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分析一下姜萍同学的板书内容

姜萍同学的板书内容是证明了这样的一道数学题:

【注:实际的板书是 k,这里习惯改为 n ,并不影响分析。】

姜萍同学跟给的证明过程并不完整,但是已经足以表达其思路了,下面是小头补足后的解答过程。

证明:

对,余元公式,

Γ(z)Γ(1-z)=π/sin πz

两边取对数,得到,

lnΓ(z)+lnΓ(1-z)=lnπ-ln sin πz

然后,两边求导,有,

ψ(z)-ψ(1-z)=- π cot nz

即,

π cot nz=ψ(1-z)-ψ(z) ①

【注:这里 ψ(z)=ln'Γ(z) 称为 双伽马函数,其各阶导数 ψ(z) 称为 多伽马函数。】

然后,等式两边再求导,有,

-π^2csc^2πz=-ψ^1(1-z)-ψ^1(z)

即,

csc^2πz=(ψ^1(1-z)+ψ^1(z))/π^2

而根据,多伽马函数展开公式:

ψ(z)=(-1)^1m!∑1/(z+n)^1 (m 1)

有,

ψ^1(1-z)+ψ^1(z) = ∑1/(1 - z+n)^2 + ∑1/(z+n)^2

其中,

1/(1 - z+n)^2 = ∑1/((1+ n) - z)^2 = ∑1/(z - (1+ n))^2 = ∑ 1/(z + (1+ n))^2 = ∑^1 1/(z + n)^2

于是就有,

ψ^1(1-z)+ψ^1(z) = ∑^1 1/(z + n)^2 + ∑1/(z+n)^2 = ∑1/(z+n)^2

进而有,

csc^2πz= ∑1/(z+n)^2π^2 = ∑1/(πz+nπ)^2

最后,令,

πz=ω/2

就得到,

csc^2(ω/2)=∑1/(nπ+ω/2)^2

这个证明过程,紧接 ① 处,还可以 利用 双伽马函数展开式:

ψ(z)=-γ-1/z+∑(1/n-1/(n+z))

有,

π cot nz = -∑1/(1-z+n)+∑1/(z+n)=∑1/(z+n)+∑1/(z-(n+1))=∑1/(z+n)+∑1/(z-n)=∑1/(z+n)+∑^11/(z+n)

即,得到,

π cot πz =∑1/(n+z) ②

两边再求导有,

-π^2csc^2πz=-∑1/(n+z)^2

化简得到,

csc^2πz=∑1/(πn+πz)^2

最后,同上。

【注:对于,伽马函数的威尔斯特拉斯无穷积,

1/Γ(z)=ze∏(1+z/n)e

两边取对数,得到,

-lnΓ(z)=lnz+γz+∑(ln(1+z/n)-z/n)

再两边求导,就是,

ψ(z) =ln'Γ(z)=-γ-1/z+∑(1/n-1/(n+z))

这样就得到了 双伽马函数展开式,再求导 就很容易得到 多伽马函数展开式了。】


上面的方法利用了 双/多伽马函数展开式,实际上就已经是给出答案了,我们还可以利用 伽马函数的欧拉无穷积,给出另外一个答案。

证明:

由,余元公式,

Γ(z)Γ(1-z)=π/sin πz

以及,欧拉无穷乘积公式,

Γ(z)=(1/z)∏((1+z/n)^1(1+1/n))

有,

sin πz=π/Γ(z)Γ(1-z)=πz(1-z)∏((1+z/n)(1+(1-z)/n)/(1+1/n))=z(1-z)∏((1+z/n)(1-z/(n+1)))=z∏((1+z/n)(1-z/n))

然后,两边取对数得到,

ln sin πz=ln(z∏((1+z/n)(1-z/n)))=ln πz +∑ln(1+z/n)+∑ln(1-z/n)

再两边求导数有,

(1/sin πz)(cos πz)π=(1/πz)π+∑(1/(1+z/n))(1/n)+∑(1/(1-z/n))(-1/n)=1/z +∑1/(n+z)+∑1/(-n+z)=1/z +∑1/(n+z)+∑^11/(n+z)

即,得到,

π cot πz =∑1/(n+z) ②

接下来,同上。


甚至我们还可以不使用 余元公式,而是利用 傅里叶级数。

证明:

在[-π,π]上,有傅立叶级数,

cos zx=a/2+∑(acos nx+bsin nx)

