Polylogaritmen

Inom matematiken är Polylogaritmen en speciell funktion som definieras som

Li s ( z ) = k = 1 z k k s = z + z 2 2 s + z 3 3 s + . {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(z)=\sum _{k=1}^{\infty }{z^{k} \over k^{s}}=z+{z^{2} \over 2^{s}}+{z^{3} \over 3^{s}}+\cdots \,.}

Speciella värden

1.s är ett negativt heltal är polylogaritmen en rationell funktion av z:

Li 1 ( z ) = ln ( 1 z ) {\displaystyle \operatorname {Li} _{1}(z)=-\ln(1-z)}
Li 0 ( z ) = z 1 z {\displaystyle \operatorname {Li} _{0}(z)={z \over 1-z}}
Li 1 ( z ) = z ( 1 z ) 2 {\displaystyle \operatorname {Li} _{-1}(z)={z \over (1-z)^{2}}}
Li 2 ( z ) = z ( 1 + z ) ( 1 z ) 3 {\displaystyle \operatorname {Li} _{-2}(z)={z\,(1+z) \over (1-z)^{3}}}
Li 3 ( z ) = z ( 1 + 4 z + z 2 ) ( 1 z ) 4 {\displaystyle \operatorname {Li} _{-3}(z)={z\,(1+4z+z^{2}) \over (1-z)^{4}}}
Li 4 ( z ) = z ( 1 + z ) ( 1 + 10 z + z 2 ) ( 1 z ) 5 {\displaystyle \operatorname {Li} _{-4}(z)={z\,(1+z)(1+10z+z^{2}) \over (1-z)^{5}}\,}

och i allmänhet

Li n ( z ) = ( z z ) n z 1 z = {\displaystyle \operatorname {Li} _{-n}(z)=\left(z\,{\partial \over \partial z}\right)^{n}{z \over {1-z}}=}
= k = 0 n k ! S ( n + 1 , k + 1 ) ( z 1 z ) k + 1 ( n = 0 , 1 , 2 , ) , {\displaystyle =\sum _{k=0}^{n}k!\,S(n\!+\!1,\,k\!+\!1)\left({z \over {1-z}}\right)^{k+1}\qquad (n=0,1,2,\ldots )\,,}

där S(n,k) är Stirlingtalen av andra ordningen .

2.

Li 1 ( 1 2 ) = ln 2 {\displaystyle \operatorname {Li} _{1}({\tfrac {1}{2}})=\ln 2}
Li 2 ( 1 2 ) = 1 12 π 2 1 2 ( ln 2 ) 2 {\displaystyle \operatorname {Li} _{2}({\tfrac {1}{2}})={\tfrac {1}{12}}\pi ^{2}-{\tfrac {1}{2}}(\ln 2)^{2}}
Li 3 ( 1 2 ) = 1 6 ( ln 2 ) 3 1 12 π 2 ln 2 + 7 8 ζ ( 3 ) , {\displaystyle \operatorname {Li} _{3}({\tfrac {1}{2}})={\tfrac {1}{6}}(\ln 2)^{3}-{\tfrac {1}{12}}\pi ^{2}\ln 2+{\tfrac {7}{8}}\,\zeta (3)\,,}

där ζ är Riemanns zetafunktion. Inga liknande formler är kända för högre ordningar, men några något mer komplicerade formler är

Li 4 ( 1 2 ) = 1 360 π 4 1 24 ( ln 2 ) 4 + 1 24 π 2 ( ln 2 ) 2 1 2 ζ ( 3 ¯ , 1 ¯ ) , {\displaystyle \operatorname {Li} _{4}({\tfrac {1}{2}})={\tfrac {1}{360}}\pi ^{4}-{\tfrac {1}{24}}(\ln 2)^{4}+{\tfrac {1}{24}}\pi ^{2}(\ln 2)^{2}-{\tfrac {1}{2}}\,\zeta ({\bar {3}},{\bar {1}})\,,}

som innehåller den alternerande dubbelsumman ζ ( 3 ¯ , 1 ¯ )   = m > n > 0 ( 1 ) m + n m 3 n 1 {\displaystyle \scriptstyle \zeta ({\bar {3}},{\bar {1}})~=\,\sum _{m>n>0}\,(-1)^{m+n}m^{-3}n^{-1}} . I allmänhet gäller för heltal n ≥ 2

Li n ( 1 2 ) = ζ ( 1 ¯ , 1 ¯ , { 1 } n 2 ) , {\displaystyle \operatorname {Li} _{n}({\tfrac {1}{2}})=-\zeta ({\bar {1}},{\bar {1}},\left\{1\right\}^{n-2})\,,}

där ζ(s1, ..., sk) är multipel-zetafunktionen, exempelvis

Li 5 ( 1 2 ) = ζ ( 1 ¯ , 1 ¯ , 1 , 1 , 1 ) . {\displaystyle \operatorname {Li} _{5}({\tfrac {1}{2}})=-\zeta ({\bar {1}},{\bar {1}},1,1,1)\,.}

3. Direkt ur polylogaritmens definition följer att

Li s ( e 2 π i m / p ) = p s k = 1 p e 2 π i m k / p ζ ( s , k p ) ( m = 1 , 2 , , p 1 ) , {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(e^{2\pi im/p})=p^{-s}\sum _{k=1}^{p}e^{2\pi imk/p}\,\zeta (s,{\tfrac {k}{p}})\qquad (m=1,2,\dots ,p-1)\,,}

där ζ är Hurwitzs zetafunktion.

