научная статья по теме БЫСТРЫЕ АППРОКСИМАЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЕОРЕТИКО-ЧИСЛОВЫХ КОНСТАНТ Математика

Текст научной статьи на тему «БЫСТРЫЕ АППРОКСИМАЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЕОРЕТИКО-ЧИСЛОВЫХ КОНСТАНТ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 2, с. 137-140

= МАТЕМАТИКА =

УДК 517.521.15+519.651.1

БЫСТРЫЕ АППРОКСИМАЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЕОРЕТИКО-ЧИСЛОВЫХ КОНСТАНТ

© 2015 г. Е. А. Карацуба

Представлено академиком РАН Ю.И. Журавлевым 17.06.2014 г. Поступило 18.11.2014 г.

БОТ: 10.7868/80869565215140042

На основе применения метода быстрого вычисления трансцендентных функций БВЕ (см. [1—11]) автором были построены быстрые алгоритмы вычисления дзета-констант, т.е. значений дзета-функции Римана ^(у) при целом аргументе у = п, п > 2 (см. [4, 6, 7]). Доказанная сложность вычисления близка к оптимальной. При этом использовалась либо известная эйлерова формула (см. [4]) значений дзета-функции ^(у) при четном аргументе у = 2п с участием коэффициентов Бер-нулли В2п:

,2я - 1 2

Z(2n) =

2n I n П |B2

( 2 n)!

z

k = 0

П + 1

(1)

Bk = 0, Bo = 1;

либо выведенная автором (см. [6, 7]) новая формула для ^(п) при любом целом п, п > 2:

nn

Z( n) = (П-1^ z (-1)i-1(i -1

(2)

i = 1

где

G = Z

ki + к2 + ■■■ + kn = i

k + 2 + ■.. + nkn = n

n!

n (jkj

k,\k2\... k,\и jJ

j = 1

Jj = Sj + 0-2

-N

S = z

i=0

(- 1)iN + 1 z j!

(i + 1)! „(i + 1 )m(j- m)!

m = 0 v 7

lnj - mN,

|0| < 1, r > 4N, N> 2nlog22n, n > 2, 1 < j < n.

С помощью метода БВЕ дзета-константы вычисляются по формулам (1), (2) с точностью 2-N за

O ( M( N) log2 N)

(3)

битовых операций, где Ы(Ы) — близкая к оптимальной сложность произведения двух ^-знач-ных чисел.

С другой стороны, в отличие от (1) формула (2) не дает непосредственного ответа на вопрос об арифметической структуре дзета-констант, так что вопрос об иррациональности значений дзета-функции Римана при любом нечетном аргументе остается открытым. Исключение составляет дзета-константа ^(3), иррациональность которой была доказана Апери (см. [12]). При этом Апери использовал быстро сходящийся к ^(3) знакопеременный ряд рациональных дробей (впервые эта формула была получена Марковым, см. [13]):

z(3) = 2z

(-И

k -1

2 - (2к *

В настоящей работе решается задача построения быстрых аппроксимаций дзета-констант рациональными дробями. Имеет место

Тео р е ма 1. Для любого целого к, к > 1, справедливы следующие соотношения для значений дзета-функции Римана четного и нечетного аргументов:

Z( 2k) = Zk + 2 z

(- 1 )n

(2n\ 2 — n

n=kI Jn m=o"

1 n J

k - 1 D P

z -^f-T-,, (4)

/ ' 2k - 2m - 2

Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской Академии наук, Москва E-mail: ekar@ccas.ru

Z( 2k + 1) = Zk + 2 z

(2n\ з

k I In m

k - 1 z

d P

mm 2k - 2m - 2 '

(5)

n

30

r

GO

30

где

Р =

т п - q

П I

' 1, -Г, +1(п ~1<)''

^ q Jq + 1т + 1 = 0

т = 1, 2, ..., к - 1; Р0 = 1,

Бт = йт = (-1)т; т = 0, 1, 2, ..., к - 2;

к - ц л 1 2 п + 1

Бк -1 = (-1 )к -111 + -

йк -1 = (-1)

4 2п - У'

к -1 5 4,

1к = 1 + — + — + ... +-1-; к> 2;

22к 32к (к - 1 )2к

= 0,

гк = 1 + -1—. + +... + 1

22к + 1 32 к + 1

(к - 1)

2 к + 1'

к > 2;

^ = 0.

Доказательство. Схема доказательства теоремы такова. Для фиксированного к = г ряды Дирихле для

да да

«2г) = I 1' «2г + 1) = I ^

1 = 11

1 = 1

7

преобразуются и приближаются другими, более быстро сходящимися рядами, которые, в свою очередь, преобразуются и приближаются другими, еще более быстро сходящимися рядами, и этот процесс продолжается до тех пор, пока в качестве приближающего ряда не оказывается легко вычислимый ряд. При этом используются следующие комбинаторные приемы:

1) сдвиг на позицию; при р = 1, 2, 3, ... справедливо соотношение (п = 2г или п = 2г + 1)

I

1=р +

1

1 (1 - р)...(! -1 )/0 + 1 )...0+р) 1

(р + 1 )п -1( 2р + 1)!

