Функция Клаузена — трансцендентная специальная функция одной переменной; в основной форме (функция Клаузена второго порядка) задаётся интегралом: .

Введена Томасом Клаузеном в 1832 году; в дальнейшем получила ряд обобщений, образовав целый класс, идентифицируемый как функции Клаузена. Функции этого класса могут быть выражена в виде определённого интеграла, тригонометрического ряда и в других формах; тесно связаны с полилогарифмом, интегральным арктангенсом полигамма-функцией, дзета-функцией Римана, эта-функцией Дирихле и бета-функцией Дирихле. Широко используются во многих областях современных математических исследований, в частности в связи с вычислением многих классов логарифмических и полилогарифмических интегралов, как определённых, так и неопределённых. Они также имеют многочисленные приложения, связанные с суммированием гипергеометрических рядов, суммированием с обратным центральным биномиальным коэффициентом, суммированием полигамма-функций и L-рядов Дирихле

Основные свойства В диапазоне синус под знаком модуля в определении функции Клаузена второго рода остаётся строго положительным, поэтому модуль можно опустить. Представление в виде ряда Фурье:

Имеет простые нули во всех точках вида , так как если , то :

Максимумы достигаются при : , а минимумы — в : .

Следующие свойства являются непосредственными следствиями определения в виде ряда:

Класс функций Клаузена Две обобщённые функции Клаузена определяются следующим образом: , , они сходятся при комплексных с . Определение может быть продолжено на всю комплексную плоскость посредством аналитического продолжения.

Если заменить на неотрицательное целое число, можно определить стандартные функции Клаузена следующими рядами Фурье:

Sl-функции Клаузена имеют альтернативную запись: и иногда называются функциями Глейшера — Клаузена в честь Джеймса Уитбреда Ли Глейшера.

Связь с многочленами Бернулли SL-функции Клаузена' представляют собой многочлены от и тесно связаны с многочленами Бернулли, которая видна из представлений многочленов Бернулли в виде ряда Фурье: , . Введение замены и перестановка членов дают следующие выражения в замкнутом виде: , ,

где многочлены Бернулли определяются через числа Бернулли по соотношению: .

Из этой связи следуют, в частности, соотношения: , , , .

Формула двойного аргумента При формулу двойного аргумента можно доказать непосредственно из определения интеграла: .

Обозначив константу Каталана через , непосредственные следствия формулы удвоения включают соотношения: , .

Для функций Клаузена более высокого порядка формулы удвоения можно получить из приведенной выше, заменив с фиктивной переменной и интегрируя по интервалу ; повторное применение того же процесса даёт: , , , .

И в более общем смысле, при индукции по : .

Использование общей формулы двойного аргумента позволяет расширить результат для функции Клаузена 2-го порядка, использовав константу Каталана. При : ,

где  — бета-функция Дирихле.

Производные функций Клаузена произвольного порядка Прямое дифференцирование рядов Фурье для функций Клаузена: , , , .

Применение теоремы Ньютона — Лейбница даёт: .

Связь с интегральным арктангенсом Интегральный арктангенс определяется на интервале как: .

В терминах функций Клаузена он имеет следующий замкнутый вид: .

Связь с G-функцией Барнса Для вещественного функция Клаузена второго порядка может быть выражена через G-функцию Барнса и гамма-функцию: ,

или, что то же самое:

Связь с полилогарифмом Функции Клаузена представляют собой действительную и мнимую части полилогарифма на единичной окружности: , .

Связь следует из определения полилогарифма через ряд: ; по теореме Эйлера: , и по формуле Муавра: ; следовательно: , .

Связь с полигамма-функцией Функции Клаузена тесно связаны с полигамма-функцией, их можно выразить в виде линейных комбинаций синусоид и полигамма-функций. Приведём одно из таких соотношений: .

Непосредственным следствием является эквивалентная формула в терминах дзета-функции Гурвица: .

Связь с обобщённым log-sin-интегралом Обобщенный log-sin-интеграл определяется как: .

С помощью этой нотации функция Клаузена может быть выражена в виде:

Соотношение Куммера Эрнст Куммер и Роджерс установили следующее соотношение: , верное при .

Связь с функцией Лобачевского Функция Лобачевского по сути является той же функцией с заменой переменной: .

Связь с L-функциями Дирихле Для рациональных значений (то есть, для при некоторых целых числах и ) функция может быть рассмотрена как представление периодической орбиты элемента в циклической группе, и, таким образом, можно выразить как простую сумму, включающую дзета-функцию Гурвица. Это позволяет легко вычислять соотношения с некоторыми L-функциями Дирихле.

Ускорение сходимости рядов Ускорение сходимости для функции Клаузена можно произвести следующим образом: , что справедливо при . Здесь  — дзета-функция Римана. Более быстро сходящаяся форма имеет вид:

.

Сходимости способствует тот факт, что быстро стремится к нулю при больших значениях . Обе формы можно получить с помощью методов пересуммирования, используемых для получения рациональных дзета-рядов.

Частные значения Некоторые значение, записанные с использованием G-функции Барнса, постоянной Каталана и постоянной Гизекинга :

В общем случае из формулы отражения G-функции Барнса следует: .

Эквивалентно, с использованием формулы отражения Эйлера для гамма-функции, получаются значения:

Частные значения в общих случаях Некоторые частные значения для функций Клаузена высшего порядка: , , , , ,

где  — бета-функция Дирихле,  — эта-функция Дирихле (также называемая знакопеременной дзета-функцией), и  — дзета-функция Римана.

Интегралы функции Решения интегралов, следующие из представлений функции Клаузена в виде ряда: , , , .

Методы анализа Фурье можно использовать для нахождения первых интегралов с квадратом функции на интервале ( — дзета-функция нескольких переменных):: , , .

Интегралы с функцией Клаузена как результатом Большое количество тригонометрических и логарифмо-тригонометрических интегралов можно вычислить с помощью функции Клаузена и различных распространённых математических констант, таких как (константа Каталана), и частные случаи дзета-функции и .

Непосредственно из интегрального представления функции Клаузена следуют: , , , , , , .

Примечания

Литература

Leonard Lewin, (Ed.). Structural Properties of Polylogarithms (1991) American Mathematical Society, Providence, RI. ISBN 0-8218-4532-2

Категория:Дзета- и L-функции