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특수함수 Special Functions |
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| [math(^\ast)] 특수함수가 아니라 특정 조건을 만족시키는 다항함수이지만, 편의상 이곳에 기술했다. | ||
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| 복소평면에 나타낸 [math(a=1/3)]일 때 후르비츠 제타 함수의 그래프 |
1. 개요
Hurwitz zeta function후르비츠 제타 함수는 제타 함수의 일반화 중 하나로, 1882년 독일의 수학자 아돌프 후르비츠(Adolf Hurwitz)가 제안하였다. 이 함수는 [math(\operatorname{Re}(s)>1)]인 [math(s\in\mathbb C)]와 [math(a\notin\Z^{0-})]인 [math(a\in\mathbb C)]에 대해 다음과 같이 정의된다.
[math(\displaystyle
\zeta(s,a) = \sum_{n=0}^\infty \frac1{(n+a)^s}
)]
이 함수는 절대수렴하며, [math(s=1)]를 제외한 부분에서 유리형 함수로 해석적 확장을 할 수 있다.
2. 성질
[math({\rm Re}(s)> 1)]이고 [math({\rm Re}(a)> 0)]일 때 다음이 성립한다.[math(\displaystyle
\zeta(s,a) = \frac1{\Gamma(s)} \int_0^\infty \frac{x^{s-1}e^{-ax}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}x
)]
유도 방법은 다음과 같다.
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[math(\displaystyle \begin{aligned}
\zeta(s,a) \,\Gamma(s) &= \sum_{n=0}^\infty \frac1{(n+a)^s} \int_0^\infty x^s e^{-x} \frac{{\rm d}x}x = \sum_{n=0}^\infty \int_0^\infty y^s e^{-(n+a)y} \frac{{\rm d}y}y \\ &= \int_0^\infty \sum_{n=0}^\infty y^s e^{-(n+a)y} \frac{{\rm d}y}y = \int_0^\infty \frac{x^{s-1}e^{-ax}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}x \\ \therefore \zeta(s,a) &= \frac1{\Gamma(s)} \int_0^\infty \frac{x^{s-1}e^{-ax}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}x \end{aligned} )] |
위의 적분식에 복소선적분을 사용하면 다음과 같이 해석적으로 확장할 수 있다.
[math(\displaystyle
\zeta(s,a) = -\Gamma(1-s) \frac1{2\pi i} \int_C \frac{(-z)^{s-1}e^{-az}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}z
)]
여기서 적분 경로 [math(C)]는 한켈 경로[1]이다. 또한 [math(s=1)]에서 단순극을 가지고 그 유수는 1이다.
리만 제타함수와 마찬가지로 후르비츠 제타함수에도 함수 방정식이 있다.
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[math(\displaystyle \begin{aligned}
\zeta(1-s,a) = \frac{\Gamma(s)}{(2\pi)^s} \Biggl( e^{-\pi is/2} \sum_{n=1}^\infty \frac{e^{2\pi ina}}{n^s} +e^{\pi is/2} \sum_{n=1}^\infty \frac{e^{-2\pi ina}}{n^s} \Biggr) \end{aligned} )] |
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[math(\displaystyle \begin{aligned}
\zeta \biggl( 1-s, \frac mn \biggr) = \frac{2\Gamma(s)}{(2\pi n)^s} \sum_{k=1}^n \biggl[ \cos \biggl( \frac{\pi s}2 -\frac{2\pi km}n \biggr) \zeta \biggl( s, \frac kn \biggr) \biggr] \end{aligned} )] |
또한, 후르비츠 제타함수는 다음 급수로 표현될 수 있다.
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[math(\displaystyle \begin{aligned}
\zeta(s,a) = \frac1{s-1} \sum_{n=0}^\infty \frac1{n+1} \sum_{k=0}^n (-1)^k \binom nk (a+k)^{1-s} \end{aligned} )] |
[math(\displaystyle \begin{cases} \begin{aligned}
\frac{\partial}{\partial a} \zeta(s,a) &= -s \,\zeta(s+1,a) \\
\biggl. \frac{\partial}{\partial s} \zeta(s,a) \biggr|_{s=0} &= \log \Gamma(a) -\frac12 \log{2\pi}
\end{aligned} \end{cases} )]
또한, 폴리감마 함수와 관련하여 다음을 만족시킨다.
[math(\displaystyle
\psi^{(m)}(z) = (-1)^{m+1} m! \cdot \zeta(m+1,z)
)]
3. 특수한 값
[math(n = 0)], [math(-1)], [math(-2)], [math(\cdots)]일 때 다음이 성립한다.[math(\displaystyle
\zeta(-n,a) = -\frac{B_{n+1}(a)}{n+1}
)]
여기서 [math(B_{n}(x))]는 베르누이 다항식이다.
[1]
복소평면에서 [math(+\infty)]에서 양의 실수축을 따라 원점에서 반시계 방향으로 돌아 다시 [math(+\infty)]까지 양의 실수축을 따라가는 경로