да

+1-1-;

, 2 (I - р )■( - 11 (1 + 1 + Р )

2) преобразование рядов; при р = 0, 1, 2, ... справедливо соотношение (п = 2г или п = 2г + 1)

I

1=р + 2

1

(1 - р)...(! -1 )1п (1 + 1)...(!+р) 1

I - 2

1 2 0 - р -1 )(1 - р ).■■(! -1)1п- 2 0 + 1 ).■■(!+р )(1+р + 1)

- I

1 = р + 2

(р + 1) 2

О - р -1)(! - р)...(] -1 )1п (1 + 1).(!+р)(1+р + 1)

3) приближение (при п = 2г) быстросходящего- а также приближение (при п = 2г + 1) быстросхо-ся ряда вида

I-1-

,...2(1 - т).(1 - 1 УО + 1 ).(1 + т)

легко вычислимым рядом с известной суммой

I

1

1 = т + 2

(1 - т - 1)...(!- 1 )(1 + 1)...(! + т + 1)

1

1 _ 2 т + 3__

2 2т + 1 (2т + 2)!,

дящегося ряда вида

да

I

1

(1 - т)...(1 - 1)/(1 + 1 + т)

1 = т + 2Х

легко вычислимым рядом с известной суммой

I

1 = т + 2

1

(1 - т - 1 )...(1 - 1 )1 (1 + 1 )...(1 + т + 1)

1

(2т + 2)(2т + 2)! После N шагов таких преобразований ^(2г) или ^(2г + 1) предстают в виде суммы г быстросходя-щихся рядов, остатки которых представляют собой

q

да

да

да

>

да

БЫСТРЫЕ АППРОКСИМАЦИИ

139

знакопеременные ряды "лейбницевского" типа с монотонно убывающими по абсолютной величине и стремящимися к нулю членами, остатки которых также стремятся к нулю. Таким образом при N ^ +да получаем приближение ^(2г) или ^(2г + 1) посредством г быстросходящихся рядов.

Теорема 1 является обобщением теорем из [14], где содержатся как детальные доказательства, так и обширный список ссылок на работы других авторов, которые занимались построением аппроксимаций дзета-констант рациональными дробями. Отметим, что частные случаи соотношений (4), (5) (для ^(3), С(5) и в неполной форме для С(7)) были получены ранее другими авторами (см. [12, 13, 15]), причем на основе совершенно отличных от представленного подходов. Однако в общем виде эти соотношения прежде найдены не были.

Для того чтобы показать скорость сходимости рядов (4), (5) явно, запишем эти формулы в виде рядов по бета-функциям:

У

(;(2к) = 1к + 21-

(-1 )п 1 в и

п = к

2п

2п

(-1 )п

В (п, 1

С(2к +1) = ~гк + 21

п = к

где, как и раньше,

п - q

Р0 = 1, Рт

2п 2

2п

1

(6)

(7)

= П I (п , )2

q = 1 Л =},+1 +1(п 1'

при т > 1;

Зт +1

Бт = йт = (-1 )т при т < к - 2; Бк

1 = (-1 )к -1( 1 + 1 2 п + 1

4-1 = (-1)

4 2п - 1

к - 15 4,

к -1

Ь = 0, 1к = I — при к > 2;

Ь = 0,

к -1

^ = I

г = 1

к -1

Ь = I

г = 1

Г

- при к> 2,

п

БР

тт 2к- 2т - 2

к - 1

& = I

й Р

-т- т

2к - 2т - 2

причем

11

1^1 < -4- (а 2))

к -1

Ук| < 4 (К 2 ))к -1;

к = 1, 2, 3,

Здесь B(x, у) есть бета-функция, B(x, у) =

= Г(х)Г(у-

, где Г(x) — гамма-функция Эйлера,

Г( х + у)

xГ(x) = Г^ + 1). При этом, при п = 1, 2, 3, ..., 0 < B(п, < 2, и для значения дзета-константы

^(2) справедлива оценка 0 < ^(2) < 1.65.

Формулы (6), (7) показывают, что при фиксированном k, k > 1, ряды (4), (5) сходятся как — ,

22п

т.е. быстро. Однако единственный существующий на настоящий момент метод быстрого суммирования рядов БВЕ (см. [1—11]) можно применить здесь лишь к частному случаю, к случаю вычисления рядов (4), (5) (или (6), (7)) при k = 1. При этом сложность вычисления ^(2) и ^(3) будет иметь оценку (3). Быстрому вычислению суммы рядов (4), (5) с помощью БВЕ при любом целом k

препятствует структура Sk, 5к. Вопрос о построении быстрых алгоритмов для вычисления ^(2^, Z(2k + 1) при k = 2, 3, 4, ... по формулам (4), (5) остается открытым. Таким образом, представленный в [6, 7] метод является пока единственным способом быстрого вычисления дзета-констант ^(п) для любого п, п > 2.

