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二重级数


二重和是一个级数,其项取决于两个索引,

 sum_(i,j)b_(ij).
(1)

有限二重级数可以写成级数的乘积

sum_(i=1)^(m)sum_(j=1)^(n)x_iy_j=x_1y_1+x_1y_2+...+x_2y_1+x_2y_2+...
(2)
=(x_1+x_2+...+x_m)y_1+(x_1+x_2+...+x_m)y_2+...
(3)
=(sum_(i=1)^(m)x_i)(y_1+y_2+...+y_n)
(4)
=(sum_(i=1)^(m)x_i)(sum_(j=1)^(n)y_j).
(5)

无限二重级数可以用单级数表示

 sum_(k=0)^inftysum_(l=0)^inftyc_(kl)=sum_(i=0)^inftyb_i
(6)

通过如下重新排序,

b_0=c_(00)
(7)
b_1=(c_(10)+c_(11))+c_(01)
(8)
b_2=(c_(20)+c_(21)+c_(22))+(c_(02)+c_(12))
(9)
b_3=(c_(30)+c_(31)+c_(32)+c_(33))+(c_(03)+c_(13)+c_(23)).
(10)

存在许多简单的二重级数无法解析计算的例子,例如 Erdős-Borwein 常数

sum_(i=1)^(infty)sum_(j=1)^(infty)1/(2^(ij))=sum_(k=1)^(infty)1/(2^k-1)
(11)
=1-(psi_(1/2)(1))/(ln2)
(12)
=1.60669515...
(13)

(OEIS A065442),其中 psi_q(z) 是一个 q-多伽玛函数

另一个级数是

sum_(m=1)^(infty)sum_(n=1)^(infty)1/(m^2(m^2+mn+n^2))=1/3sqrt(3)isum_(m=1)^(infty)(H_(-mzeta_2)-H_(mzeta_1))/(m^3)
(14)
=1.004457198...
(15)

(OEIS A091349),其中 H_n 是一个 调和数,而 zeta_k=e^(2piik/3) 是单位根的立方根。

一个可以解析完成的二重级数由下式给出

 zeta(2)=sum_(i=1)^inftysum_(j=1)^infty((i-1)!(j-1)!)/((i+j)!),
(16)

其中 zeta(2)Riemann zeta 函数 zeta(2) (B. Cloitre, 私人通信,12 月 9 日,2004 年)。

二重级数

 S=sum_(m=1)^inftysum_(n=1)^infty(m^2n)/(3^m(n·3^m+m·3^n))
(17)

可以通过交换 mn 并取平均值来计算,

S=1/2[sum_(m=1)^(infty)sum_(n=1)^(infty)(m^2n)/(3^m(n·3^m+m·3^n))+sum_(m=1)^(infty)sum_(n=1)^(infty)(n^2m)/(3^n(n·3^m+m·3^n))]
(18)
=1/2sum_(m=1)^(infty)sum_(n=1)^(infty)(mn)/(3^(m+n))
(19)
=1/2(sum_(m=1)^(infty)m/(3^m))^2
(20)
=9/(32)
(21)

(Borwein et al. 2004, p. 54)。

涉及二重和的恒等式包括以下内容

 sum_(p=0)^inftysum_(q=0)^pa_(q,p-q)=sum_(m=0)^inftysum_(n=0)^inftya_(n,m)=sum_(r=0)^inftysum_(s=0)^(|_r/2_|)a_(s,r-2s),
(22)

其中

 |_r/2_|={1/2r   r even; 1/2(r-1)   r odd
(23)

向下取整函数,以及

 sum_(i=1)^nsum_(j=1)^nx_ix_j=n^2<x^2>.
(24)

考虑级数

 S(a,b,c;s)=sum^'_(m,n=-infty)^infty(am^2+bmn+cn^2)^(-s)
(25)

在二元二次型上,其中素数表示对所有 mn 的对求和,但不包括项 (m,n)=(0,0)。如果 S 可以分解为 Dirichlet L-级数乘积的线性和,则称其为可解的。相关的和

S_1(a,b,c;s)=sum^'_(m,n=-infty)^infty(-1)^m(am^2+bmn+cn^2)^(-s)
(26)
S_2(a,b,c;s)=sum^'_(m,n=-infty)^infty(-1)^n(am^2+bmn+cn^2)^(-s)
(27)
S_(1,2)(a,b,c;s)=sum^'_(m,n=-infty)^infty(-1)^(m+n)(am^2+bmn+cn^2)^(-s)
(28)

也可以定义,这产生了令人印象深刻的公式,例如

 S_1(1,0,58;1)=-(piln(27+5sqrt(29)))/(sqrt(58))
(29)

(Glasser 和 Zucker 1980)。Glasser 和 Zucker(1980,pp. 126-131)给出了所有可解 S(a,b,c;s) 的主要解的完整表格。

