Constant de Catalan

En matemàtiques, la constant de Catalan (denotada K (en aquest article),  G (per exemple, Borwein et al. 2004, p. 49), o C (Wolfram Language)), anomenada així en honor del matemàtic franco-belga Eugène Charles Catalan, és el nombre definit per:

K = β ( 2 ) = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n ( 2 n + 1 ) 2 = 1 1 2 − 1 3 2 + 1 5 2 − 1 7 2 + 1 9 2 − ⋯ {\displaystyle K=\beta (2)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)^{2}}}={\frac {1}{1^{2}}}-{\frac {1}{3^{2}}}+{\frac {1}{5^{2}}}-{\frac {1}{7^{2}}}+{\frac {1}{9^{2}}}-\cdots }

on β {\displaystyle \beta } és la funció beta de Dirichlet.

El seu valor numèric és aproximadament:[1]

K = 0 , 915965594177219015054603514932384110774... {\displaystyle K=0,915965594177219015054603514932384110774...} (seqüència A006752, OEIS)

No se sap si K {\displaystyle K} és irracional, i molt menys transcendent.[2]

Concretament, la constant de Catalan es defineix com el valor numèric de la següent integral:

1 2 ∫ 0 1 K ( k )   d k = 1 2 ∫ k = 0 1 ∫ θ = 0 π / 2 d θ   d k 1 − k 2 sin 2 ⁡ θ = 1 1 2 − 1 3 2 + 1 5 2 − ⋯ = 0 , 915965594... {\displaystyle {\frac {1}{2}}\int _{0}^{1}K(k)\ dk={\frac {1}{2}}\int _{k=0}^{1}\int _{\theta =0}^{\pi /2}{\frac {d\theta \ dk}{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\theta }}}={\frac {1}{1^{2}}}-{\frac {1}{3^{2}}}+{\frac {1}{5^{2}}}-\dots =0,915965594...}

on K ( k ) {\displaystyle K(k)\;} és la integral el·líptica de primera espècie.

La sèrie similar, però aparentment més complicada

∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n ( 2 n + 1 ) 3 = 1 1 3 − 1 3 3 + 1 5 3 − 1 7 3 + 1 9 3 − ⋯ {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)^{3}}}={\frac {1}{1^{3}}}-{\frac {1}{3^{3}}}+{\frac {1}{5^{3}}}-{\frac {1}{7^{3}}}+{\frac {1}{9^{3}}}-\cdots }

es pot avaluar exactament i val π 3 / 32 {\displaystyle \pi ^{3}/32} .

Identitats integrals

Algunes identitats que impliquen integrals definides inclouen:

