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多对数函数


Polylogarithm

多对数函数 Li_n(z),也称为 Jonquière 函数,是函数

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

复平面 上,在开 单位圆盘 内定义。然后,它在整个 复平面 上的定义通过 解析延拓 唯一地得出。

请注意,类似的 符号 Li(z) 用于 对数积分

多对数函数也表示为 F(z,n),等于

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

其中 Phi(z,n,a)Lerch 超越函数 (Erdélyi et al. 1981, p. 30)。多对数函数出现在费曼图积分中(特别是在计算量子电动力学对电子旋磁比的修正时),特殊情况 n=2n=3 分别称为 二重对数函数三重对数函数。多对数函数在 Wolfram 语言 中实现为PolyLog[n, z].

多对数函数也出现在 费米-狄拉克分布 积分的闭合形式中

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

其中 Gamma(z)伽玛函数,以及 玻色-爱因斯坦分布

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

特殊情况 z=1 简化为

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

其中 zeta(s)黎曼 zeta 函数。但是请注意,对于固定的复数 Li_s(z)s 的含义并非完全明确,因为它取决于在四维 s 空间中如何逼近 (s,z)

负整数阶的多对数函数出现在 形式为 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>欧拉数。多对数函数也出现在广义 调和数 H_(n,r) 的和中,如

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

对于 |z|<1

低阶多对数函数的特殊形式包括

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)

在自变量 -1 和 1 处,一般多对数函数变为

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

其中 eta(x)狄利克雷 eta 函数zeta(x)黎曼 zeta 函数。自变量为 1/2 的多对数函数也可以针对小 n 进行解析求值,

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)

对于更高的阶数,尚不清楚是否存在类似的公式(Lewin 1991, p. 2)。Li_4(1/2) 出现在电子旋磁比的三阶修正项中。

多对数函数的导数本身也是一个多对数函数,

 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)

对于多对数函数存在许多非凡的恒等式,包括由 Li_(17)(alpha_1^(-17)) 满足的惊人恒等式,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 塞勒姆常数,即 Lehmer 的 Mahler 测度问题 中多项式的最大正根 (Cohen et al. 1992; Bailey and Broadhurst 1999; Borwein and Bailey 2003, pp. 8-9)。

对于函数的多对数积分,尚不清楚是否存在通用的 算法


另请参阅

二重对数函数, 欧拉数, 勒让德 Chi 函数, 对数积分, 多维多对数函数, 尼尔森广义多对数函数, 尼尔森-拉马努金常数, 三重对数函数

相关 Wolfram 站点

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

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Bailey, D. H.; Borwein, P. B.; 和 Plouffe, S. "关于各种多对数常数的快速计算。" Math. Comput. 66, 903-913, 1997.Bailey, D. H. 和 Broadhurst, D. J. "十七阶多对数梯。" 20 Jun 1999. http://arxiv.org/abs/math.CA/9906134.Borwein, J. 和 Bailey, D. 实验数学:21 世纪的合理推理。 Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Borwein, J. M.; Bradley, D. M.; Broadhurst, D. J.; 和 Lisonek, P. "多维多对数函数的特殊值。" Trans. Amer. Math. Soc. 353, 907-941, 2001.Berndt, B. C. 拉马努金的笔记本,第四部分。 New York: Springer-Verlag, pp. 323-326, 1994.Cohen, H.; Lewin, L.; 和 Zagier, D. "十六阶多对数梯。" 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. 高等超越函数,第 1 卷。 New York: Krieger, pp. 30-31, 1981.Jonquière, A. "关于一类通过多次积分有理函数产生的超越函数。" Öfversigt af Kongl. Vetenskaps-Akademiens Förhandlingar 45, 522-531, 1888.Jonquière, A. "关于级数 sum_(n=1)^(n=infty)(x^n)/(n^s) 的注释。" Öfversigt af Kongl. Vetenskaps-Akademiens Förhandlingar 46, 257-268, 1888.Jonquière, A. "关于有理函数的重复积分中出现的一些超越函数。" Bihang till Kongl. Svenska Vetenskaps-Akademiens Handlingar 15, 1-50, 1889.Jonquière, A. "关于级数 sum_(n=1)^(n=infty)(x^n)/(n^s) 的注释。" Bull. Soc. Math. France 17, 142-152, 1889.Lewin, L. 二重对数函数和相关函数。 London: Macdonald, 1958.Lewin, L. 多对数函数和相关函数。 New York: North-Holland, 1981.Lewin, L. (Ed.). 多对数函数的结构性质。 Providence, RI: Amer. Math. Soc., 1991.Nielsen, N. 欧拉二重对数函数。 Leipzig, Germany: Halle, 1909.Prudnikov, A. P.; Marichev, O. I.; 和 Brychkov, Yu. A. "广义 Zeta 函数 zeta(s,x), 伯努利多项式 B_n(x), 欧拉多项式 E_n(x), 和多对数函数 Li_nu(x)." §1.2 in 积分与级数,第 3 卷:更多特殊函数。 Newark, NJ: Gordon and Breach, pp. 23-24, 1990.Sloane, N. J. A. 序列 A073011 in "整数序列在线百科全书"。Truesdell, C. "关于聚合物结构理论中出现的函数。" Ann. Math. 46, 114-157, 1945.Zagier, D. "多对数函数的特殊值和泛函方程。" 附录 A in 多对数函数的结构性质 (Ed. L. Lewin). Providence, RI: Amer. Math. Soc., 1991.

在 Wolfram|Alpha 中引用

多对数函数

请引用为

Weisstein, Eric W. "多对数函数。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Polylogarithm.html

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