| 특수함수 Special Functions | ||
| {{{#!wiki style="margin: 0 -10px -5px; min-height: calc(1.5em + 5px)" {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="letter-spacing: -1px" {{{#!wiki style="margin: -5px -1px -11px; word-break: keep-all" | [math(^\ast)] 특수함수가 아니라 특정 조건을 만족시키는 다항함수이지만, 편의상 이곳에 기술했다. | |
| <colbgcolor=#383B3D> 적분 | 오차함수(error function)(가우스 함수 · 가우스 적분 함수) · 베타 함수(불완전 베타 함수) · 감마 함수(불완전 감마 함수 · 로그 감마 함수) · 타원 적분 · 야코비 타원 함수 · 지수 적분 함수 · 로그 적분 함수 · 삼각 적분 함수 · 쌍곡선 적분 함수 · 프레넬 적분 함수 · 구데르만 함수 | |
| 미분방정식 | 르장드르 함수[math(^\ast)] (구면 조화 함수) · 베셀 함수 · 에르미트 함수 · 라게르 함수 · 에어리 함수 | |
| 역함수 | 브링 근호 · 람베르트 W 함수 · 역삼각함수 | |
| 급수 | 제타 함수 · 후르비츠 제타 함수 · 세타 함수 · 초기하함수 · 폴리로그함수 · 폴리감마 함수 · 바이어슈트라스 타원 함수 | |
| 정수론 | 소수 계량 함수 · 소인수 계량 함수 · 뫼비우스 함수 · 최대공약수 · 최소공배수 · 약수 함수 · 오일러 피 함수 · 폰 망골트 함수 · 체비쇼프 함수 · 바쁜 비버 함수 | |
| 기타 | 헤비사이드 계단 함수 · 부호 함수 · 테트레이션(무한 지수 탑 함수) · 지시함수 · 바닥함수 / 천장함수 · 허수지수함수 · 혹 함수 | |
| |
| 복소평면에 나타낸 [math(a=1/3)]일 때 후르비츠 제타 함수의 그래프 |
1. 개요
Hurwitz zeta function후르비츠 제타 함수는 제타 함수의 일반화 중 하나로, 1882년 독일의 수학자 아돌프 후르비츠(Adolf Hurwitz)가 제안하였다. 이 함수는 [math(\textrm{Re}(s)> 1)]에서 다음과 같이 정의된다.
[math(\displaystyle
\zeta(s,a) = \sum_{n=0}^\infty \frac1{(n+a)^s}
)]
이 함수는 절대수렴하며, [math(s=1)]를 제외한 부분에서 유리형 함수로 해석적 확장을 할 수 있다.
2. 성질
[math({\rm Re}(s)> 1)]이고 [math({\rm Re}(a)> 0)]일 때 다음이 성립한다.[math(\displaystyle
\zeta(s,a) = \frac1{\Gamma(s)} \int_0^\infty \frac{x^{s-1}e^{-ax}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}x
)]
유도 방법은 다음과 같다.
[math(\displaystyle \begin{aligned} \zeta(s,a) \,\Gamma(s) &= \sum_{n=0}^\infty \frac1{(n+a)^s} \int_0^\infty x^s e^{-x} \frac{{\rm d}x}x = \sum_{n=0}^\infty \int_0^\infty y^s e^{-(n+a)y} \frac{{\rm d}y}y \\ &= \int_0^\infty \sum_{n=0}^\infty y^s e^{-(n+a)y} \frac{{\rm d}y}y = \int_0^\infty \frac{x^{s-1}e^{-ax}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}x \\ \therefore \zeta(s,a) &= \frac1{\Gamma(s)} \int_0^\infty \frac{x^{s-1}e^{-ax}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}x \end{aligned} )] |
위의 적분식에 복소선적분을 사용하면 다음과 같이 해석적 확장을 할 수 있다.
[math(\displaystyle
\zeta(s,a) = -\Gamma(1-s) \frac1{2\pi i} \int_C \frac{(-z)^{s-1}e^{-az}}{1-e^{-x}} \,{\rm d}z
)]
여기서 적분 경로 [math(C)]는 한켈 경로[1]이다. 또한 [math(s=1)]에서 단순극을 가지고 그 유수는 1이다.
리만 제타함수와 마찬가지로 후르비츠 제타함수에도 함수 방정식이 있다.
[math(\displaystyle \begin{aligned} \zeta(1-s,a) = \frac{\Gamma(s)}{(2\pi)^s} \Biggl( e^{-\pi is/2} \sum_{n=1}^\infty \frac{e^{2\pi ina}}{n^s} +e^{\pi is/2} \sum_{n=1}^\infty \frac{e^{-2\pi ina}}{n^s} \Biggr) \end{aligned} )] |
[math(\displaystyle \begin{aligned} \zeta \biggl( 1-s, \frac mn \biggr) = \frac{2\Gamma(s)}{(2\pi n)^s} \sum_{k=1}^n \biggl[ \cos \biggl( \frac{\pi s}2 -\frac{2\pi km}n \biggr) \zeta \biggl( s, \frac kn \biggr) \biggr] \end{aligned} )] |
또한, 후르비츠 제타함수는 다음 급수로 표현될 수 있다.
[math(\displaystyle \begin{aligned} \zeta(s,a) = \frac1{s-1} \sum_{n=0}^\infty \frac1{n+1} \sum_{k=0}^n (-1)^k \binom nk (a+k)^{1-s} \end{aligned} )] |
[math(\displaystyle \begin{cases} \begin{aligned}
\frac{\partial}{\partial a} \zeta(s,a) &= -s \,\zeta(s+1,a) \\
\biggl. \frac{\partial}{\partial s} \zeta(s,a) \biggr|_{s=0} &= \log \Gamma(a) -\frac12 \log{2\pi}
\end{aligned} \end{cases} )]
또한, 감마함수와 관련하여 다음을 만족시킨다.
[math(\displaystyle
\psi^{(m)}(z) = (-1)^{m+1} m! \cdot \zeta(m+1,z)
)]
3. 특수한 값
[math(n = 0, -1, -2, \cdots)]일 때 다음이 성립한다.[math(\displaystyle
\zeta(-n,a) = -\frac{B_{n+1}(a)}{n+1}
)]
여기서 [math(B)]는 베르누이 다항식이다.
[1] 복소평면에서 [math(+\infty)]에서 양의 실수축을 따라 원점에서 반시계 방향으로 돌아 다시 [math(+\infty)]까지 양의 실수축을 따라가는 경로