K = ∬ [ 0 , 1 ] 2 1 1 + x 2 y 2 d x d y K = ∫ 1 ∞ ln ⁡ t 1 + t 2 d t K = − ∫ 0 1 ln ⁡ t 1 + t 2 d t K = ∫ 0 π 4 t sin ⁡ t cos ⁡ t d t K = 1 4 ∫ − π 2 π 2 t sin ⁡ t d t K = ∫ 0 π 4 ln ⁡ cot ⁡ t d t K = − ∫ 0 π 4 ln ⁡ tan ⁡ t d t K = 1 2 ∫ 0 π 2 ln ⁡ ( sec ⁡ t + tan ⁡ t ) d t K = ∫ 0 1 arccos ⁡ t 1 + t 2 d t K = ∫ 0 1 arsinh ⁡ t 1 − t 2 d t K = ∫ 0 ∞ arctan ⁡ e − t d t K = 1 2 ∫ 0 ∞ t cosh ⁡ t d t K = π 2 ∫ 1 ∞ ( t 4 − 6 t 2 + 1 ) ln ⁡ ln ⁡ t ( 1 + t 2 ) 3 d t K = 1 + lim α → 1 − { ∫ 0 α ( 1 + 6 t 2 + t 4 ) arctan ⁡ t t ( 1 − t 2 ) 2 d t + 2 arctanh ⁡ α − π α 1 − α 2 } K = 1 − 1 8 ∬ R 2 x sin ⁡ ( 2 x y / π ) ( x 2 + π 2 ) cosh ⁡ x sinh ⁡ y d x d y {\displaystyle {\begin{aligned}K&=\iint _{[0,1]^{2}}\!{\frac {1}{1+x^{2}y^{2}}}\,dx\,dy\\[3pt]K&=\int _{1}^{\infty }{\frac {\ln t}{1+t^{2}}}\,dt\\[3pt]K&=-\int _{0}^{1}{\frac {\ln t}{1+t^{2}}}\,dt\\[3pt]K&=\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}{\frac {t}{\sin t\cos t}}\,dt\\[3pt]K&={\tfrac {1}{4}}\int _{-{\frac {\pi }{2}}}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {t}{\sin t}}\,dt\\[3pt]K&=\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\ln \cot t\,dt\\[3pt]K&=-\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\ln \tan t\,dt\\[3pt]K&={\tfrac {1}{2}}\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\ln(\sec t+\tan t)\,dt\\[3pt]K&=\int _{0}^{1}{\frac {\arccos t}{\sqrt {1+t^{2}}}}\,dt\\[3pt]K&=\int _{0}^{1}{\frac {\operatorname {arsinh} t}{\sqrt {1-t^{2}}}}\,dt\\[3pt]K&=\int _{0}^{\infty }\arctan e^{-t}\,dt\\[3pt]K&={\tfrac {1}{2}}\int _{0}^{\infty }{\frac {t}{\cosh t}}\,dt\\[3pt]K&={\frac {\pi }{2}}\int _{1}^{\infty }{\frac {(t^{4}-6t^{2}+1)\ln \ln t}{(1+t^{2})^{3}}}\,dt\\[3pt]K&=1+\lim _{\alpha \to {1^{-}}}\!\left\{\int _{0}^{\alpha }\!{\frac {(1+6t^{2}+t^{4})\arctan {t}}{t(1-t^{2})^{2}}}\,dt+2\operatorname {arctanh} {\alpha }-{\frac {\pi \alpha }{1-\alpha ^{2}}}\right\}\\[3pt]K&=1-{\frac {1}{8}}\iint _{\mathbb {R} ^{2}}\!\!{\frac {x\sin(2xy/\pi )}{\,(x^{2}+\pi ^{2})\cosh x\sinh y\,}}\,dxdy\end{aligned}}}

on les últimes tres fórmules estan relacionades amb les integrals de Malmsten.[3]

Si K ( k ) {\displaystyle K(k)} és la integral el·líptica completa de primera espècia, com a funció del mòdul el·líptic k {\displaystyle k} , llavors

K = 1 2 ∫ 0 1 K ( k ) d k {\displaystyle K={\tfrac {1}{2}}\int _{0}^{1}\mathrm {K} (k)\,dk}

Amb la funció gamma Γ ( x + 1 ) = x ! {\displaystyle \Gamma (x+1)=x!}

K = π 4 ∫ 0 1 Γ ( 1 + x 2 ) Γ ( 1 − x 2 ) d x = π 2 ∫ 0 1 2 Γ ( 1 + y ) Γ ( 1 − y ) d y {\displaystyle {\begin{aligned}K&={\frac {\pi }{4}}\int _{0}^{1}\Gamma \left(1+{\frac {x}{2}}\right)\Gamma \left(1-{\frac {x}{2}}\right)\,dx\\&={\frac {\pi }{2}}\int _{0}^{\frac {1}{2}}\Gamma (1+y)\Gamma (1-y)\,dy\end{aligned}}}

La integral

K = Ti 2 ⁡ ( 1 ) = ∫ 0 1 arctan ⁡ t t d t {\displaystyle K=\operatorname {Ti} _{2}(1)=\int _{0}^{1}{\frac {\arctan t}{t}}\,dt}

és una funció especial coneguda, anomenada integral tangent inversa, i estudiada àmpliament per Srinivasa Ramanujan.

