Pojdi na vsebino

Apéryjeva konstanta

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
dvojiško 1,0011001110111010...
desetiško 1,2020569031595942854...
šestnajstiško 1,33BA004F00621383...
verižni ulomek
  • Verižni ulomek je neskončen, ni pa znano ali je periodičen ali ne.
Dvozančni Feynmanov diagram, katerega rezultat vsebuje . To predvideva 4-razsežno integracijo po gibalnih količinah notranjih zank, ki vsebuje samo brezmasne navidezne delce in ustrezno normalizacijo, vključno s stopnjo gibalne količine zunanjega delca .
Približki Apéryjeve konstante (modra premica) z njenimi delnimi vsotami (rdeče)

Apéryjeva konstanta je v matematiki, na meji med teorijo števil in specialnimi funkcijami, vsota obratnih vrednosti kubov naravnih števil (pozitivnih celih števil). Določena je kot število:

kjer je Riemannova funkcija zeta. Njena približna desetiška vrednost je enaka (OEIS A002117):[1]

Realna konstanta se imenuje po Rogerju Apéryju.

Uporabe

[uredi | uredi kodo]

Konstanta se naravno pojavlja v mnogih fizikalnih problemih, vključno z izrazi drugega in tretjega reda elektronskega giromagnetnega razmerja s pomočjo kvantne elektrodinamike (QED). Pojavlja se tudi pri analizi naključnih minimalno vpetih dreves[2] in v povezavi s funkcijo gama pri reševanju določenih integralov z eksponentnimi funkcijami v količniku, ki se občasno pojavlja v fiziki, na primer pri izračunavanju dvorazsežnega primera Debyjevega modela in Sfefan-Boltzmannovega zakona.

Značilnosti

[uredi | uredi kodo]
Racionalna števila (), algebrska števila (), algebrske periode () in eksponentne periode () so podmnožica kompleksnih števil ().

Apéry je leta 1978 dokazal, da je konstanta iracionalno število.[3] Ta rezultat je znan kot Apéryjev izrek. Izvirni dokaz je kompleksen in težek za razumevanje.[4] Kasneje so našli preprostejše dokaze.[5][6]

Beukersov preprostejši dokaz iracionalnosti vključuje aproksimacijo integranda znanega trojnega integrala za :

z Legendrovimi polinomi. Van der Poortenov članek še posebej obravnava ta pristop, kjer je navedeno, da velja:

kjer so , Legendrovi polinomi, podzaporedja pa so cela ali skoraj cela števila.

Ni znano ali je Apéryjeva konstanta transcendentno število. Znano je da je algebrska perioda. To takoj sledi iz oblike njenega trojnega integrala.

Predstavitve z vrstami

[uredi | uredi kodo]

Klasično

[uredi | uredi kodo]

Euler je poleg osnovne vrste:

leta 1772 podal vrsto:[7]

ki so jo kasneje večkrat ponovno odkrili.[8]

Med druge klasične predstavitve z vrstami spadata vrsti:

Hitra konvergenca

[uredi | uredi kodo]

Od 19. stoletja je mnogo matematikov našlo vrste s pospešeno konvergenco za izračun decimalk . Od 1990-ih se je to iskanje osredotočilo na računsko učinkovite vrste s veliko stopnjo konvergence (glej razdelek Znane decimalke).

Naslednjo vrsto je našel Andrej Markov leta 1890,[9] jo ponovno odkrila Hjortnaesova leta 1953,[10] in še enkrat, kar je postalo znano širše, Apéry leta 1979:[3]

Naslednja vrsta da (asimptotično) 1,43 novega pravilnega decimalnega mesta po členu:[11]

Naslednja vrsta da (asimptotično) 3,01 novih pravilnih decimalnih mest na člen:[12]

Naslednja vrsta da (asimptotično) 5,04 novih pravilnih decimalnih mest na člen:[13][1][a]

Uporabili so jo za izračun Apéryjeve konstante na več milijonov pravilnih decimalnih mest.[13][1]

Naslednja vrsta da (asimptotično) 3,92 novih pravilnih decimalnih mest na člen:[14]

Po posameznih števkah

[uredi | uredi kodo]

