浅谈伯努利数与Riemannζ函数

伯努利数

先给出伯努利数的生成函数定义

xex1=k=0Bkk!xk

可以用麦克劳林公式计算前几项伯努利数

B0=1B1=1/2B2=1/6B3=0B4=1/30B5=0

可以发现几个显然的规律,接下来依次将证明

一.

k=0n(n+1k)Bk=0

Proof:

根据伯努利数的定义,可以得到

x=(ex1)k=0Bkk!xk=i=1xnn!k=0Bkk!xk=i=0xi+1(i+1)!k=0Bkk!xk

根据两级数的柯西乘积

n=0ann=0bn=n=0k=0nanbnk

可以得到

x=i=0xi+1(i+1)!k=0Bkk!xk=n=0k=0nxn+1k(n+1k)!Bkk!xk=n=1k=0n(n+1)!(n+1k)!k!Bkxn+1(n+1)!=n=1k=0n(n+1k)Bkxn+1(n+1)!

对照等式两边的系数即可得到

B0=1,k=0n(n+1k)Bk=0

二.

B2k+1=0(k1)

Proof:

构造函数

g(x)=xex1B1x=xex1+12x=2x+x(ex1)2(ex1)=x(ex+1)2(ex1)=x(ex+1)2(ex1)ex/2ex/2=x(ex/2+ex/2)2(ex/2ex/2)

显然g(x)使偶函数,所以麦克劳林展开式中的奇次项系数都为零,也就是

B2k+1=0(k1)

Riemannζ 函数

在引入 Riemannζ 函数前,我们需要用刚才伯努利数的结论推一些式子.

回到刚才的g(x).

g(x)=n=0B2n(2n)!x2n=x2cothx2

这也就推出了

cothx=n=04nB2n(2n)!x2n1

x=ix.

cotx=n=0(1)n4nB2n(2n)!x2n1

根据恒等式

2coth2xcothx=tanhx

可以得到

tanhx=n=14n(4n1)B2n(2n)!x2n1

同样的,令x=ix,可得

tanx=n=1(1)n14n(4n1)B2n(2n)!x2n1

终于可以给出Riemannζ函数的定义

ζ(z)=n=11nz=11z+12z+13z+(zC)

只有将偶数代入这个函数才有精确值,下面对ζ(2n)的公式进行推导.

根据这篇文章,我们知道

sinπxπx=n=1(1x2n2)

两边取对数

lnsinπxπx=n=1ln(1x2n2)

两边求导(过程省略)

πcotπx1x=n=1(1xn+1x+n)cotx=1x+n=1(1xnπ+1x+nπ)

将分式展开

cotx=1x+n=11πn(11+xπn11xπn)=1x+n=11πn[k=0(1)n(xπn)kk=0(xπn)k]=1x2n=11πnk=1(xπn)2k1=1x2n=1k=1x2k1(πn)2k=1x2n=1k=1x2k1π2k1n2k=1x2k=1x2k1π2kζ(2k)

我们又知道

cotx=k=0(1)k4kB2k(2k)!x2k1=1x+k=1(1)k4kB2k(2k)!x2k1

也就是说

1x+k=1(1)k4kB2k(2k)!x2k1=1x2k=1x2k1π2kζ(2k)

对比等式两边x2k1的系数即得

ζ(2k)=(1)k4kB2kπ2k2(2k)!=22k1|B2k|π2k(2k)!

我们也就推出了ζ(2k)的通项

ζ(2k)=22k1|B2k|π2k(2k)!

代入k的前几个值

ζ(2)=π26ζ(4)=π490ζ(6)=π6945ζ(8)=π89450ζ(10)=π1093555ζ(12)=691π12638512875