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马德隆常数


从立方、六方等晶格求和获得的量,在s=1时求值,被称为马德隆常数。

对于立方晶格求和

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

对于偶数指数n,可以闭合形式表达的马德隆常数,以下表格中总结了一些示例,其中beta(n)狄利克雷beta函数eta(n)狄利克雷eta函数

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

为了获得b_2(s)的闭合形式,将双重求和分解为不包括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)

其中负和已被重新索引以在正量上运行。但是(-1)^i=(-1)^(-i),因此以上所有项都可以组合成

 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)

这些和的第二个可以解析地完成,如下所示

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

s=1的情况下,简化为

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

第一个和更困难,但在s=1的情况下,可以写成

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

将这些结合起来,然后得到原始和为

 b_2(2)=-piln2.
(9)

b_3(1)本森公式给出 (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),其中素数符号表示排除了对 (0, 0, 0) 的求和。

b_3(1)=M有时被称为“the”马德隆常数,对应于三维 NaCl 晶体的马德隆常数。Crandall (1999) 给出了表达式

 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) 发现了类似的结果,

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)

其中最后一个收敛迅速。平均 (16) 和 (13) 然后给出美丽的等式

 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,该等式也精确到 10 位小数 (Tyagi 2004)。

但是,对于b_3(1),没有已知的闭合形式 (Bailey et al. 2006)。

对于六方晶格求和h_2(2)可以闭合形式表达为

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

(OEIS A086055)。


另请参阅

本森公式, 调和级数, 晶格求和

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参考文献

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 Wolfram|Alpha 上被引用

马德隆常数

请引用为

Weisstein, Eric W. "马德隆常数。" 来自 MathWorld--一个 Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/MadelungConstants.html

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