Usos

K {\displaystyle K} apareix en combinatòria, així com en valors de la segona funció poligamma, també anomenada funció trigamma, a arguments fraccionaris:

ψ 1 ( 1 4 ) = π 2 + 8 K ψ 1 ( 3 4 ) = π 2 − 8 K . {\displaystyle {\begin{aligned}\psi _{1}\left({\tfrac {1}{4}}\right)&=\pi ^{2}+8K\\\psi _{1}\left({\tfrac {3}{4}}\right)&=\pi ^{2}-8K.\end{aligned}}}

Simon Plouffe ofereix una col·lecció infinita d'identitats entre la funció trigamma, π 2 {\displaystyle \pi ^{2}} i la constant de Catalan; aquestes es poden expressar com a camins en un graf.

En la topologia en dimensions baixes, la constant de Catalan és un múltiple racional del volum d'un octàedre hiperbòlic ideal i, per tant, del volum hiperbòlic del complement de la baula de Whitehead.[4]

També apareix en relació amb la distribució hiperbòlica secant.

Relació amb altres funcions especials

La constant de Catalan es produeix amb freqüència en relació amb la funció de Clausen, la integral tangent inversa, la integral de sinus inversa, la funció G-Barnes, així com les integrals i les sèries que es poden sumar en funció de les funcions esmentades.

Com a exemple concret, expressant primer la integral tangent inversa en la seva forma tancada (en termes de funcions Clausen) i després expressant les funcions Clausen en termes de la funció G-Barnes, s'obté la següent expressió (vegeu la funció de Clausen per a més informació) :

K = 4 π log ⁡ ( K ( 3 8 ) K ( 7 8 ) K ( 1 8 ) K ( 5 8 ) ) + 4 π log ⁡ ( Γ ( 3 8 ) Γ ( 1 8 ) ) + π 2 log ⁡ ( 1 + 2 2 ( 2 − 2 ) ) {\displaystyle K=4\pi \log \left({\frac {K\left({\frac {3}{8}}\right)K\left({\frac {7}{8}}\right)}{K\left({\frac {1}{8}}\right)K\left({\frac {5}{8}}\right)}}\right)+4\pi \log \left({\frac {\Gamma \left({\frac {3}{8}}\right)}{\Gamma \left({\frac {1}{8}}\right)}}\right)+{\frac {\pi }{2}}\log \left({\frac {1+{\sqrt {2}}}{2\left(2-{\sqrt {2}}\right)}}\right)} .

Si es defineix el transcendent de Lerch Φ ( z , s , α ) {\displaystyle \Phi (z,s,\alpha )} (relacionat amb la funció zeta de Lerch) per

Φ ( z , s , α ) = ∑ n = 0 ∞ z n ( n + α ) s , {\displaystyle \Phi (z,s,\alpha )=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{(n+\alpha )^{s}}},}

llavors

K = 1 4 Φ ( − 1 , 2 , 1 2 ) . {\displaystyle K={\tfrac {1}{4}}\Phi \left(-1,2,{\tfrac {1}{2}}\right).}

Sèries de convergència ràpida

Les dues fórmules següents impliquen sèries de convergència ràpida i, per tant, són adequades per al càlcul numèric:

K = 3 ∑ n = 0 ∞ 1 2 4 n ( − 1 2 ( 8 n + 2 ) 2 + 1 2 2 ( 8 n + 3 ) 2 − 1 2 3 ( 8 n + 5 ) 2 + 1 2 3 ( 8 n + 6 ) 2 − 1 2 4 ( 8 n + 7 ) 2 + 1 2 ( 8 n + 1 ) 2 ) − − 2 ∑ n = 0 ∞ 1 2 12 n ( 1 2 4 ( 8 n + 2 ) 2 + 1 2 6 ( 8 n + 3 ) 2 − 1 2 9 ( 8 n + 5 ) 2 − 1 2 10 ( 8 n + 6 ) 2 − 1 2 12 ( 8 n + 7 ) 2 + 1 2 3 ( 8 n + 1 ) 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}K&=3\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{4n}}}\left(-{\frac {1}{2(8n+2)^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}(8n+3)^{2}}}-{\frac {1}{2^{3}(8n+5)^{2}}}+{\frac {1}{2^{3}(8n+6)^{2}}}-{\frac {1}{2^{4}(8n+7)^{2}}}+{\frac {1}{2(8n+1)^{2}}}\right)-\\&\qquad -2\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{12n}}}\left({\frac {1}{2^{4}(8n+2)^{2}}}+{\frac {1}{2^{6}(8n+3)^{2}}}-{\frac {1}{2^{9}(8n+5)^{2}}}-{\frac {1}{2^{10}(8n+6)^{2}}}-{\frac {1}{2^{12}(8n+7)^{2}}}+{\frac {1}{2^{3}(8n+1)^{2}}}\right)\end{aligned}}}

i

K = π 8 log ⁡ ( 2 + 3 ) + 3 8 ∑ n = 0 ∞ 1 ( 2 n + 1 ) 2 ( 2 n n ) . {\displaystyle K={\frac {\pi }{8}}\log \left(2+{\sqrt {3}}\right)+{\frac {3}{8}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{(2n+1)^{2}{\binom {2n}{n}}}}.}

Els fonaments teòrics d'aquesta sèrie es donen per Broadhurst, per a la primera fórmula,[5] i Ramanujan, per a la segona fórmula.[6] Els algorismes per a l'avaluació ràpida de la constant de Catalan van ser construïts per E. Karatsuba.[7][8]

Dígits coneguts

El nombre de dígits coneguts de la constant de Catalan (K) ha augmentat de manera espectacular durant les últimes dècades. Això es deu tant a l'augment de rendiment de les computadores com a les millores algorítmiques.[9]

Nombre de dígits decimals coneguts de la constant de Catalan
Data Dígits decimals Càlcul realitzat per...
1832 16 Thomas Clausen
1858 19 Carl Johan Danielsson Hill
1864 14 Eugène Charles Catalan
1877 20 James W. L. Glaisher
1913 32 James W. L. Glaisher
1990 20.000 Greg J. Fee
1996 50.000 Greg J. Fee
1996 (14 d'agost) 100.000 Greg J. Fee i Simon Plouffe
1996 (29 de setembre) 300.000 Thomas Papanikolaou
1996 1.500.000 Thomas Papanikolaou
1997 3.379.957 Patrick Demichel
1998 (4 de gener) 12.500.000 Xavier Gourdon
2001 100.000.500 Xavier Gourdon i Pascal Sebah
2002 201.000.000 Xavier Gourdon i Pascal Sebah
2006 (octubre) 5.000.000.000 Shigeru Kondo i Steve Pagliarulo[10]
2008 (agost) 10.000.000.000 Shigeru Kondo i Steve Pagliarulo[11]
2009 (31 de gener) 15.510.000.000 Alexander J. Yee i Raymond Chan[12]
2009 (16 d'abril) 31.026.000.000 Alexander J. Yee i Raymond Chan[12]
2015 (7 de juny) 200.000.001.100 Robert J. Setti[13]
2016 (12 d'abril) 250.000.000.000 Ron Watkins[13]
2019 (16 de febrer) 300.000.000.000 Tizian Hanselmann[13]
2019 (29 de març) 500.000.000.000 Mike A i Ian Cutress[13]