Integralrepresentationer

För alla komplexa s och z gäller

Li s ( z ) = 1 2 z + Γ ( 1 s , ln z ) ( ln z ) 1 s + 2 z 0 sin ( s arctan t t ln z ) ( 1 + t 2 ) s / 2 ( e 2 π t 1 ) d t . {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(z)={\tfrac {1}{2}}z+{\Gamma (1\!-\!s,-\ln z) \over (-\ln z)^{1-s}}+2z\int _{0}^{\infty }{\frac {\sin(s\arctan t\,-\,t\ln z)}{(1+t^{2})^{s/2}\,(e^{2\pi t}-1)}}\,\mathrm {d} t.}


Relation till andra funktioner

  • Då z=1 blir polylogaritmen Riemanns zetafunktion:
Li s ( 1 ) = ζ ( s ) ( Re ( s ) > 1 ) . {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(1)=\zeta (s)\qquad ({\textrm {Re}}(s)>1)\,.}
  • Polylogaritmen är även relaterad till Dirichlets etafunktion och Dirichlets betafunktion:
Li s ( 1 ) = η ( s ) , {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(-1)=-\eta (s)\,,}
och
Li s ( ± i ) = 2 s η ( s ) ± i β ( s ) . {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(\pm i)=-2^{-s}\,\eta (s)\pm i\,\beta (s)\,.}
Li s ( z ) = Li s ( 0 , z ) . {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(z)=\operatorname {Li} _{s}(0,z)\,.}


  • Polylogaritmen är ett specialfall av Lerchs transcendent:
Li s ( z ) = z Φ ( z , s , 1 ) . {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(z)=z\,\Phi (z,s,1)\,.}
  • Polylogaritmen är också relaterad till Hurwitzs zetafunktion:
Li s ( z ) = Γ ( 1 s ) ( 2 π ) 1 s [ i 1 s   ζ ( 1 s ,   1 2 + ln ( z ) 2 π i ) + i s 1   ζ ( 1 s ,   1 2 ln ( z ) 2 π i ) ] , {\displaystyle \operatorname {Li} _{s}(z)={\Gamma (1\!-\!s) \over (2\pi )^{1-s}}\left[i^{1-s}~\zeta \!\left(1\!-\!s,~{\frac {1}{2}}+{\ln(-z) \over {2\pi i}}\right)+i^{s-1}~\zeta \!\left(1\!-\!s,~{\frac {1}{2}}-{\ln(-z) \over {2\pi i}}\right)\right],}

utom då s=0,1,2,...

  • Polylogaritmen är relaterad till Bernoullipolynomen emligt
Li n ( e 2 π i x ) + ( 1 ) n Li n ( e 2 π i x ) = ( 2 π i ) n n ! B n ( x ) , {\displaystyle \operatorname {Li} _{n}(e^{2\pi ix})+(-1)^{n}\,\operatorname {Li} _{n}(e^{-2\pi ix})=-{(2\pi i)^{n} \over n!}\,B_{n}(x)\,,}

där 0 ≤ Re(x) < 1 om Im(x) ≥ 0, och 0 < Re(x) ≤ 1 om Im(x) < 0.

