Bourbaki

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。

§ 2。三角函数函数和伯努利数的欧拉展开

1. 欧拉展开 OF cot⁡z\cot z

通过VI、p. 275、数bn/n!b_n / n!的公式(20),是S/(eS−1)S/(e^S - 1)的展开中的系数作为*形式*级数;我们将在这个截面中证明,函数z/(ez−1)z/(e^z - 1)等于C\mathbf{C}中0的邻域上绝对收敛的整个级数的和;从VI、p. 280的引理可以得出,这个级数的系数是数bn/n!b_n / n!,从中我们可以推导出伯努利数bnb_n的估计。

首先我们注

zez−1=−z2+z2ez+1ez−1=−z2+iz2cot⁡iz2. \frac{z}{e^z - 1} = - \frac{z}{2} + \frac{z}{2} \frac{e^z + 1}{e^z - 1} = - \frac{z}{2} + \frac{iz}{2} \cot \frac{iz}{2}.
(1)

我们将获得以下cot⁡z\cot z的级数展开,对于π\pi的每个zz而不是整数倍数有效。

命题 1 08IC

对于每个复数* zz 和每个整数 nn *一个有

sin⁡nz=2n−1sin⁡zsin⁡(z+πn)sin⁡(z+2πn)…sin⁡(z+(n−1)πn). \sin nz = 2^{n-1} \sin z \sin \left(z + \frac{\pi}{n}\right) \sin \left(z + \frac{2\pi}{n}\right) \ldots \sin \left(z + \frac{(n-1)\pi}{n}\right).
(2)

确实,可以写

sin⁡nz=eniz−e−niz2i=e−niz(e2niz−1)2i=e−niz(e2iz−1)(e2iz−e−2iπ/n)…(e2iz−e−2(n−1)iπ/n)2i=Asin⁡zsin⁡(z+πn)sin⁡(z+2πn)…sin⁡(z+(n−1)πn) \sin nz = \frac{e^{niz} - e^{-niz}}{2i} = \frac{e^{-niz}(e^{2niz} - 1)}{2i} = \frac{e^{-niz}(e^{2iz} - 1)(e^{2iz} - e^{-2i\pi/n}) \ldots (e^{2iz} - e^{-2(n-1)i\pi/n})}{2i} = A \sin z \sin \left( z + \frac{\pi}{n} \right) \sin \left( z + \frac{2\pi}{n} \right) \ldots \sin \left( z + \frac{(n-1)\pi}{n} \right)

哪里

A=(2i)n−1e−iπn(1+2+…+(n−1))=(2i)n−1e−i(n−1)π2=2n−1. A = (2i)^{n-1} e^{-\frac{i\pi}{n}(1+2+\ldots+(n-1))} = (2i)^{n-1} e^{-i(n-1)\frac{\pi}{2}} = 2^{n-1}.

推出 1 08ID

每整数 n 人拥有*

sin⁡πnsin⁡2πn…sin⁡(n−1)πn=n2n−1. \sin \frac{\pi}{n} \sin \frac{2\pi}{n} \ldots \sin \frac{(n-1)\pi}{n} = \frac{n}{2^{n-1}}.
(3)

只要将(2)两边的除除以sin⁡z\sin z即可,并且让zz趋于0。

推出 2 08IE

对于每个奇数整数 n=2m+1n = 2m + 1,以及每个复数 zz,使得 nznz 不是 π\pi 的积分倍数,有一个*

cot⁡nz=(−1)mcot⁡zcot⁡(z+πn)…cot⁡(z+(n−1)πn). \cot nz = (-1)^m \cot z \cot \left( z + \frac{\pi}{n} \right) \ldots \cot \left( z + \frac{(n-1)\pi}{n} \right).
(4)

事实上,(2) 中 sin⁡n(z+π2)=sin⁡(nz+π2+mπ)=(−1)mcos⁡nz\sin n \left( z + \frac{\pi}{2} \right) = \sin \left( nz + \frac{\pi}{2} + m\pi \right) = (-1)^m \cos nz、从而、替换 zz 乘以 z+π2z + \frac{\pi}{2},

cos⁡nz=(−1)m2n−1cos⁡zcos⁡(z+πn)…cos⁡(z+(n−1)πn) \cos nz = (-1)^m 2^{n-1} \cos z \cos \left( z + \frac{\pi}{n} \right) \ldots \cos \left( z + \frac{(n-1)\pi}{n} \right)
(5)

公式 (2) 和 (5) 当 sin⁡nz≠0\sin nz \neq 0 时,逐项除法得到 (4)。

在接下来的所有内容中,我们将始终假设 n=2m+1n = 2m + 1 是奇数整数; 公式 (4) 也可以写成

cot⁡nz=(−1)m∏k=−mmcot⁡(z−kπn). \cot nz = (-1)^m \prod_{k=-m}^{m} \cot \left( z - \frac{k\pi}{n} \right).

