Каталонцы постоянная - Catalans constant

В математика, Каталонская постоянная грамм, который появляется в комбинаторика, определяется

${\displaystyle G=\beta (2)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)^{2}}}={\frac {1}{1^{2}}}-{\frac {1}{3^{2}}}+{\frac {1}{5^{2}}}-{\frac {1}{7^{2}}}+{\frac {1}{9^{2}}}-\cdots }$

куда β это Бета-функция Дирихле. Его числовое значение^[1] приблизительно (последовательность A006752 в OEIS )

грамм = 0.915965594177219015054603514932384110774…

Нерешенная проблема в математике: Каталонский постоянный иррациональный? Если да, то трансцендентно ли это? (больше нерешенных задач по математике)

Неизвестно, были ли грамм является иррациональный, не говоря уже о трансцендентный.^[2]

Каталонская постоянная была названа в честь Эжен Шарль Каталан.

Похожая, но явно более сложная серия

${\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)^{3}}}={\frac {1}{1^{3}}}-{\frac {1}{3^{3}}}+{\frac {1}{5^{3}}}-{\frac {1}{7^{3}}}+{\frac {1}{9^{3}}}-\cdots }$

вычисляется точно и равно π³/32.

Интегральные тождества

Некоторые личности с участием определенные интегралы включают

${\displaystyle {\begin{aligned}G&=\iint _{[0,1]^{2}}\!{\frac {1}{1+x^{2}y^{2}}}\,dx\,dy\\[3pt]G&=\int _{0}^{1}\int _{0}^{1-x}{\frac {1}{1-x^{2}-y^{2}}}\,dy\,dx\\[3pt]G&=\int _{1}^{\infty }{\frac {\ln t}{1+t^{2}}}\,dt\\[3pt]G&=-\int _{0}^{1}{\frac {\ln t}{1+t^{2}}}\,dt\\[3pt]G&=\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}{\frac {t}{\sin t\cos t}}\,dt\\[3pt]G&={\frac {1}{4}}\int _{-{\frac {\pi }{2}}}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {t}{\sin t}}\,dt\\[3pt]G&=\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\ln \cot t\,dt\\[3pt]G&=-\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\ln \tan t\,dt\\[3pt]G&={\frac {1}{2}}\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\ln \left(\sec t+\tan t\right)\,dt\\[3pt]G&=\int _{0}^{1}{\frac {\arccos t}{\sqrt {1+t^{2}}}}\,dt\\[3pt]G&=\int _{0}^{1}{\frac {\operatorname {arsinh} t}{\sqrt {1-t^{2}}}}\,dt\\[3pt]G&=\int _{0}^{\infty }\operatorname {arccot} e^{t}\,dt\\[3pt]G&={\frac {1}{4}}\int _{0}^{\frac {\pi ^{2}}{4}}\csc {\sqrt {t}}\,dt\\[3pt]G&={\frac {1}{16}}\left(\pi ^{2}+4\int _{1}^{\infty }\operatorname {arccsc} ^{2}t\,dt\right)\\[3pt]G&={\frac {1}{2}}\int _{0}^{\infty }{\frac {t}{\cosh t}}\,dt\\[3pt]G&={\frac {\pi }{2}}\int _{1}^{\infty }{\frac {\left(t^{4}-6t^{2}+1\right)\ln \ln t}{\left(1+t^{2}\right)^{3}}}\,dt\\[3pt]G&=1+\lim _{\alpha \to {1^{-}}}\!\left\{\int _{0}^{\alpha }\!{\frac {\left(1+6t^{2}+t^{4}\right)\arctan {t}}{t\left(1-t^{2}\right)^{2}}}\,dt+2\operatorname {arctanh} {\alpha }-{\frac {\pi \alpha }{1-\alpha ^{2}}}\right\}\\[3pt]G&=1-{\frac {1}{8}}\iint _{\mathbb {R} ^{2}}\!\!{\frac {x\sin \left(2xy/\pi \right)}{\,\left(x^{2}+\pi ^{2}\right)\cosh x\sinh y\,}}\,dxdy\end{aligned}}}$

где последние три формулы связаны с интегралами Мальмстена.^[3]

Если K (k) это полный эллиптический интеграл первого рода, как функция эллиптического модуля k, тогда

${\displaystyle G={\tfrac {1}{2}}\int _{0}^{1}\mathrm {K} (k)\,dk}$

С гамма-функция Γ (Икс + 1) = Икс!

${\displaystyle {\begin{aligned}G&={\frac {\pi }{4}}\int _{0}^{1}\Gamma \left(1+{\frac {x}{2}}\right)\Gamma \left(1-{\frac {x}{2}}\right)\,dx\\&={\frac {\pi }{2}}\int _{0}^{\frac {1}{2}}\Gamma (1+y)\Gamma (1-y)\,dy\end{aligned}}}$

Интегральный

${\displaystyle G=\operatorname {Ti} _{2}(1)=\int _{0}^{1}{\frac {\arctan t}{t}}\,dt}$

известная специальная функция, называемая обратный касательный интеграл, и был тщательно изучен Шриниваса Рамануджан.