Broadhurst je leta 1998 podal vrsto, ki omogoča izračun poljubne dvojiške števke in zaradi tega je možno izračunati konstanto v skoraj linearnem času in logaritemskem prostoru.[15]

Thue-Morsejevo zaporedje

[uredi | uredi kodo]

Apéryjeva konstanta se lahko predstavi tudi s členi Thue-Morsejevega zaporedja kot sledi:[16]

To je poseben primer naslednje formule, veljavne za vse z realnim delom večjim od :

Drugo

[uredi | uredi kodo]

Naslednjo vrsto je našel Ramanudžan:[17]

Naslednjo vrsto je našel Plouffe leta 1998:[18]

Srivastava je zbral veliko vrst (), ki konvergirajo k Apéryjevi konstanti.[8] Na primer:

ki konvergira hitreje kot Eulerjeva ali Markova.

Integralske predstavitve

[uredi | uredi kodo]

Za Apéryjevo konstanto obstaja mnogo integralskih predstavitev. Nekatere so enostavne, druge pa bolj zapletene.

Enostavne formule

[uredi | uredi kodo]

Naslednji izraz na primer sledi iz vsote za Apéryjevo konstanto:

Naslednja dva sledita iz dobro znanih integralskih formul za Riemannovo funkcijo zeta:

in:

Naslednji sledi iz Taylorjevega razvoja funkcije okrog točke , kjer je Legendrova funkcija hi:

Izraz je podoben izrazu:

kjer je Catalanova konstanta.

Bolj zapletene formule

[uredi | uredi kodo]

Med druge formule spadajo:[19]

in:[5]

S kombinacijo obeh izrazov se lahko dobi izraz:

S simetrijo sledi:

S seštevanjem obeh izrazov sledi:

In tudi:[20]

Povezava z odvodi funkcije gama:[21]

je tudi zelo uporabna za izpeljavo različnih integralskih izrazov prek znanih integralskih formul za funkcijo gama in funkcije poligama.[22]

Povezava z drugimi funkcijami

[uredi | uredi kodo]

Apéryjeva konstanta se pojavlja tudi pri razvoju funkcije gama v Taylorjevo vrsto:

kjer je v prispevku množitelja Euler-Mascheronijeva konstanta .

Apéryjeva konstanta je povezana tudi z vrednostmi trilogaritma (posebnega primera polilogaritma ):

Za se funkcija polilogaritma zreducira na Riemannovo funkcijo zeta:

(OEIS A099217)

kjer je Dirichletova funkcija λ, definirana kot:

(OEIS A233091)

kjer je Dirichletova funkcija β, pa integralska funkcija.[23]

Znane števke

[uredi | uredi kodo]

Število znanih števk Apéryjeve konstante se je v zadnjih desetletjih zelo povečalo in zdaj znaša več kot . To je posledica povečanja zmogljivosti računalnikov kot tudi izboljšav algoritmov.

število znanih desetiških števk Apéryjeve konstante
datumdesetiške števkeavtor
173516Leonhard Euler[24]
okoli 188016Adrien-Marie Legendre
188732Thomas Joannes Stieltjes
1996520000Greg J. Fee, Simon Plouffe
19971000000Bruno Haible, Thomas Papanikolaou
maj 199710536006Patrick Demichel
februar 199814000074Sebastian Wedeniwski
marec 199832000213Sebastian Wedeniwski
julij 199864000091Sebastian Wedeniwski
december 1998128000026Sebastian Wedeniwski[1]
september 2001200001000Shigeru Kondo, Xavier Gourdon
februar 2002600001000Shigeru Kondo, Xavier Gourdon
februar 20031000000000Patrick Demichel, Xavier Gourdon[25]
april 200610000000000Shigeru Kondo, Steve Pagliarulo
21. januar 200915510000000Alexander J. Yee, Raymond Chan[26]
15. februar 200931026000000Alexander J. Yee, Raymond Chan[26]
17. september 2010100000001000Alexander J. Yee[27]
23. september 2013200000001000Robert J. Setti[27]
7. avgust 2015250000000000Ron Watkins[27]
21. december 2015400000000000Dipanjan Nag[28]
13. avgust 2017500000000000Ron Watkins[27]
26. maj 20191000000000000Ian Cutress[29]
26. julij 20201200000000100Seungmin Kim[29][30]
22 december 20232020569031595Andrew Sun[29]

Verižni ulomki

[uredi | uredi kodo]

Navadni neskončni verižni ulomek Apéryjeve konstante je: (OEIS A013631)[31]

Ni znano ali je ta verižni ulomek periodičen ali ne.

