グレゴリー係数 G n は 、逆対数 、 第二種ベルヌーイ数 、 第一種コーシー数 とも呼ばれ 、 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [ 9] [10] [11] [12] [13] 逆対数の マクローリン 級数展開で現れる有理数である。
z ln ( 1 + z ) = 1 + 1 2 z − 1 12 z 2 + 1 24 z 3 − 19 720 z 4 + 3 160 z 5 − 863 60480 z 6 + ⋯ = 1 + ∑ n = 1 ∞ G n z n , | z | < 1 . {\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {z}{\ln(1+z)}}&=1+{\frac {1}{2}}z-{\frac {1}{12}}z^{2}+{\frac {1}{24}}z^{3}-{\frac {19}{720}}z^{4}+{\frac {3}{160}}z^{5}-{\frac {863}{60480}}z^{6}+\cdots \\&=1+\sum _{n=1}^{\infty }G_{n}z^{n}\,,\qquad |z|<1\,.\end{aligned}}} グレゴリー係数は、 n > 0 において G n = (−1) n −1 | G n | の交代数であり、絶対値が減少する。これらの数は、 1670年に 数値積分の 文脈で導入された ジェームズ・グレゴリー にちなんで名付けられた。その後、多くの数学者によって再発見され、現代の著作にもしばしば登場するが、必ずしも認識されているわけではない。 [1] [5] [14] [15] [16] [17]
数値 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ... OEIS シーケンス G n + 1 / 2 − 1 / 12 + 1 / 24 − 19 / 720 + 3 / 160 − 863 / 60480 + 275 / 24192 − 33953 / 3628800 + 8183 / 1036800 − 3250433 / 479001600 + 4671 / 788480 ... OEIS : A002206 (分子) OEIS : A002207 (分母)
計算と表現 グレゴリー係数を計算する最も簡単な方法は、漸化式を使うことである。
| G n | = − ∑ k = 1 n − 1 | G k | n + 1 − k + 1 n + 1 {\displaystyle |G_{n}|=-\sum _{k=1}^{n-1}{\frac {|G_{k}|}{n+1-k}}+{\frac {1}{n+1}}} G 1 = 1 / 2 . [14] [18] グレゴリー係数は次の微分法によって明示的に計算することもできる。
n ! G n = [ d n d z n z ln ( 1 + z ) ] z = 0 , {\displaystyle n!G_{n}=\left[{\frac {{\textrm {d}}^{n}}{{\textrm {d}}z^{n}}}{\frac {z}{\ln(1+z)}}\right]_{z=0},} または積分
G n = 1 n ! ∫ 0 1 x ( x − 1 ) ( x − 2 ) ⋯ ( x − n + 1 ) d x = ∫ 0 1 ( x n ) d x , {\displaystyle G_{n}={\frac {1}{n!}}\int _{0}^{1}x(x-1)(x-2)\cdots (x-n+1)\,dx=\int _{0}^{1}{\binom {x}{n}}\,dx,} これは、 について 0 と 1 の間を 積分することで証明できます 。1 回目は直接積分し、2 回目は最初に 二項級数 展開を使用して積分します。 ( 1 + z ) x {\displaystyle (1+z)^{x}} x {\displaystyle x}
これは有限和公式を意味する。
n ! G n = ∑ ℓ = 0 n s ( n , ℓ ) ℓ + 1 , {\displaystyle n!G_{n}=\sum _{\ell =0}^{n}{\frac {s(n,\ell )}{\ell +1}},} ここで s ( n , ℓ )は 第1種 符号付きスターリング数である 。
シュ レーダーの 積分公式 [19] [20]
G n = ( − 1 ) n − 1 ∫ 0 ∞ d x ( 1 + x ) n ( ln 2 x + π 2 ) , {\displaystyle G_{n}=(-1)^{n-1}\int _{0}^{\infty }{\frac {dx}{(1+x)^{n}(\ln ^{2}x+\pi ^{2})}},}
境界と漸近的挙動 グレゴリー係数は境界を満たす
1 6 n ( n − 1 ) < | G n | < 1 6 n , n > 2 , {\displaystyle {\frac {1}{6n(n-1)}}<{\big |}G_{n}{\big |}<{\frac {1}{6n}},\qquad n>2,} ヨハン・ステフェンセン によって与えられた 。 [15] これらの境界は後に様々な著者によって改良された。最もよく知られている境界はブラグーシンによって与えられた。 [17] 特に、
1 n ln 2 n − 2 n ln 3 n ⩽ | G n | ⩽ 1 n ln 2 n − 2 γ n ln 3 n , n ⩾ 5 . {\displaystyle {\frac {\,1\,}{\,n\ln ^{2}\!n\,}}\,-\,{\frac {\,2\,}{\,n\ln ^{3}\!n\,}}\leqslant \,{\big |}G_{n}{\big |}\,\leqslant \,{\frac {\,1\,}{\,n\ln ^{2}\!n\,}}-{\frac {\,2\gamma \,}{\,n\ln ^{3}\!n\,}}\,,\qquad \quad n\geqslant 5\,.} 漸近的に、指数 n が大きい場合、これらの数は次のように振舞う [2] [17] [19]
| G n | ∼ 1 n ln 2 n , n → ∞ . {\displaystyle {\big |}G_{n}{\big |}\sim {\frac {1}{n\ln ^{2}n}},\qquad n\to \infty .} G n のより大きな n でのより正確な説明は、 Van Veen [18] 、Davis [3] 、Coffey [21] 、 Nemes [6] 、Blagouchine [17] の研究で見つけることができます。
グレゴリー係数を持つ級数 グレゴリー係数を含む級数は、多くの場合、閉じた形で計算されます。これらの数値を含む基本的な級数には以下が含まれます。