其中,

a=(1/π)∫ cos zx dx =2(sin πz)/πz

a=(1/π)∫ cos zx cos nx dx =(1/πz)∫ d sin zx cos nx dx =(1/πz)(sin zx cos nx | +n∫ sin zx sin nx dx )=(1/πz)((-1)2sin πz -n/z(cos zx sin nx |-n∫ cos zx cos nx dx ))=(1/πz)((-1)2sin πz -n/z(0-nπa))=n^2a/z^2+(-1)2(sin πz)/πz => a=(-1)2(sin πz)/πz(1-n^2/z^2)=(-1)2z(sin πz)/π(z^2-n^2)

b=0 (偶函数)

于是有,

cos zx=(sin πz)/πz+∑((-1)2z(sin πz)/π(z^2-n^2))cos nx=(2(sin πz)/π)(1/z+∑(-1)z(cos nx)/(z^2-n^2)

令,x=π,则有,

cos πz=((sin πz)/π)(1/z+∑2z/(z^2-n^2))

于是,等式两边求导 有,

π cot πz=(1/z+∑2z/(z^2-n^2))=1/z+∑(1/(z-n)+1/(z+n))=∑1/(z+n)

即,得到,

π cot πz =∑1/(z+n) ②

接下来,同上。


以上 证明的关键是 求出 重要 公式 ② ,这个公式在 小石头 之前 科普 模形式 的文章(模形式-今日头条 (toutiao.com))中 扮演重要角色,下面将 当时 文章 整理如下:

证明:

实际上,该公式 ② 的最初的推导方法 是源于 巴塞尔问题。欧拉 解决巴塞尔问题 的前几步是这样的:

在 sin x 的幂级数展开式,

sin x = x - x^3/3! + x/5! - x/7! + ...

的等式两边除以 x 得到,

sin x/x = 1 - x^2/3! + x/5! - x/7! + ...

将 上式右边 看成 多项式,由,

sin(nπ) = 0 (n∈Z) => sin(nπ) /nπ = 0 (n∈Z*)

【注:Z* = Z{0}】

知 { nπ | n∈Z* } 是 该多项式的 所有过零点,因此有因式分解,

1 - x^2/3! + x/5! - x/7! + ... = A ∏∈Z* (x - nπ)

将 x = 0 代入上式 ,有,

1 = A ∏∈Z* (0 - nπ) = A ∏∈Z* (-nπ)

【注:lim _ sin x/x = 1,这与等式左边的值符合】

这样就求得参数,

A = 1/(∏∈Z* (-nπ))

将这个结果,代回 因式分解式,有,

1 - x^2/3! + x/5! - x/7! + ... = (∏∈Z* (x - nπ))/(∏∈Z* (-nπ)) = ∏∈Z* (x - nπ)/(-nπ) = ∏∈Z* (x - nπ)/(-nπ) = ∏∈Z* (x + nπ)/nπ

这些就是,前几步推导过程!

【注:接下来,欧拉将上式右边展开 并且 比较 等式两边 二次项系数 就解决了 巴塞尔问题。】

接着上面欧拉的推导,进而有,

sin x/x = ∏∈Z*(x + nπ)/nπ

这样就得到了 sin x 的 乘积公式。

对此公式两边取对数,并且再对x求导,则 等式两边分别有,

左边 = (ln sin x)' = (1/sin x) sin'x = (1/sin x) cos x = cot x;

右边 = [ln(x∏∈Z* (x + nπ)/nπ)]' = [ln x + ∑∈Z* ln((x + nπ)/nπ)]' = ln'x + ∑∈Z* ln'((x + nπ)/nπ) = 1/x + ∑∈Z* (1/((x + nπ)/nπ))((x + nπ)/nπ)' = 1/x + ∑∈Z* (1/((x + nπ)/nπ))(1/nπ) = 1/x + ∑∈Z* 1/(x + nπ) = ∑∈Z 1/(x + nπ); 即得到, cot x = ∑∈Z 1/(x + nπ)

令 x = zπ 代入,有,

cot(zπ) = ∑∈Z 1/(zπ + nπ) = 1/π ∑∈Z 1/(z + n)

即得到,

πcot(zπ) = ∑∈Z 1/(z + n) ②


(好久不和大家交流了,这里接着姜萍事件的热度 和大家分享 点 数学知识,希望大家喜欢!)

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