Prvi posplošeni verižni ulomek Apéryjeve konstante s pravilnostjo sta neodvisno odkrila Stieltjes in Ramanudžan:

Lahko se pretvori v obliko:

Apéry je lahko pospešil konvergenco v obliki:[32][4][33]

Obratna vrednost

[uredi | uredi kodo]

Obratna vrednost (OEIS A088453):

predstavlja verjetnost, da bo katerokoli od treh naključno izbranih pozitivnih celih števil, tuje drugima dvema v smislu, da ko gre proti neskončnosti, se bo verjetnost, da tri pozitivna cela števila, manjša od in izbrana enakomerno naključno, ne bodo imela skupnega prafaktorja, približevala tej vrednosti. Verjetnost za pozitivnih celih števil je enaka .[34] V enakem smislu je verjetnost, da naključno izbrano pozitivno celo število ne bo enakomerno deljivo s kubom celega števila, večjega od 1. Verjetnost za nedeljivost z -to potenco je enako .[34]

Razširitev na ζ (2n + 1)

[uredi | uredi kodo]

Mnogi so poskušali razširiti Apéryjev dokaz, da je iracionalno število, na druge vrednosti Riemannove funkcije zeta z lihimi argumenti. Neskončno mnogo števil oblike mora biti iracionalnih,[35] in vsaj eno od števil , , in mora biti iracionalno.[36]

Praštevila iz števk

[uredi | uredi kodo]

Če se iz števk Apéryjeve konstante brez upoštevanja decimalne vejice zaporedoma sestavljajo števila, so prva taka števila, ki so tudi praštevila (OEIS A119333) za (OEIS A119334):

Naslednja števila so na primer sestavljena:

Glej tudi

[uredi | uredi kodo]

Opombe

[uredi | uredi kodo]
  1. V svojem sporočilu Simonu Plouffeju je Sebastian Wedeniwski navedel, da je izpeljal to formulo iz dela Amdeberhana in Zeilbergerja iz leta 1997.[12] Datum odkritja (13. december 1998) je omenjen v razpredelnici rekordov Simona Plouffeja (8. april 2001).

Sklici

[uredi | uredi kodo]
  1. 1 2 3 4 Wedeniwski (2001).
  2. Frieze (1985).
  3. 1 2 Apéry (1979).
  4. 1 2 van der Poorten (1979).
  5. 1 2 Beukers (1979).
  6. Zudilin (2002).
  7. Euler (1773).
  8. 1 2 Srivastava (2000), str. 571 (1.11).
  9. Markov (1890).
  10. Hjortnaes (1953).
  11. Amdeberhan (1996).
  12. 1 2 Amdeberhan; Zeilberger (1997).
  13. 1 2 Wedeniwski (1998).
  14. Mohammed (2005).
  15. Broadhurst (1998).
  16. Tóth (2022).
  17. Berndt (1989), §14, formuli 25.1 in 25.3.
  18. Plouffe (1998).
  19. Jensen (1895).
  20. Blagouchine (2014).
  21. Haber (2010).
  22. Jevgrafov; idr (1969), vaja 30.10.1.
  23. Kim (2014).
  24. Euler (1741), § 33.
  25. Gourdon; Sebah (2003).
  26. 1 2 Yee (2009).
  27. 1 2 3 4 Yee (2017).
  28. Nag (2015).
  29. 1 2 3 Yee (2025).
  30. Apéry's constant world record by Seungmin Kim (v angleščini), 28. julij 2020, pridobljeno 28. julija 2020
  31. Weisstein, Eric Wolfgang. »Apéry's Constant Continued Fraction«. MathWorld (v angleščini).
  32. Finch (2007).
  33. Weisstein, Eric Wolfgang. »Apéry's Constant«. MathWorld (v angleščini).
  34. 1 2 Mollin (2009).
  35. Rivoal (2000).
  36. Zudilin (2001).

Nadaljnje branje

[uredi | uredi kodo]

Zunanje povezave

[uredi | uredi kodo]