  • Legendres chifunktion χs(z) kan skrivas med hjälp av polylogaritmen::
χ s ( z ) = 1 2 [ Li s ( z ) Li s ( z ) ] . {\displaystyle \chi _{s}(z)={\tfrac {1}{2}}\left[\operatorname {Li} _{s}(z)-\operatorname {Li} _{s}(-z)\right].}
  • Polylogaritmen av heltalsordning kan skrivas med hjälp av generaliserade hypergeometriska funktionen:
Li n ( z ) = z n + 1 F n ( 1 , 1 , , 1 ; 2 , 2 , , 2 ; z ) ( n = 0 , 1 , 2 , )   {\displaystyle \operatorname {Li} _{n}(z)=z\;_{n+1}F_{n}(1,1,\dots ,1;\,2,2,\dots ,2;\,z)\qquad (n=0,1,2,\ldots )~}
Li n ( z ) = z n F n 1 ( 2 , 2 , , 2 ; 1 , 1 , , 1 ; z ) ( n = 1 , 2 , 3 , )   . {\displaystyle \operatorname {Li} _{-n}(z)=z\;_{n}F_{n-1}(2,2,\dots ,2;\,1,1,\dots ,1;\,z)\qquad (n=1,2,3,\ldots )~.}
  • Inversa tangensintegralen Tis(z) är relaterad till polylogaritmen enligt
T i s ( z ) = 1 2 i [ Li s ( i z ) Li s ( i z ) ] . {\displaystyle Ti_{s}(z)={1 \over 2i}\left[\operatorname {Li} _{s}(iz)-\operatorname {Li} _{s}(-iz)\right].}
Av det här följer:
T i 0 ( z ) = z 1 + z 2 , T i 1 ( z ) = arctan z , T i 2 ( z ) = 0 z arctan t t d t , {\displaystyle Ti_{0}(z)={z \over 1+z^{2}},\quad Ti_{1}(z)=\arctan z,\quad Ti_{2}(z)=\int _{0}^{z}{\arctan t \over t}\,\mathrm {d} t,}
  , T i n + 1 ( z ) = 0 z T i n ( t ) t d t . {\displaystyle \quad \ldots ~,\quad Ti_{n+1}(z)=\int _{0}^{z}{Ti_{n}(t) \over t}\,\mathrm {d} t\,.}

Gränsvärden

lim | z | 0 Li s ( z ) = z {\displaystyle \lim _{|z|\rightarrow 0}\operatorname {Li} _{s}(z)=z}
lim | μ | 0 Li s ( e μ ) = Γ ( 1 s ) ( μ ) s 1 ( R e ( s ) < 1 ) {\displaystyle \lim _{|\mu |\rightarrow 0}\operatorname {Li} _{s}(e^{\mu })=\Gamma (1\!-\!s)\,(-\mu )^{s-1}\qquad (\mathrm {Re} (s)<1)}
lim R e ( μ ) Li s ( e μ ) = μ s Γ ( s + 1 ) ( s 1 , 2 , 3 , ) {\displaystyle \lim _{\mathrm {Re} (\mu )\rightarrow \infty }\operatorname {Li} _{s}(-e^{\mu })=-{\mu ^{s} \over \Gamma (s+1)}\qquad (s\neq -1,-2,-3,\ldots )}
lim R e ( μ ) Li n ( e μ ) = ( 1 ) n e μ ( n = 1 , 2 , 3 , ) {\displaystyle \lim _{\mathrm {Re} (\mu )\rightarrow \infty }\operatorname {Li} _{-n}(e^{\mu })=-(-1)^{n}\,e^{-\mu }\qquad (n=1,2,3,\ldots )}
lim R e ( s ) Li s ( z ) = z {\displaystyle \lim _{\mathrm {Re} (s)\rightarrow \infty }\operatorname {Li} _{s}(z)=z}
lim R e ( s ) Li s ( e μ ) = Γ ( 1 s ) ( μ ) s 1 ( π < I m ( μ ) < π ) {\displaystyle \lim _{\mathrm {Re} (s)\rightarrow -\infty }\operatorname {Li} _{s}(e^{\mu })=\Gamma (1\!-\!s)\,(-\mu )^{s-1}\qquad (-\pi <\mathrm {Im} (\mu )<\pi )}
lim R e ( s ) Li s ( e μ ) = Γ ( 1 s ) [ ( μ i π ) s 1 + ( μ + i π ) s 1 ] ( I m ( μ ) = 0 ) {\displaystyle \lim _{\mathrm {Re} (s)\rightarrow -\infty }\operatorname {Li} _{s}(-e^{\mu })=\Gamma (1\!-\!s)\left[(-\mu -i\pi )^{s-1}+(-\mu +i\pi )^{s-1}\right]\qquad (\mathrm {Im} (\mu )=0)}

Övrigt

Definiera ρ = 1 2 ( 5 1 ) {\displaystyle \scriptstyle \rho \,=\,{\tfrac {1}{2}}({\sqrt {5}}-1)} . Då gäller

Li 2 ( ρ 6 ) = 4 Li 2 ( ρ 3 ) + 3 Li 2 ( ρ 2 ) 6 Li 2 ( ρ ) + 7 30 π 2 {\displaystyle \operatorname {Li} _{2}(\rho ^{6})=4\operatorname {Li} _{2}(\rho ^{3})+3\operatorname {Li} _{2}(\rho ^{2})-6\operatorname {Li} _{2}(\rho )+{\tfrac {7}{30}}\pi ^{2}}

och

Li 2 ( ρ ) = 1 10 π 2 ln 2 ρ . {\displaystyle \operatorname {Li} _{2}(\rho )={\tfrac {1}{10}}\pi ^{2}-\ln ^{2}\rho .}


Källor

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Polylogarithm, 4 november 2013.

Externa länkar

  • Wikimedia Commons har media som rör Polylogaritmen.
    Bilder & media