格和 b_2(2s) 可以分成两部分,

b_2(2s)=sum^'_(i,j=-infty)^infty((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)
(30)
=sum_(i=1)^(infty)sum_(j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=1)^(infty)sum_(j=-1)^(-infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=-1)^(-infty)sum_(j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=-1)^(-infty)sum_(j=-1)^(-infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(j=-infty)^(-1)((-1)^j)/(j^(2s))+sum_(j=1)^(infty)((-1)^j)/(j^(2s))+sum_(i=-infty)^(-1)((-1)^i)/(i^(2s))+sum_(i=1)^(infty)((-1)^i)/(i^(2s))
(31)
=4[sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)+sum_(i=1)^(infty)((-1)^i)/(i^(2s))]
(32)
=4[sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)-eta(2s)],
(33)

其中 eta(n)Dirichlet eta 函数。使用格和的解析形式

b_2(s)=-4beta(s)eta(s)
(34)
=4[S_(1,2)(1,0,1;s)-eta(2s)],
(35)

其中 beta(s)Dirichlet beta 函数,给出了和

S_(1,2)(1,0,1;s)=sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i^2+j^2)^s)
(36)
=eta(2s)-eta(s)beta(s).
(37)

Borwein 和 Borwein(1987,p. 291)表明,对于 R[s]>1,

sum^'_(i,j=-infty)^infty1/((i^2+j^2)^s)=4beta(s)zeta(s)
(38)
sum^'_(i,j=-infty)^infty((-1)^j)/((i^2+j^2)^s)=2^(-s)b_2(2s),
(39)

其中 zeta(s)Riemann zeta 函数,对于适当的 s,

sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i+j))/((i+j)^s)=eta(s)-eta(s-1)
(40)
sum_(i,j=1)^(infty)((-1)^(i+1))/((i+j)^s)=2^(-s)zeta(s)
(41)
sum_(i,j=1)^(infty)1/((i+j)^s)=zeta(s-1)-zeta(s)
(42)
sum^'_(i,j=-infty)^infty((-1)^(i+j+1))/((|i|+|j|)^s)=4eta(s-1)
(43)
sum^'_(i,j=-infty)^infty1/((i+j)^s)=4zeta(s-1)
(44)
sum_(i,j=0)^(infty)((-1)^(i+j))/((2i+j+1)^s)=1/2(1-2^(-s))eta(s)+1/2beta(s)
(45)

(Borwein 和 Borwein 1987, p. 305)。

另一个二重级数约简由下式给出

 sum_(m,n=-infty)^infty(F(|2m+2n+1|))/(cosh[(2n+1)u]cosh(2nu))=2sum_(n=0)^infty((2n+1)F(2n+1))/(sinh[(2n+1)u]),
(46)

其中 F 表示任何函数 (Glasser 1974)。


另请参阅

Euler Sum格和马德隆常数多重级数多元 Zeta 函数级数三重级数Weierstrass 二重级数定理

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Borwein, J.; Bailey, D.; 和 Girgensohn, R. Experimentation in Mathematics: Computational Paths to Discovery. Wellesley, MA: A K Peters, 2004.Borwein, J. M. 和 Borwein, P. B. Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, 1987.Glasser, M. L. "Reduction Formulas for Multiple Series." Math. Comput. 28, 265-266, 1974.Glasser, M. L. 和 Zucker, I. J. "Lattice Sums." In Perspectives in Theoretical Chemistry: Advances and Perspectives, Vol. 5 (Ed. H. Eyring). New York: Academic Press, pp. 67-139, 1980.Hardy, G. H. "On the Convergence of Certain Multiple Series." Proc. London Math. Soc. 2, 24-28, 1904.Hardy, G. H. "On the Convergence of Certain Multiple Series." Proc. Cambridge Math. Soc. 19, 86-95, 1917.Jeffreys, H. 和 Jeffreys, B. S. "Double Series." §1.053 in Methods of Mathematical Physics, 3rd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 16-17, 1988.Meyer, B. "On the Convergence of Alternating Double Series." Amer. Math. Monthly 60, 402-404, 1953.Móricz, F. "Some Remarks on the Notion of Regular Convergence of Multiple Series." Acta Math. Hungar. 41, 161-168, 1983.Sloane, N. J. A. Sequences A065442A091349 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Wilansky, A. "On the Convergence of Double Series." Bull. Amer. Math. Soc. 53, 793-799, 1947.Zucker, I. J. 和 Robertson, M. M. "Some Properties of Dirichlet L-Series." J. Phys. A: Math. Gen. 9, 1207-1214, 1976a.Zucker, I. J. 和 Robertson, M. M. "A Systematic Approach to the Evaluation of sum_((m,n!=0,0))(am^2+bmn+cn^2)^(-s)." J. Phys. A: Math. Gen. 9, 1215-1225, 1976b.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

二重级数

请引用为

Weisstein, Eric W. "Double Series." 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/DoubleSeries.html

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