Использует

грамм появляется в комбинаторика, а также в значениях второй полигамма функция, также называемый функция тригаммы, при дробных аргументах:

${\displaystyle {\begin{aligned}\psi _{1}\left({\tfrac {1}{4}}\right)&=\pi ^{2}+8G\\\psi _{1}\left({\tfrac {3}{4}}\right)&=\pi ^{2}-8G.\end{aligned}}}$

Саймон Плафф дает бесконечный набор тождеств между тригамма-функцией, π² и каталонская постоянная; они выражаются как пути на графе.

В низкоразмерная топология, Постоянная Каталана является рациональным кратным объему идеального гиперболического октаэдр, и, следовательно, гиперболический объем дополнения Ссылка Уайтхеда.^[4]

Он также появляется в связи с гиперболическое секущее распределение.

Отношение к другим специальным функциям

Каталонская константа часто встречается по отношению к Функция Clausen, то обратный касательный интеграл, то обратный синусоидальный интеграл, то Barnes грамм-функция, а также интегралы и ряды, суммируемые по указанным выше функциям.

В качестве конкретного примера, сначала выразив обратный касательный интеграл в его закрытой форме - в терминах функций Clausen - а затем выражая эти функции Clausen в терминах Барнса грамм-функция, получается следующее выражение (см. Функция Clausen для большего):

${\displaystyle G=4\pi \log \left({\frac {G\left({\frac {3}{8}}\right)G\left({\frac {7}{8}}\right)}{G\left({\frac {1}{8}}\right)G\left({\frac {5}{8}}\right)}}\right)+4\pi \log \left({\frac {\Gamma \left({\frac {3}{8}}\right)}{\Gamma \left({\frac {1}{8}}\right)}}\right)+{\frac {\pi }{2}}\log \left({\frac {1+{\sqrt {2}}}{2\left(2-{\sqrt {2}}\right)}}\right)}$.

Если определить Лерх трансцендентный Φ (z,s,α) (связанный с Дзета-функция Лерха ) к

${\displaystyle \Phi (z,s,\alpha )=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{(n+\alpha )^{s}}},}$

тогда

${\displaystyle G={\tfrac {1}{4}}\Phi \left(-1,2,{\tfrac {1}{2}}\right).}$

Быстро сходящиеся серии

Следующие две формулы включают быстро сходящиеся ряды и поэтому подходят для численных вычислений:

${\displaystyle {\begin{aligned}G&=3\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{4n}}}\left(-{\frac {1}{2(8n+2)^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}(8n+3)^{2}}}-{\frac {1}{2^{3}(8n+5)^{2}}}+{\frac {1}{2^{3}(8n+6)^{2}}}-{\frac {1}{2^{4}(8n+7)^{2}}}+{\frac {1}{2(8n+1)^{2}}}\right)-\\&\qquad -2\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{12n}}}\left({\frac {1}{2^{4}(8n+2)^{2}}}+{\frac {1}{2^{6}(8n+3)^{2}}}-{\frac {1}{2^{9}(8n+5)^{2}}}-{\frac {1}{2^{10}(8n+6)^{2}}}-{\frac {1}{2^{12}(8n+7)^{2}}}+{\frac {1}{2^{3}(8n+1)^{2}}}\right)\end{aligned}}}$

и

${\displaystyle G={\frac {\pi }{8}}\log \left(2+{\sqrt {3}}\right)+{\frac {3}{8}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{(2n+1)^{2}{\binom {2n}{n}}}}.}$

Теоретические основы таких рядов даны Бродхерстом для первой формулы^[5] и Рамануджан для второй формулы.^[6] Алгоритмы быстрого вычисления каталонской константы были построены Э. Карацубой.^[7][8]

Известные цифры

Количество известных цифр каталонской константы грамм резко возросло за последние десятилетия. Это связано как с увеличением производительности компьютеров, так и с улучшениями алгоритмов.^[9]

Количество известных десятичных цифр каталонской константы грамм

Дата	Десятичные цифры	Вычисление выполнено
1832	16	Томас Клаузен
1858	19	Карл Йохан Даниэльссон Хилл
1864	14	Эжен Шарль Каталан
1877	20	Джеймс В. Л. Глейшер
1913	32	Джеймс В. Л. Глейшер
1990	20000	Грег Дж. Фи
1996	50000	Грег Дж. Фи
14 августа 1996 г.	100000	Грег Дж. Фи и Саймон Плафф
29 сентября 1996 г.	300000	Томас Папаниколау
1996	1500000	Томас Папаниколау
1997	3379957	Патрик Демичел
4 января 1998 г.	12500000	Ксавье Гурдон
2001	100000500	Ксавье Гурдон и Паскаль Себа
2002	201000000	Ксавье Гурдон и Паскаль Себа
Октябрь 2006 г.	5000000000	Сигеру Кондо и Стив Пальяруло[10]
Август 2008 г.	10000000000	Сигеру Кондо и Стив Пальяруло[11]
31 января 2009 г.	15510000000	Александр Дж. Йи и Раймонд Чан[12]
16 апреля 2009 г.	31026000000	Александр Дж. Йи и Раймонд Чан[12]
7 июня 2015 г.	200000001100	Роберт Дж. Сетти[13]
12 апреля 2016 г.	250000000000	Рон Уоткинс[13]
16 февраля 2019 г.,	300000000000	Тициан Хансельманн[13]
29 марта 2019 г.,	500000000000	Майк Эй и Ян Катресс[13]
16 июля 2019 г.,	600000000100	Сынмин Ким[14][15]

