Clausen-Funktion

mathematische Funktion

In der Mathematik ist die Clausen-Funktion (nach Thomas Clausen) durch das folgende Integral definiert:

Graph der Clausen-Funktion (rot) und (grün)

Allgemeine Definition

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Allgemeiner definiert man für komplexe   mit  :

 

Diese Definition kann auf der gesamten komplexen Ebene analytisch fortgesetzt werden.

Verallgemeinerte Definition

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Beispiele von Glaisher-Clausen Funktionen im Intervall  .
 
Beispiele von Standard-Clausen Funktionen im Intervall  .

Eine verallgemeinerte Definition der Clausen-Funktionen für lautet:

 [1]

Clausen Funktionen der Form   sind Glaisher-Clausen Funktionen (nach James Whitbread Lee Glaisher) und   sind Standard-Klausen Funktionen.

Beziehung zum Polylogarithmus

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Die Clausen-Funktion steht in Beziehung zum Polylogarithmus:

 .

Kummers Beziehung

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Ernst Kummer und Rogers führen folgende für   gültige Beziehung an:

 

Beziehung zu den Dirichlet L-Funktionen

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Für rationale Werte von   kann die Funktion   als periodischer Orbit eines Elementes einer zyklischen Gruppe aufgefasst werden. Folglich kann   als einfache Summe aufgefasst werden, welche die hurwitzsche Zeta-Funktion beinhaltet. Das erlaubt es, Beziehungen zwischen bestimmten dirichletschen L-Funktionen einfach zu berechnen.

Die Clausen-Funktion als eine Regularisierungs-Methode

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Die Clausen-Funktion kann auch als Methode betrachtet werden, um folgenden divergenten Fourier-Reihen eine Bedeutung zu geben:

 

was mit   bezeichnet werden kann. Durch Integration erhält man:

 

Dieses Ergebnis kann durch analytische Fortsetzung für alle negativen   verallgemeinert werden.

Reihenentwicklung

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Eine Reihenentwicklung für die Clausen-Funktion (für  ) ist

 

  ist dabei die riemannsche Zeta-Funktion. Eine schneller konvergierende Reihe ist

 

Die Konvergenz wird dadurch sichergestellt, dass   für große   schnell gegen 0 konvergiert.

Spezielle Werte

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Allgemeine Spezielle Fälle

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Einige Spezialfälle sind gegeben durch:[2]

 

(für  )

Weitere Spezialfälle sind:

 

wobei   der Polylogarithmus ist,

 

für   wobei   das Arkustangensintegral ist,

 

 

wobei   Barnessche G-Funktion und   die Gammafunktion ist,

 [3],

wobei   der verallgemeinerte Logsinus   ist

 

wobei   die dirichletsche Beta-Funktion ist.

Spezifische Fälle

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Einige spezielle Werte sind:

 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
  und
 

wobei K die catalansche Konstante ist.

Literatur

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  • Leonard Lewin (Hrsg.): Structural Properties of Polylogarithms. American Mathematical Society, Providence (RI) 1991, ISBN 0-8218-4532-2 (englisch).
  • Jonathan M. Borwein, David M. Bradley, Richard E. Crandall: Computational Strategies for the Riemann Zeta Function. In: J. Comp. App. Math. Band 121, 2000, S. 11 (englisch, maths.ex.ac.uk [PDF; 526 kB]).

Einzelnachweise

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  1. Eric W. Weisstein: Clausen Function. Abgerufen am 15. Februar 2023 (englisch).
  2. Eric W. Weisstein: Clausen Function. Abgerufen am 15. Februar 2023 (englisch).
  3. Eric W. Weisstein: Log Sine Function. Abgerufen am 15. Februar 2023 (englisch).