Применяя аналогичную технику и аналогичные комбинаторные приемы можно вывести формулы приближения дзета-констант разнообразными знакопеременными рядами с мульти-факториалами. Рассмотрим самый простой случай с двойными факториалами. Пусть

(2п - 1)!! = 1 ■ 3 ■ 5 ■ ... ■ (2п - 1), (2п - 3)!! = = 1 ■ 3 ■ 5 ■ ... ■ (2п - 3), (4п - 1)!! = 1 ■ 3 ■ 5 ■ . ■ (4п - 1) и пусть (2п - 3)!! = 1, если п = 1.

Теорема 2. Справедливы соотношения

да

П2) = V (-1 )п -1 (((2п - 3 ) ! ! )

^ ' ^ ' ( (4п - 3)!!

п=1

(4п - 3)!! (2п - 1)

((2 п - 1 ) !!) 2 1 (4п - 1)!! 2

= I

иг

=1

2п

2 п

ВI п +

х ВI п +

1 ^К 4 п + 1)

2

4 п - 1

1 3

2,

1

(4п - 2)(2п - 1 )2 4п

(8)

$(3) = 8 I (-1)"-122(п-((п - 1)!)2 х

п=1

+

(2п - 1 )2(4п - 3)!! 4п(4п - 1)!!

== 71

(-1)

п - 1

2п

п=1

В\п^ 3) в(п, 1У+ 1

ч(2п - 1 )2

да

к

зо

к

т

0

да

0

т

т

х

Здесь В(х, у) есть бета-функция, и при п = 1, 2, 3, ...; 0 < В (л, 1) < 2, 0 < в(л, 4) < 4, 0 < В (л, 4) < \.

В [11] была доказана теорема о быстром вычислении константы Каталана О. БВЕ-алгоритм со сложностью (3) использовал быструю аппроксимацию О арифметической суммой двух знакопостоянных рядов с рациональными дробями на основе следующего утверждения.

Теорем а 3. Справедливо соотношение

_ lZ 8 "-1 ( (n - 1) ! ) 3 ( 6 n - 3

G _ 1 Y- v

4 ^ (2n - 1)!! V((4n - 3)m,)2

1

» BIn,

6П - 1 ^ _ У 4^ÍB2(n, !')(6n - 3) -

((4n - 1)!!!! )2) fl 22n +5

- B4 n, 4)( 6n -1 )j.

Здесь (4и - 1)!!!! = 3 ■ 7 ■ 11 ■ ... ■ (4n - 1), (4n - 3)!!!! = = 1 ■ 5 ■ 9 ■ ... ■ (2n - 3).

Следствие 1. Для дзета-константы Z(2) справедливо соотношение

_ 4 v 8 n -1 ( (n - 1) ! )3 ( 6 n - 3

z(2) _ 4 Y о

3 (2n

1 (2n - 1)!! V((4n - 3)!ü!)

+

6n - 1

j _ 1 У ((4n - 1)!!!!)2) 3ntl 2

да Bn,:

..2 n + 3

b2Í n, Л( 6 n - 3) +

+ B2 (n, 4)( 6 n - 1 )j.

(9)

Используя метод доказательства из [11], можно получить разные быстрые приближения дзета-константы ^(2) знакопостоянными рядами с мультифакториалами.

Теорема 4. Справедливо соотношение

да

z(2) _ 3 у-

_ 2^Т -1 ( 3 n - 1 ) ( (n - 1 ) ! ) _

_ 3 Y 3 _

n _ 1

((2n - 1)!!)3

1 V ( 3 n - 1 ) b3(n 1

_ i у : 3 n - 1 :BJ| n

3 Y 22

n _ 1 z

(10)

Поскольку из (1) следует, что Z(2) = — , то, вос-

6

пользовавшись аппроксимациями (5), (8)-(10),

можно построить БВЕ-алгоритмы вычисления со сложностью (3), т.е. со сложностью, близкой к оптимальной, также классической константы я.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 13-01-00657).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карацуба E.A. О быстром вычислении трансцендентных функций // ДАН. 1991. Т. 319. № 2. С. 278-279.

2. Карацуба E.A. Быстрое вычисление трансцендентных функций // Пробл. передачи информации. 1991. Т. 27. № 4. С. 87-110.

3. Карацуба E.A. О новом методе быстрого вычисления трансцендентных функций // УМН. 1991. Т. 46. № 2(278). С. 219-220.

4. Карацуба E.A. Быстрое вычисление Z(3) // Пробл. передачи информации. 1993. Т. 29. № 1. С. 68-73.

5. Karatsuba C.A. Fast Evaluation of Bessel Functions // Integral Transforms and Spec. Fu

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком