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多對數函式


Polylogarithm

多對數函式 Li_n(z),也稱為 Jonquière 函式,是函式

 Li_n(z)=sum_(k=1)^infty(z^k)/(k^n)
(1)

複平面 上,在開 單位圓盤 內定義。然後,它在整個 複平面 上的定義透過 解析延拓 唯一地得出。

請注意,類似的 符號 Li(z) 用於 對數積分

多對數函式也表示為 F(z,n),等於

 Li_n(z)=zPhi(z,n,1),
(2)

其中 Phi(z,n,a)Lerch 超越函式 (Erdélyi et al. 1981, p. 30)。多對數函數出現在費曼圖積分中(特別是在計算量子電動力學對電子旋磁比的修正時),特殊情況 n=2n=3 分別稱為 二重對數函式三重對數函式。多對數函式在 Wolfram 語言 中實現為PolyLog[n, z].

多對數函式也出現在 費米-狄拉克分佈 積分的閉合形式中

 int_0^infty(k^sdk)/(e^(k-mu)+1)=-Gamma(s+1)Li_(1+s)(-e^mu),
(3)

其中 Gamma(z)伽瑪函式,以及 玻色-愛因斯坦分佈

 int_0^infty(k^sdk)/(e^(k-mu)-1)=Gamma(s+1)Li_(1+s)(e^mu).
(4)

特殊情況 z=1 簡化為

 Li_s(1)=zeta(s),
(5)

其中 zeta(s)黎曼 zeta 函式。但是請注意,對於固定的複數 Li_s(z)s 的含義並非完全明確,因為它取決於在四維 s 空間中如何逼近 (s,z)

負整數階的多對數函數出現在 形式為 的和中

sum_(k=1)^(infty)k^nr^k=Li_(-n)(r)
(6)
=1/((1-r)^(n+1))sum_(i=0)^(n)<n; i>r^(n-i),
(7)

其中 <n; i>尤拉數。多對數函式也出現在廣義 調和數 H_(n,r) 的和中,如

 sum_(n=1)^inftyH_(n,r)z^n=(Li_r(z))/(1-z)
(8)

對於 |z|<1

低階多對數函式的特殊形式包括

Li_(-2)(x)=(x(x+1))/((1-x)^3)
(9)
Li_(-1)(x)=x/((1-x)^2)
(10)
Li_0(x)=x/(1-x)
(11)
Li_1(x)=-ln(1-x).
(12)

在自變數 -1 和 1 處,一般多對數函式變為

Li_n(-1)=-eta(n)
(13)
Li_n(1)=zeta(n),
(14)

其中 eta(x)狄利克雷 eta 函式zeta(x)黎曼 zeta 函式。自變數為 1/2 的多對數函式也可以針對小 n 進行解析求值,

Li_1(1/2)=ln2
(15)
Li_2(1/2)=1/(12)[pi^2-6(ln2)^2]
(16)
Li_3(1/2)=1/(24)[4(ln2)^3-2pi^2ln2+21zeta(3)].
(17)

對於更高的階數,尚不清楚是否存在類似的公式(Lewin 1991, p. 2)。Li_4(1/2) 出現在電子旋磁比的三階修正項中。

多對數函式的導數本身也是一個多對數函式,

 d/(dx)Li_n(x)=1/xLi_(n-1)(x).
(18)

Bailey et al. 表明

 (Li_m(1/(64)))/(6^(m-1))-(Li_m(1/8))/(3^(m-1))-(2Li_m(1/4))/(2^(m-1))+(4Li_m(1/2))/9-(5(-ln2)^m)/(9m!) 
 +(pi^2(-ln2)^(m-2))/(54(m-2)!)-(pi^4(-ln2)^(m-4))/(486(m-4)!)-(403zeta(5)(-ln2)^(m-5))/(1296(m-5)!)=0.
(19)