Смотрите также

• Частные значения дзета-функции Римана
• Математическая константа

Рекомендации

1. Папаниколау, Томас (март 1997 г.). «Постоянная Каталонии на 1 500 000 мест». Gutenberg.org.
2. Нестеренко, Ю. В. (январь 2016 г.), «О каталонской постоянной», Труды Математического института им. В. А. Стеклова., 292 (1): 153–170, Дои:10.1134 / s0081543816010107, S2CID  124903059.
3. Благушин, Ярослав (2014). «Повторное открытие интегралов Мальмстена, их вычисление методами контурного интегрирования и некоторые связанные результаты» (PDF). Рамануджанский журнал. 35: 21–110. Дои:10.1007 / s11139-013-9528-5. S2CID  120943474. Архивировано из оригинал (PDF) на 2018-10-02. Получено 2018-10-01.
4. Агол, Ян (2010), "Минимальные ориентируемые по объему гиперболические 3-многообразия с каспами", Труды Американского математического общества, 138 (10): 3723–3732, arXiv:0804.0043, Дои:10.1090 / S0002-9939-10-10364-5, МИСТЕР  2661571, S2CID  2016662.
5. Бродхерст, Д. Дж. (1998). «Полилогарифмические лестницы, гипергеометрические ряды и десятимиллионные цифры ζ(3) и ζ(5)". arXiv:math.CA/9803067.
6. Берндт, Б.С. (1985). Записная книжка Рамануджана, часть I. Springer Verlag. п. 289.^{[ISBN отсутствует ]}
7. Карацуба, Э.А. (1991). «Быстрая оценка трансцендентных функций». Пробл. Инф. Трансм. 27 (4): 339–360. МИСТЕР  1156939. Zbl  0754.65021.
8. Карацуба, Э.А. (2001). «Быстрое вычисление некоторых специальных интегралов математической физики». In Krämer, W .; фон Гуденберг, Дж. У. (ред.). Научные вычисления, проверенные числа, интервальные методы. стр.29 –41.^{[ISBN отсутствует ]}
9. Гурдон, X .; Себах, П. «Константы и записи вычислений».
10. «Сайт Сигеру Кондо». Архивировано из оригинал на 2008-02-11. Получено 2008-01-31.
11. Константы и записи вычислений
12. Большие вычисления
13. Постоянные записи Каталонии с использованием YMP
14. Постоянные записи Каталонии с использованием YMP
15. Постоянный мировой рекорд Каталонии от Сынмин Ким

внешняя ссылка

• Виктор Адамчик, 33 представления каталонской постоянной (без даты)
• Адамчик, Виктор (2002). «Некий ряд, связанный с каталонской константой». Zeitschrift für Analysis und ihre Anwendungen. 21 (3): 1–10. Дои:10.4171 / ZAA / 1110. МИСТЕР  1929434.
• Plouffe, Саймон (1993). «Несколько идентичностей (III) с каталонским». (Предоставляет более сотни различных идентификаторов).
• Саймон Плафф, Несколько тождеств с каталонской константой и Pi ^ 2, (1999) (Обеспечивает графическую интерпретацию отношений)
• Вайсштейн, Эрик В. "Константа Каталонии". MathWorld.
• Каталонская постоянная: обобщенный степенной ряд на сайте Wolfram Functions
• Грег Фи, Константа Каталонии (формула Рамануджана) (1996) (Предоставляет первые 300 000 цифр каталонской константы.).
• Плата, Грег (1990), "Вычисление постоянной Каталонии с использованием формулы Рамануджана", Материалы международного симпозиума по символьным и алгебраическим вычислениям - ISSAC '90, Proceedings of the ISSAC '90, pp. 157–160, Дои:10.1145/96877.96917, ISBN  0201548925, S2CID  1949187
• Брэдли, Дэвид М. (1999). «Класс серийных формул ускорения для постоянной Каталонии». Рамануджанский журнал. 3 (2): 159–173. arXiv:0706.0356. Дои:10.1023 / А: 1006945407723. МИСТЕР  1703281. S2CID  5111792.
• Брэдли, Дэвид М. (2007). «Класс серийных формул ускорения для постоянной Каталонии». Рамануджанский журнал. 3 (2): 159–173. arXiv:0706.0356. Bibcode:2007arXiv0706.0356B. Дои:10.1023 / А: 1006945407723. S2CID  5111792.
• Брэдли, Дэвид М. (2001), Представления каталонской постоянной, CiteSeerX  10.1.1.26.1879

• «Каталонская константа», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
• Константа Каталонии - от Wolfram MathWorld
• Константа Каталонии (формула Рамануджана)
• каталонская константа - www.cs.cmu.edu