Referències

  1. ↑ Papanikolaou, Thomas. «Catalan's Constant to 1,500,000 Places» (en anglès). Gutenberg.org, Març 1997.
  2. ↑ Nesterenko, Yu. V. «On Catalan's constant» (en anglès). Proceedings of the Steklov Institute of Mathematics, 292(1), Gener 2016, pàg. 153–170. DOI: 10.1134/s0081543816010107.
  3. ↑ Iaroslav, Blagouchine «Rediscovery of Malmsten's integrals, their evaluation by contour integration methods and some related results» (en anglès). The Ramanujan Journal, 35, 2014, pàg. 21-110. Arxivat de l'original el 2018-10-02. DOI: 10.1007/s11139-013-9528-5 [Consulta: 26 juny 2019]. Arxivat 2018-10-02 a Wayback Machine.
  4. ↑ Agol, Ian «The minimal volume orientable hyperbolic 2-cusped 3-manifolds» (en anglès). Proceedings of the American Mathematical Society, 138(19), 2010, pàg. 3723–3732. DOI: 10.1090/S0002-9939-10-10364-5. «arxic. 0804.0043»
  5. ↑ Broadhurst, D. J.. Polylogarithmic ladders, hypergeometric series and the ten millionth digits of ζ(3) and ζ(5) (en anglès), 1998. «math.CA/9803067» 
  6. ↑ Berndt, B. C.. Ramanujan's Notebook, Part I (en anglès). Springer Verlag, 1985. 
  7. ↑ Karatsuba, E. A. «Fast evaluation of transcendental functions» (en anglès). Probl. Inf. Transm., 27(4), 1991, pàg. 339–360. «zbl. 0754.65021»
  8. ↑ Karatsuba, E. A.. Scientific Computing, Validated Numerics, Interval Methods (en anglès), 2001, p. 29–41. «Fast computation of some special integrals of mathematical physics» 
  9. ↑ ; Sebah, P.«Constants and Records of Computation».
  10. ↑ «Shigeru Kondo's website». Arxivat de l'original el 2008-02-11. [Consulta: 31 gener 2008].
  11. ↑ Constants and Records of Computation
  12. ↑ 12,0 12,1 Large Computations
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 13,3 Catalan's constant records using YMP

Bibliografia

  • Adamchik, V. «Integral and Series Representations for Catalan's Constant» (en anglès). Arxivat de l'original el 2011-09-15. [Consulta: 26 juny 2019].
  • Adamchik, V. «Thirty-Three Representations of Catalan's Constant» (en anglès).
  • Flajolet, P.; Vardi, I. «Zeta Function Expansions of Classical Constants» (en anglès), 1996.
  • Lupas, A. «Proceedings of ROGER-2000. Formulae for Some Classical Constants» (PDF) (en anglès), 2000. Arxivat de l'original el 2008-04-16. [Consulta: 26 juny 2019].
  • Mc Laughlin, J. «An Integral for Catalan's Constant» (en anglès), 27-09-2007.
  • Plouffe, S. «Table of Current Records for the Computation of Constants» (en anglès). Arxivat de l'original el 2013-05-31. [Consulta: 26 juny 2019].
  • Rivoal, T.; Zudilin, W. «Diophantine Properties of Numbers Related to Catalan's Constant» (PDF) (en anglès). Math. Ann., 326, 2003, pàg. 705-721. Arxivat de l'original el 2011-01-13 [Consulta: 26 juny 2019].Arxivat 2011-01-13 a Wayback Machine.
  • Zudilin, W. «An Apéry-Like Difference Equation for Catalan's Constant» (en anglès). Electronic J. Combinatorics p. 1-10, 2003.

Vegeu també

Enllaços externs

  • Michiel Hazewinkel (ed.). Catalan constant. Encyclopedia of Mathematics (en anglès). Springer, 2001. ISBN 978-1-55608-010-4. 
  • Catalan's Constant — from Wolfram MathWorld
  • Catalan's Constant (Ramanujan's Formula)
  • catalan's constant — www.cs.cmu.edu