∑ n = 1 ∞ | G n | = 1 ∑ n = 1 ∞ G n = 1 ln 2 − 1 ∑ n = 1 ∞ | G n | n = γ , {\displaystyle {\begin{aligned}&\sum _{n=1}^{\infty }{\big |}G_{n}{\big |}=1\\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }G_{n}={\frac {1}{\ln 2}}-1\\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n}}=\gamma ,\end{aligned}}} ここで γ = 0.5772156649...は オイラー定数 である 。これらの結果は非常に古く、その歴史は グレゴリオ・フォンタナ と ロレンツォ・マスケローニ の研究に遡ることができる。 [17] [22] グレゴリー係数を用いたより複雑な級数は、様々な著者によって計算された。コワレンコ [8] 、アラブドゥルモシン [10] [11] 、および他の著者は、
∑ n = 2 ∞ | G n | n − 1 = − 1 2 + ln 2 π 2 − γ 2 ∑ n = 1 ∞ | G n | n + 1 = 1 − ln 2. {\displaystyle {\begin{array}{l}\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n-1}}=-{\frac {1}{2}}+{\frac {\ln 2\pi }{2}}-{\frac {\gamma }{2}}\\[6mm]\displaystyle \displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\!{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n+1}}=1-\ln 2.\end{array}}} アラブドゥルモシン [10] [11] もこれらの恒等式を次のように与えている。
∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n ( | G 3 n + 1 | + | G 3 n + 2 | ) = 3 π ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n ( | G 3 n + 2 | + | G 3 n + 3 | ) = 2 3 π − 1 ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n ( | G 3 n + 3 | + | G 3 n + 4 | ) = 1 2 − 3 π . {\displaystyle {\begin{aligned}&\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}({\big |}G_{3n+1}{\big |}+{\big |}G_{3n+2}{\big |})={\frac {\sqrt {3}}{\pi }}\\[2mm]&\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}({\big |}G_{3n+2}{\big |}+{\big |}G_{3n+3}{\big |})={\frac {2{\sqrt {3}}}{\pi }}-1\\[2mm]&\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}({\big |}G_{3n+3}{\big |}+{\big |}G_{3n+4}{\big |})={\frac {1}{2}}-{\frac {\sqrt {3}}{\pi }}.\end{aligned}}} カンデルパーガー、コッポ [23] [24] 、ヤング [7] は、
∑ n = 1 ∞ | G n | ⋅ H n n = π 2 6 − 1 , {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}\cdot H_{n}}{n}}={\frac {\pi ^{2}}{6}}-1,} ここで H n は調和数 である 。Blagouchine [17] [25] [26] [27] は以下の恒等式を与えている。
∑ n = 1 ∞ G n n = li ( 2 ) − γ ∑ n = 3 ∞ | G n | n − 2 = − 1 8 + ln 2 π 12 − ζ ′ ( 2 ) 2 π 2 ∑ n = 4 ∞ | G n | n − 3 = − 1 16 + ln 2 π 24 − ζ ′ ( 2 ) 4 π 2 + ζ ( 3 ) 8 π 2 ∑ n = 1 ∞ | G n | n + 2 = 1 2 − 2 ln 2 + ln 3 ∑ n = 1 ∞ | G n | n + 3 = 1 3 − 5 ln 2 + 3 ln 3 ∑ n = 1 ∞ | G n | n + k = 1 k + ∑ m = 1 k ( − 1 ) m ( k m ) ln ( m + 1 ) , k = 1 , 2 , 3 , … ∑ n = 1 ∞ | G n | n 2 = ∫ 0 1 − li ( 1 − x ) + γ + ln x x d x ∑ n = 1 ∞ G n n 2 = ∫ 0 1 li ( 1 + x ) − γ − ln x x d x , {\displaystyle {\begin{aligned}&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {G_{n}}{n}}=\operatorname {li} (2)-\gamma \\[2mm]&\sum _{n=3}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n-2}}=-{\frac {1}{8}}+{\frac {\ln 2\pi }{12}}-{\frac {\zeta '(2)}{\,2\pi ^{2}}}\\[2mm]&\sum _{n=4}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n-3}}=-{\frac {1}{16}}+{\frac {\ln 2\pi }{24}}-{\frac {\zeta '(2)}{4\pi ^{2}}}+{\frac {\zeta (3)}{8\pi ^{2}}}\\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n+2}}={\frac {1}{2}}-2\ln 2+\ln 3\\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n+3}}={\frac {1}{3}}-5\ln 2+3\ln 3\\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n+k}}={\frac {1}{k}}+\sum _{m=1}^{k}(-1)^{m}{\binom {k}{m}}\ln(m+1)\,,\qquad k=1,2,3,\ldots \\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\big |}G_{n}{\big |}}{n^{2}}}=\int _{0}^{1}{\frac {-\operatorname {li} (1-x)+\gamma +\ln x}{x}}\,dx\\[2mm]&\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {G_{n}}{n^{2}}}=\int _{0}^{1}{\frac {\operatorname {li} (1+x)-\gamma -\ln x}{x}}\,dx,\end{aligned}}} ここで、 li( z ) は 積分対数 、は 二項係数 である 。また、 ゼータ関数 、 ガンマ関数 、 ポリガンマ関数 、 スティルチェス定数 、その他多くの 特殊関数 や定数は、これらの数を含む無限級数で表されることが知られている。 [1] [17] [18] [28] [29] ( k m ) {\displaystyle {\tbinom {k}{m}}}
一般化 グレゴリー係数には様々な一般化が可能である。その多くは、親となる生成方程式を修正することで得られる。例えば、Van Veen [18] は、
( ln ( 1 + z ) z ) s = s ∑ n = 0 ∞ z n n ! K n ( s ) , | z | < 1 , {\displaystyle \left({\frac {\ln(1+z)}{z}}\right)^{s}=s\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{n!}}K_{n}^{(s)}\,,\qquad |z|<1\,,} そしてそれゆえ
n ! G n = − K n ( − 1 ) {\displaystyle n!G_{n}=-K_{n}^{(-1)}} 同等の一般化は後にコワレンコ [9]とルビンシュタイン [30] によって提案された。 同様に、グレゴリー係数は一般化 ベルヌーイ数と関連している。
( t e t − 1 ) s = ∑ k = 0 ∞ t k k ! B k ( s ) , | t | < 2 π , {\displaystyle \left({\frac {t}{e^{t}-1}}\right)^{s}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {t^{k}}{k!}}B_{k}^{(s)},\qquad |t|<2\pi \,,} [18] [28] を参照 。
n ! G n = − B n ( n − 1 ) n − 1 {\displaystyle n!G_{n}=-{\frac {B_{n}^{(n-1)}}{n-1}}} ジョーダン [1] [16] [31]は 、 多項式 ψn ( s ) を次のように
定義する。
z ( 1 + z ) s ln ( 1 + z ) = ∑ n = 0 ∞ z n ψ n ( s ) , | z | < 1 , {\displaystyle {\frac {z(1+z)^{s}}{\ln(1+z)}}=\sum _{n=0}^{\infty }z^{n}\psi _{n}(s)\,,\qquad |z|<1\,,} これらを第二種ベルヌーイ多項式 と呼ぶ 。以上から、 G n = ψ n (0) であることは明らかである。Carlitz [16] は、ジョルダンの多項式 ψ n ( s ) を、多項式 βを導入して一般化した。
( z ln ( 1 + z ) ) s ⋅ ( 1 + z ) x = ∑ n = 0 ∞ z n n ! β n ( s ) ( x ) , | z | < 1 , {\displaystyle \left({\frac {z}{\ln(1+z)}}\right)^{s}\!\!\cdot (1+z)^{x}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{n!}}\,\beta _{n}^{(s)}(x)\,,\qquad |z|<1\,,} そしてそれゆえ
n ! G n = β n ( 1 ) ( 0 ) {\displaystyle n!G_{n}=\beta _{n}^{(1)}(0)} ブラグーシン [17] [32]は、 G n ( k ) という 数を導入し、
n ! G n ( k ) = ∑ ℓ = 1 n s ( n , ℓ ) ℓ + k , {\displaystyle n!G_{n}(k)=\sum _{\ell =1}^{n}{\frac {s(n,\ell )}{\ell +k}},} それらの生成関数 を求め、 n が大きい場合の漸近挙動を調べた 。明らかに G n = G n (1) である。これらの数は厳密に交代数であり、 G n ( k ) = (-1) n -1 | G n ( k )|であり、 ゼータ関数 、 オイラー定数 、 ポリガンマ関数 の様々な展開に関係している 。同様の異なる一般化は小松 [31]によっても提案されている。
c n ( k ) = ∑ ℓ = 0 n s ( n , ℓ ) ( ℓ + 1 ) k , {\displaystyle c_{n}^{(k)}=\sum _{\ell =0}^{n}{\frac {s(n,\ell )}{(\ell +1)^{k}}},} G n = c n (1) / n となる 。 数 c n ( k ) は著者によって 多コーシー数 と呼ばれる。 [31] コフィー [21] は多項式を定義する。
P n + 1 ( y ) = 1 n ! ∫ 0 y x ( 1 − x ) ( 2 − x ) ⋯ ( n − 1 − x ) d x {\displaystyle P_{n+1}(y)={\frac {1}{n!}}\int _{0}^{y}x(1-x)(2-x)\cdots (n-1-x)\,dx} したがって | G n | = P n +1 (1) となる。
参照
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