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-rw-r--r-- | buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex | 61 |
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diff --git a/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex b/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex new file mode 100644 index 0000000..dd422e3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex @@ -0,0 +1,61 @@ +\section{Zusammenhang mit der Gammafunktion} \label{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion} +\rhead{Zusammenhang mit der Gammafunktion} + +In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie sich die Zetafunktion durch die Gammafunktion $\Gamma(s)$ ausdrücken lässt. +Dieser Zusammenhang der Art $\zeta(s) = f(\Gamma(s))$ ist nicht nur interessant, er wird später auch für die Herleitung der analytischen Fortsetzung gebraucht. + +Wir erinnern uns an die Definition der Gammafunktion in \eqref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} +\begin{equation*} + \Gamma(s) + = + \int_0^{\infty} t^{s-1} e^{-t} \,dt, +\end{equation*} +wobei die Notation an die Zetafunktion angepasst ist. +Durch die Substitution $t = nu$ und $dt = n\,du$ wird daraus +\begin{align*} + \Gamma(s) + &= + \int_0^{\infty} n^{s-1}u^{s-1} e^{-nu} n \,du \\ + &= + \int_0^{\infty} n^s u^{s-1} e^{-nu} \,du. +\end{align*} +Durch Division durch $n^s$ ergeben sich die Quotienten +\begin{equation*} + \frac{\Gamma(s)}{n^s} + = + \int_0^{\infty} u^{s-1} e^{-nu} \,du, +\end{equation*} +welche sich zur Zetafunktion summieren +\begin{equation} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\Gamma(s)}{n^s} + = + \Gamma(s) \zeta(s) + = + \int_0^{\infty} u^{s-1} + \sum_{n=1}^{\infty}e^{-nu} + \,du. + \label{zeta:equation:zeta_gamma1} +\end{equation} +Die Summe über $e^{-nu}$ können wir als geometrische Reihe schreiben und erhalten +\begin{align} + \sum_{n=1}^{\infty}\left(e^{-u}\right)^n + &= + \sum_{n=0}^{\infty}\left(e^{-u}\right)^n + - + 1 + \\ + &= + \frac{1}{1 - e^{-u}} - 1 + \\ + &= + \frac{1}{e^u - 1}. +\end{align} +Wenn wir dieses Resultat einsetzen in \eqref{zeta:equation:zeta_gamma1} und durch $\Gamma(s)$ teilen, erhalten wir den gewünschten Zusammenhang +\begin{equation}\label{zeta:equation:zeta_gamma_final} + \zeta(s) + = + \frac{1}{\Gamma(s)} + \int_0^{\infty} + \frac{u^{s-1}}{e^u -1} + du. +\end{equation} |