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馬德隆常數


從立方、六方等晶格求和獲得的量,在s=1時求值,被稱為馬德隆常數。

對於立方晶格求和

 b_n(2s)=sum^'_(k_1,...,k_n=-infty)^infty((-1)^(k_1+...+k_n))/((k_1^2+...+k_n^2)^s),
(1)

對於偶數指數n,可以閉合形式表達的馬德隆常數,以下表格中總結了一些示例,其中beta(n)狄利克雷beta函式eta(n)狄利克雷eta函式

nb_n(2)OEIS常數
2-4beta(1)eta(1)=-piln2A0860542.177586...
4-8eta(1)eta(0)=-4ln2A0166392.772588...

為了獲得b_2(s)的閉合形式,將雙重求和分解為不包括i=j=0的部分,

b_2(2s)=sum_(i=-1)^(infty)sum_(j=-infty)^(-1)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=0)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=0)sum_(j=-infty)^(-1)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=1)^(infty)sum_(j=-infty)^(-1)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=0)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)
(2)
=sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(-(i+j)))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=1)^(infty)((-1)^(-i))/(i^(2s))+sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(-i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=1)^(infty)((-1)^(-j))/(j^(2s))+sum_(j=1)^(infty)((-1)^j)/(j^(2s))
(3)
=sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i-j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=1)^(infty)((-1)^i)/(i^(2s))+sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s),
(4)

其中負和已被重新索引以在正量上執行。但是(-1)^i=(-1)^(-i),因此以上所有項都可以組合成

 b_2(2s)=4[sum_(i,j=1)^infty((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=1)^infty((-1)^i)/(i^(2s))].
(5)

這些和的第二個可以解析地完成,如下所示

 sum_(i=1)^infty((-1)^i)/(i^(2s))=-4^s(4^s-2)zeta(2s),
(6)

s=1的情況下,簡化為

 sum_(i=1)^infty((-1)^i)/(i^2)=-1/(12)pi^2.
(7)

第一個和更困難,但在s=1的情況下,可以寫成

 sum_(i,j=1)^infty((-1)^(i+j))/(i^2+j^2)=1/(12)pi(pi-3ln2).
(8)

將這些結合起來,然後得到原始和為

 b_2(2)=-piln2.
(9)

b_3(1)本森公式給出 (Borwein and Bailey 2003, p. 24)

b_3(1)=-sum^'_(i,j,k=-infty)^infty((-1)^(i+j+k+1))/(sqrt(i^2+j^2+k^2))
(10)
=-12pisum_(m,n=1,3,...)^(infty)sech^2(1/2pisqrt(m^2+n^2))
(11)
=-1.74756...
(12)

(OEIS A085469),其中素數符號表示排除了對 (0, 0, 0) 的求和。

b_3(1)=M有時被稱為“the”馬德隆常數,對應於三維 NaCl 晶體的馬德隆常數。Crandall (1999) 給出了表示式

 M=-2pi+(Gamma(1/8)Gamma(3/8)sqrt(2))/(pi^(3/2)) 
 +2sum^'_(m, n, p=-infty)^infty((-1)^(m+n+p))/(sqrt(m^2+n^2+p^2)[exp(4pisqrt(m^2+n^2+p^2))+1]).
(13)

Tyagi (2004) 發現了類似的結果,

M=-1/2-(ln2)/pi-pi/3-2sum^'_(m,n,p=-infty)^infty((-1)^(m+n+p))/(sqrt(m^2+n^2+p^2)[exp(2pisqrt(m^2+n^2+p^2))-1])
(14)
M=sqrt(2)-pi+2sum^'_(m,n,p=-infty)^infty((-1)^(m+n+p))/(sqrt(m^2+n^2+p^2)[exp(2pisqrt(m^2+n^2+p^2))+1])
(15)
M=-1/4-(ln2)/(2pi)-(2pi)/3+1/(sqrt(2))-2sum^'_(m,n,p=-infty)^infty((-1)^(m+n+p))/(sqrt(m^2+n^2+p^2)[exp(4pisqrt(m^2+n^2+p^2))-1])
(16)

其中最後一個收斂迅速。平均 (16) 和 (13) 然後給出美麗的等式

 M=-1/8-(ln2)/(4pi)-(4pi)/3+1/(2sqrt(2))+(Gamma(1/8)Gamma(3/8))/(pi^(3/2)sqrt(2)) 
 -2sum^'_(m,n,p=-infty)^infty((-1)^(m+n+p))/(sqrt(m^2+n^2+p^2)[exp(8pisqrt(m^2+n^2+p^2))-1]),
(17)

即使完全省略求和,該等式也精確到 10 位小數 (Tyagi 2004)。

但是,對於b_3(1),沒有已知的閉合形式 (Bailey et al. 2006)。

對於六方晶格求和h_2(2)可以閉合形式表達為

h_2(2)=piln3sqrt(3)
(18)
=5.9779868...
(19)

(OEIS A086055)。


另請參閱

本森公式, 調和級數, 晶格求和

使用 探索

參考文獻

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Crandall, R. E.; and Zucker, I. J. "Lattice Sums Arising from the Poisson Equation." J. Phys. A 46, 115201, 31 pp., 2013.Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Kapoor, V.; and Weisstein, E. W. "Ten Problems in Experimental Mathematics." Amer. Math. Monthly 113, 481-509, 2006.Borwein, J. and Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Borwein, J. M. and Borwein, P. B. Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, 1987.Buhler, J. and Wagon, S. "Secrets of the Madelung Constant." Mathematica in Education and Research 5, 49-55, Spring 1996.Crandall, R. E. "New Representations for the Madelung Constant." Exp. Math. 8, 367-379, 1999.Crandall, R. E. and Buhler, J. P. "Elementary Function Expansions for Madelung Constants." J. Phys. Ser. A: Math. and Gen. 20, 5497-5510, 1987.Finch, S. R. Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, 2003.Havil, J. "Madelung's Constant." §3.4 in Gamma: Exploring Euler's Constant. Princeton, NJ: Princeton University Press, pp. 33-35, 2003.Sloane, N. J. A. Sequences A016639, A085469, A086054, and A086055 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Tyagi, S. "New Series Representation for Madelung Constant." Oct. 17, 2004. http://arxiv.org/abs/cond-mat/0410424.

在 上被引用

馬德隆常數

請引用為

Weisstein, Eric W. "馬德隆常數。" 來自 --一個 資源。 https://mathworld.tw/MadelungConstants.html

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