黎曼ζ函數(shù)與一類積分的聯(lián)系

我們熟知下面的結(jié)論:
然而,利用Gamma函數(shù),我們可以得到下面的結(jié)論:
于是,將這個式子代入最上面的式子,交換求和和積分,我們可以得到:
目前看來,我們把ζ(2)化成了一個積分表達式,但這并不能使我們滿足,我們嘗試改變分子x的指數(shù),得到下面的積分:
我們可以這樣處理這個積分:
于是,我們把ζ函數(shù)用一類積分統(tǒng)一起來了。然而,我們并不想止步于此。 ------------------- 我們現(xiàn)在嘗試改變分母的指數(shù)。鑒于分母不是單項式,我們從簡單的開始,不妨先把分母的指數(shù)定為2,得到這個積分:
計算一下,這個積分是發(fā)散的(實際上,這類積分只要分子的指數(shù)比分母小,積分就發(fā)散。證明不妨作為練習(xí))。于是,我們升高分母的指數(shù),得到:
這個積分是收斂的,但我們很快發(fā)現(xiàn)這個積分并不好處理,因為我們還不知道怎樣直接把它展開為無窮級數(shù)。這時候,我們就要請出另一個特殊函數(shù):
多重對數(shù)函數(shù)
。
上面為多重對數(shù)函數(shù)的級數(shù)定義,下面則是它的積分遞推式。由這不難得出多重對數(shù)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)遞推式:
并且我們有
我用Wolfram Alpha計算了a取不同值時的函數(shù)值,如下:
可以看到,分母出現(xiàn)了我們想要的形式,不難用數(shù)學(xué)歸納法證明,當(dāng)多重對數(shù)函數(shù)的腳標(biāo)為負整數(shù)-s時,分母即為(1-括號里的數(shù))的(s+1)次方,但分子讓我們眼前一黑…… 不過好在分子再怎么復(fù)雜也只是一個常數(shù)罷了,這并不重要。我們已經(jīng)知道,當(dāng)多重對數(shù)函數(shù)的腳標(biāo)為負整數(shù)-a時,分母即為(1-括號里的數(shù))的(a+1)次方,分子是個多項式,不妨假設(shè):
其中As(z)是關(guān)于z的多項式。那么,根據(jù)多重對數(shù)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)遞推公式,對這個式子求導(dǎo)再乘個z,我們能夠得到As(z)的遞推關(guān)系:
這玩意,反正我不會解As(z)... OK,現(xiàn)在相當(dāng)于解決了分母帶次數(shù)的式子的級數(shù)展開了:
下面,我們就來求解一般的積分:
(P.S.鑒于up主稀爛的計算水平,煩請各位看官自己試著推導(dǎo)過程。如果發(fā)現(xiàn)您的計算結(jié)果和我的不一樣,我想大概率是我算錯了,亦或者是我的思路錯誤,歡迎在評論區(qū)指正。) --------The End--------