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    수학이 알고싶은 중고대딩들을 위한 수학 노트

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왓슨 변환(Watson transform)

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이 항목의 수학노트 원문주소

 

 

개요
  • 유수정리(residue theorem) 의 응용
  • 정수점에서의 함수의 합을 복소함수의 적분을 통하여 표현

  • 단순폐곡선 C로 둘러쌓인 도메인 D에서 정의된 해석함수 g에 대하여, 다음이 성립한다

    \frac{1}{2 \pi i}\int_{C} g(z) \pi \cot (\pi z) \, dz=\sum_{n\in D\cap \mathbb{Z}} g(n)

    여기서 \sum 는 D에 들어 있는 정수점 위의 합

  • g 가 meromorphic 함수인 경우, 우변의 합에 적당한 유수를 더하여 사용할 수 있다

  • g 가 meromorphic 함수이며, z=a_1,\cdots, a_m 에서 pole 을 가지는 경우 (a_1,\cdots, a_m 는 모두 정수가 아님을 가정)

    \lim_{N\to\infty}\sum_{n=-N}^{n=N} g(n)=-\sum_{k=1}^{m} \operatorname{Res}(a_k; g(z) \pi \cot (\pi z)

 

 

복소함수 코탄젠트의 유용한 성질

  • 코탄젠트 항목의 '복소함수 코탄젠트의 유용한 성질' 부분 참조

 

 

 

응용 1

정수가 아닌 복소수 a 를 고정하자. 다음 등식이 성립한다.

\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{4}-a^4}=\frac{1}{2a^4}-\frac{\pi \cot (\pi a)}{4 a^3}-\frac{\pi \coth (\pi a)}{4 a^3}

 

(증명)

g(z)=\frac{1}{z^4-a^4}로 두고, 원점을 중심으로 반지름이 R 인 원 C_{R}에 대하여 왓슨변환을 적용하자.

 \frac{1}{2\pi i}\oint_{C_{R}}\frac{\pi\cot(\pi z)}{z^{4}-a^4}dz=\sum_{n\leq R} \frac{1}{z^4-a^4}+\frac{\pi \cot (\pi a)}{2 a^3}+\frac{\pi \coth (\pi a)}{2 a^3}

여기서 우변에 더해진 항은 \{-a,-i a,i a,a\} 에서 \frac{\pi\cot(\pi z)}{z^{4}-a^4}유수의 합이다.

반지름을 R=n+1/2 (n\in \mathbb{N}) 형태로 잡아 크게 하면, 좌변의 적분은 0으로 수렴한다.

따라서

-\frac{1}{a^4}+2\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{4}-a^4}+\frac{\pi \cot (\pi a)}{2 a^3}+\frac{\pi \coth (\pi a)}{2 a^3}=0 를 얻는다. ■

 

 

 

응용2

\sum_{n=-\infty}^{\infty}\frac{1}{n^2+n+1}=\frac{2\pi \tanh \left(\frac{\sqrt{3} \pi }{2}\right)}{\sqrt{3}}

 

(증명)

g(z)=\frac{1}{z^2+z+1}

\pi \cot (\pi z)g(z)=\frac{\pi \cot (\pi z)}{z^2+z+1} 의 pole과 residue 를 생각하자.

z=\frac{-1\pm\sqrt{-3}}{2} 에서의 residue 는  \frac{\pi \tanh \left(\frac{\sqrt{3} \pi }{2}\right)}{\sqrt{3}} 가 된다.

왓슨변환을 적용하면,

\sum_{n=-\infty}^{\infty}\frac{1}{n^2+n+1}=\frac{2\pi \tanh \left(\frac{\sqrt{3} \pi }{2}\right)}{\sqrt{3}} 을 얻는다. ■

 

 

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