirichletovo funkcijo β na levo stran kompleksne ravnine
ℜ
(
s
)
<
0
{\displaystyle \Re (s)<0\,}
. Dana je z:
β
(
s
)
=
(
π
2
)
s
−
1
Γ
(
1
−
s
)
cos
π
s
2
β
(
1
−
s
)
.
{\displaystyle \beta (s)=\left({\frac {\pi }{2}}\right)^{s-1}\Gamma (1-s)\cos {\frac {\pi s}{2}}\,\beta (1-s)\!\,.}
Nekatere najpogosteje rabljene vrednosti Dirichletove funkcije β so:
β
(
0
)
=
1
2
,
{\displaystyle \beta (0)={\frac {1}{2}}\!\,,}
β
(
1
)
=
a
r
c
t
g
1
=
π
4
=
0
,
7853981633974
…
,
{\displaystyle \beta (1)=\operatorname {arc\,tg} \,1={\frac {\pi }{4}}={0},7853981633974\ldots \!\,,}
(OEIS A003881 ),
β
(
2
)
=
G
=
0
,
9159655941772
…
,
{\displaystyle \beta (2)=G={0},9159655941772\ldots \!\,,}
Catalanova konstanta , (OEIS A006752 ),
β
(
3
)
=
π
3
32
=
0
,
9689461462593
…
,
{\displaystyle \beta (3)={\frac {\pi ^{3}}{32}}={0},9689461462593\ldots \!\,,}
(OEIS A153071 ),
β
(
4
)
=
1
768
[
ψ
3
(
1
4
)
−
8
π
4
]
=
0
,
9889445517411
…
,
{\displaystyle \beta (4)={\frac {1}{768}}\left[\psi _{3}\left({\frac {1}{4}}\right)-8\pi ^{4}\right]={0},9889445517411\ldots \!\,,}
(OEIS A175572 ),
β
(
5
)
=
5
π
5
1536
=
0
,
9961578280770
…
,
{\displaystyle \beta (5)={\frac {5\pi ^{5}}{1536}}={0},9961578280770\ldots \!\,,}
(OEIS A175571 ),
β
(
7
)
=
61
π
7
184320
=
0
,
9995545078905
…
,
{\displaystyle \beta (7)={\frac {61\pi ^{7}}{184320}}={0},9995545078905\ldots \!\,,}
(OEIS A258814 ),
kjer je zgoraj
ψ
3
(
1
/
4
)
{\displaystyle \psi _{3}(1/4)\,}
zgled funkcije poligama.
Euler je pokazal, da je v splošnem za lihe
s
{\displaystyle s\,}
,
β
(
s
)
{\displaystyle \beta (s)}
racionalni mnogokratnik
π
s
{\displaystyle \pi ^{s}}
, torej za poljubno pozitivno celo število
k
{\displaystyle k\,}
:
β
(
2
k
+
1
)
=
(
−
1
)
k
E
2
k
π
2
k
+
1
4
k
+
1
(
2
k
)
!
,
{\displaystyle \beta (2k+1)={\frac {(-1)^{k}E_{2k}\pi ^{2k+1}}{4^{k+1}(2k)!}}\!\,,}
kjer so
E
n
{\displaystyle \!\ E_{n}}
Eulerjeva števila . Za celo število
k
≥
0
{\displaystyle k\geq 0\,}
velja:
β
(
−
k
)
=
E
k
2
,
{\displaystyle \beta (-k)={\frac {E_{k}}{2}}\!\,,}
oziroma:
β
(
−
2
k
)
=
E
2
k
2
,
{\displaystyle \beta (-2k)={\frac {E_{2k}}{2}}\!\,,}
Funkcija je tako enaka nič za vse lihe negativne celoštevilske vrednosti argumenta:
β
(
−
2
k
−
1
)
=
0
.
{\displaystyle \beta (-2k-1)=0\!\,.}
s
približne vrednosti β(s)
OEIS
1/5
0,5737108471859466493572665
1/4
0,5907230564424947318659591
1/3
0,6178550888488520660725389
1/2
0,6676914571896091766586909
A195103
1
0,7853981633974483096156608
A003881
2
0,9159655941772190150546035
A006752
3
0,9689461462593693804836348
A153071
4
0,9889445517411053361084226
A175572
5
0,9961578280770880640063194
A175571
6
0,9986852222184381354416008
A175570
7
0,9995545078905399094963465
A258814
8
0,9998499902468296563380671
A258815
9
0,9999496841872200898213589
A258816
10
0,9999831640261968774055407
Tanguy Rivoal in Vadim Zudilin sta dokazala , da je vsaj eno od sedmih števil:
β
(
2
)
{\displaystyle \beta (2)\,}
,
β
(
4
)
{\displaystyle \beta (4)\,}
,
β
(
6
)
{\displaystyle \beta (6)\,}
,
β
(
8
)
{\displaystyle \beta (8)\,}
,
β
(
10
)
{\displaystyle \beta (10)\,}
,
β
(
12
)
{\displaystyle \beta (12)\,}
ali
β
(
14
)
{\displaystyle \beta (14)\,}
iracionalno.[ 3]
Guillera in Sondow sta leta 2005 dokazala formulo z dvojnim integralom :[ 4]
∫
0
1
∫
0
1
[
−
ln
(
x
y
)
]
s
1
+
x
2
y
2
d
x
d
y
=
Γ
(
s
+
2
)
β
(
s
+
2
)
.
{\displaystyle \int _{0}^{1}\int _{0}^{1}{\frac {[-\ln(xy)]^{s}}{1+x^{2}y^{2}}}\mathrm {d} x\mathrm {d} y=\Gamma (s+2)\beta (s+2)\!\,.}
Odvod za vse
ℜ
(
s
)
>
0
{\displaystyle \Re (s)>0\,}
je dan z:
d
d
s
β
(
s
)
≡
β
′
(
s
)
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
ln
(
2
n
+
1
)
(
2
n
+
1
)
s
.
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}\beta (s)\equiv \beta ^{\prime }(s)=\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}{\frac {\ln(2n+1)}{(2n+1)^{s}}}\!\,.}
Nekatere posebne vrednosti odvodov:
β
′
(
−
1
)
=
2
G
π
=
0,583
1218080616
…
,
{\displaystyle \beta ^{\prime }(-1)={\frac {2G}{\pi }}=0{,}5831218080616\ldots \!\,,}
β
′
(
0
)
=
ln
Γ
2
(
1
/
4
)
2
π
2
=
0,391
5943927068
…
,
{\displaystyle \beta ^{\prime }(0)=\ln {\frac {\Gamma ^{2}(1/4)}{2\pi {\sqrt {2}}}}=0{,}3915943927068\ldots \!\,,}
(OEIS A113847 ),
β
′
(
1
)
=
π
4
(
γ
+
2
ln
2
+
3
ln
π
−
4
ln
Γ
(
1
4
)
)
=
0,192
9013167969
…
,
{\displaystyle \beta ^{\prime }(1)={\frac {\pi }{4}}\left(\gamma +2\ln 2+3\ln \pi -4\ln \Gamma ({\tfrac {1}{4}})\right)=0{,}1929013167969\ldots \!\,,}
, (OEIS A078127 ).
Za pozitivna cela števila
n
{\displaystyle n\,}
velja še naprej:
∑
k
=
1
∞
ln
(
4
k
+
1
)
1
/
(
4
k
+
1
)
n
(
4
k
−
1
)
1
/
(
4
k
−
1
)
n
=
−
β
′
(
n
)
.
{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }\ln {\frac {(4k+1)^{1/(4k+1)^{n}}}{(4k-1)^{1/(4k-1)^{n}}}}=-\beta ^{\prime }(n)\!\,.}
Abramowitz, Milton ; Stegun, Irene Anne (1972). »Riemann Zeta Function and other Sums of Recirocal Powers. §23.2«. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables (9. izd.). New York: Dover. str. 807–808. ISBN 978-0486612720 . MR 0167642 . Glej razdelek §23.2
Glasser, M. L. (1972). »The evaluation of lattice sums. I. Analytic procedures«. J. Math. Phys . Zv. 14. str. 409. doi :10.1063/1.1666331 .
Guillera, Jesús ; Sondow, Jonathan (2008), »Double integrals and infinite products for some classical constants via analytic continuations of Lerch's transcendent«, Ramanujan Journal. An international Journal devoted to the areas of mathematics , 16 (3): 247–270, arXiv :math/0506319 , ISSN 1382-4090
Rivoal, Tanguy ; Zudilin, Vadim Valentinovič (2003). »Diophantine Properties of Numbers Related to Catalan's Constant« (PDF) . Math. Ann . Zv. 326. str. 705–721. Arhivirano iz prvotnega spletišča (PDF) dne 13. januarja 2011. Pridobljeno 9. novembra 2009 .
Spanier, J.; Oldham, K. B. (1987). An Atlas of Functions . New York: Hemisphere.