對於多對數函式存在許多非凡的恆等式,包括由 Li_(17)(alpha_1^(-17)) 滿足的驚人恆等式,其中 alpha_1=(x^(10)+x^9-x^8-x^6-x^5-x^4-x^3+x+1)_2 approx 1.17628 (OEIS A073011) 是最小的 塞勒姆常數,即 Lehmer 的 Mahler 測度問題 中多項式的最大正根 (Cohen et al. 1992; Bailey and Broadhurst 1999; Borwein and Bailey 2003, pp. 8-9)。

對於函式的多對數積分,尚不清楚是否存在通用的 演算法


另請參閱

二重對數函式, 尤拉數, 勒讓德 Chi 函式, 對數積分, 多維多對數函式, 尼爾森廣義多對數函式, 尼爾森-拉馬努金常數, 三重對數函式

相關 Wolfram 站點

http://functions.wolfram.com/ZetaFunctionsandPolylogarithms/PolyLog/

使用 探索

參考文獻

Bailey, D. H.; Borwein, P. B.; 和 Plouffe, S. "關於各種多對數常數的快速計算。" Math. Comput. 66, 903-913, 1997.Bailey, D. H. 和 Broadhurst, D. J. "十七階多對數梯。" 20 Jun 1999. http://arxiv.org/abs/math.CA/9906134.Borwein, J. 和 Bailey, D. 實驗數學:21 世紀的合理推理。 Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Borwein, J. M.; Bradley, D. M.; Broadhurst, D. J.; 和 Lisonek, P. "多維多對數函式的特殊值。" Trans. Amer. Math. Soc. 353, 907-941, 2001.Berndt, B. C. 拉馬努金的筆記本,第四部分。 New York: Springer-Verlag, pp. 323-326, 1994.Cohen, H.; Lewin, L.; 和 Zagier, D. "十六階多對數梯。" Exper. Math. 1, 25-34, 1992. http://www.expmath.org/expmath/volumes/1/1.html.Erdélyi, A.; Magnus, W.; Oberhettinger, F.; 和 Tricomi, F. G. 高等超越函式,第 1 卷。 New York: Krieger, pp. 30-31, 1981.Jonquière, A. "關於一類透過多次積分有理函式產生的超越函式。" Öfversigt af Kongl. Vetenskaps-Akademiens Förhandlingar 45, 522-531, 1888.Jonquière, A. "關於級數 sum_(n=1)^(n=infty)(x^n)/(n^s) 的註釋。" Öfversigt af Kongl. Vetenskaps-Akademiens Förhandlingar 46, 257-268, 1888.Jonquière, A. "關於有理函式的重複積分中出現的一些超越函式。" Bihang till Kongl. Svenska Vetenskaps-Akademiens Handlingar 15, 1-50, 1889.Jonquière, A. "關於級數 sum_(n=1)^(n=infty)(x^n)/(n^s) 的註釋。" Bull. Soc. Math. France 17, 142-152, 1889.Lewin, L. 二重對數函式和相關函式。 London: Macdonald, 1958.Lewin, L. 多對數函式和相關函式。 New York: North-Holland, 1981.Lewin, L. (Ed.). 多對數函式的結構性質。 Providence, RI: Amer. Math. Soc., 1991.Nielsen, N. 尤拉二重對數函式。 Leipzig, Germany: Halle, 1909.Prudnikov, A. P.; Marichev, O. I.; 和 Brychkov, Yu. A. "廣義 Zeta 函式 zeta(s,x), 伯努利多項式 B_n(x), 尤拉多項式 E_n(x), 和多對數函式 Li_nu(x)." §1.2 in 積分與級數,第 3 卷:更多特殊函式。 Newark, NJ: Gordon and Breach, pp. 23-24, 1990.Sloane, N. J. A. 序列 A073011 in "整數序列線上百科全書"。Truesdell, C. "關於聚合物結構理論中出現的函式。" Ann. Math. 46, 114-157, 1945.Zagier, D. "多對數函式的特殊值和泛函方程。" 附錄 A in 多對數函式的結構性質 (Ed. L. Lewin). Providence, RI: Amer. Math. Soc., 1991.

在 中引用

多對數函式

請引用為

Weisstein, Eric W. "多對數函式。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Polylogarithm.html

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