或者,一个人有

cot⁡(z−kπn)=1+tan⁡ztan⁡kπntan⁡z−tan⁡kπn \cot \left( z - \frac{k\pi}{n} \right) = \frac{1 + \tan z \tan \frac{k\pi}{n}}{\tan z - \tan \frac{k\pi}{n}}

对于 tan z 有限;因此,cot nznz 是 u=tan⁡zu = \tan z 中的有理数函数,其分子为次数 n−1n - 1,其分母为次数 nn,具有 nn 简单根 tan⁡kπ/n\tan k\pi / n;将其分解为简单的分数产量

cot⁡nz=∑k=−mmAku−tan⁡kπn \cot nz = \sum_{k=-m}^{m} \frac{A_k}{u - \tan \frac{k\pi}{n}}

哪里

Ak=lim⁡z→kπ/ncot⁡nz(tan⁡z−tan⁡kπn)=lim⁡z→kπ/ncos⁡nzsin⁡nzsin⁡(z−kπn)cos⁡zcos⁡kπn A_k = \lim_{z \to k\pi/n} \cot nz \left( \tan z - \tan \frac{k\pi}{n} \right) = \lim_{z \to k\pi/n} \frac{\cos nz}{\sin nz} \frac{\sin \left( z - \frac{k\pi}{n} \right)}{\cos z \cos \frac{k\pi}{n}}
=lim⁡h→0cos⁡nhcos⁡kπncos⁡(h+kπn)sin⁡hsin⁡nh=1ncos⁡2kπn = \lim_{h \to 0} \frac{\cos nh}{\cos \frac{k\pi}{n} \cos \left( h + \frac{k\pi}{n} \right)} \frac{\sin h}{\sin nh} = \frac{1}{n \cos^2 \frac{k\pi}{n}}

从而,将 (6) 相应的中的项分离到 k=0k = 0 并将项相应的组合到 kk 的相对值,以及替换 zz z/nz/n,

cot⁡z=1ntan⁡zn+∑k=1m2ntan⁡zncos⁡2kπn(ntan⁡zn)2−(nsin⁡kπn)2 \cot z = \frac{1}{n \tan \frac{z}{n}} + \sum_{k=1}^{m} \frac{2n \tan \frac{z}{n}}{\cos^2 \frac{k\pi}{n} \left( n \tan \frac{z}{n} \right)^2 - \left( n \sin \frac{k\pi}{n} \right)^2}

对于每个复数 zz 有效,而不是 π/2\pi/2 的积分倍数。可以将公式写成形式

cot⁡z=1ntan⁡zn+∑k=1∞vk(n,z) \cot z = \frac{1}{n \tan \frac{z}{n}} + \sum_{k=1}^{\infty} v_k(n, z)

vk(n,z)=0v_k(n, z) = 0 为 k>mk > m 且

vk(n,z)=2ntan⁡zncos⁡2kπn(ntan⁡zn)2−(nsin⁡kπn)2 v_k(n, z) = \frac{2n \tan \frac{z}{n}}{\cos^2 \frac{k\pi}{n} \left( n \tan \frac{z}{n} \right)^2 - \left( n \sin \frac{k\pi}{n} \right)^2}

对于1≤k≤m1 \leq k \leq m。我们将看到,对于C\mathbf{C}的紧凑子集 K中包含的每个zz,而不是包含π\pi的任何积分倍数,并且对于每个足够大奇数nn,级数与一般项 vk(n,z)v_k(n, z) 通常是收敛的。事实上,由于nn趋于+∞+\infty,tan⁡zn\tan \frac{z}{n}在K上一致趋于zn\frac{z}{n},因此存在数M>0M > 0,使得每个足够大mm和每个z∈Kz \in K都有∣ntan⁡zn∣≤M\left| n \tan \frac{z}{n} \right| \leq M。另一方面,对于0≤x≤π/20 \leq x \leq \pi/2,有sin⁡x/x≥1−x26≥12\sin x / x \geq 1 - \frac{x^2}{6} \geq \frac{1}{2},因此对于1≤k≤m1 \leq k \leq m,有nsin⁡kπn≥kπ/2n \sin \frac{k\pi}{n} \geq k\pi/2;因而,当mm为足够大时,对于每一个整数kk,使得kπ/2>Mk\pi /2 > M有一个∣vk(n,z)∣≤8Mk2π2−4M2|v_k(n, z)| \leq \frac{8M}{k^2 \pi^2 - 4M^2},这就证明了我们的断言。对于 kk 奇数,vk(n,z)v_k(n, z) 趋向于(在 K 上一致)2zz2−k2π2\frac{2z}{z^2 - k^2 \pi^2},因为 nn 趋于 +∞+\infty。因而:

定理 1 08IF

对于每个复数zz,不是π\pi的整数倍数,有一个

被以下引用 1

被以下引用 § 2. 。三角函数函数和伯努利数的欧拉展开

cot⁡z=1z+∑n=1∞2zz2−n2π2 \cot z = \frac{1}{z} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2z}{z^2 - n^2 \pi^2}

(右侧的级数通常收敛于每个紧凑子集K⊂CK \subset \mathbf{C},而不是包含任何π\pi的整数倍数(cot⁡z\cot z的欧拉展开)。)

2. 欧拉展开 OF sin⁡z\sin z

对于 VI、p. 283 的每个 奇数 整数 n=2m+1n = 2m + 1 和复数 zz 公式 (2),可以写成

sin⁡nz=(−1)m2n−1∏k=−mmsin⁡(z−kπn) \sin nz = (-1)^m 2^{n-1} \prod_{k=-m}^{m} \sin \left( z - \frac{k\pi}{n} \right)
=(−1)m2n−1sin⁡z∏k=1msin⁡(z−kπn)sin⁡(z+kπn). = (-1)^m 2^{n-1} \sin z \prod_{k=1}^{m} \sin \left( z - \frac{k\pi}{n} \right) \sin \left( z + \frac{k\pi}{n} \right).

现在,一个人有sin⁡(z−kπn)sin⁡(z+kπn)=sin⁡2z−sin⁡2kπn\sin \left( z - \frac{k\pi}{n} \right) \sin \left( z + \frac{k\pi}{n} \right) = \sin^2 z - \sin^2 \frac{k\pi}{n},并且,通过(3)(VI,284),∏k=1msin⁡2kπn=n2n−1\prod_{k=1}^{m} \sin^2 \frac{k\pi}{n} = \frac{n}{2^{n-1}},从而,在替换zz通过z/nz/n,

sin⁡z=nsin⁡zn∏k=1m(1−sin⁡2znsin⁡2kπn). \sin z = n \sin \frac{z}{n} \prod_{k=1}^{m} \left( 1 - \frac{\sin^2 \frac{z}{n}}{\sin^2 \frac{k\pi}{n}} \right).

我们可以将这个公式写为sin⁡z=nsin⁡zn∏k=1m(1−wk(n,z))\sin z = n \sin \frac{z}{n} \prod_{k=1}^{m} (1 - w_k(n, z)),如果k>mk > m则写为wk(n,z)=0w_k(n, z) = 0,对于1≤k≤m1 \leq k \leq m则写为wk(n,z)=sin⁡2znsin⁡2kπnw_k(n, z) = \frac{\sin^2 \frac{z}{n}}{\sin^2 \frac{k\pi}{n}}。我们将看到,对于C\mathbf{C}的紧凑子集KK中包含的每个zz,以及对于nn奇数,级数与一般项wk(n,z)w_k(n, z)*通常收敛*。事实上,由于nn趋向于+∞+\infty,nsin⁡znn \sin \frac{z}{n}在KK上一致趋于zz,因此存在数M>0M > 0,使得∣nsin⁡zn∣≤M\left| n \sin \frac{z}{n} \right| \leq M对于每个整数nn和每个z∈Kz \in K。此外,我们在证明中看到了。 VI、p. 286 中的 1 个,其中 1≤k≤m1 \leq k \leq m 一个有 nsin⁡kπn≥kπ2n \sin \frac{k \pi}{n} \geq \frac{k \pi}{2};因此,对于每个整数kk,使得kπ/2≥Mk \pi / 2 \geq M有∣wk(n,z)∣≤4M2/k2π2|w_k(n, z)| \leq 4M^2 / k^2 \pi^2,这证明了我们的断言。因为,对于每个固定的 kk,wk(n,z)w_k(n, z) 趋向于(在 K 上统一)z2/k2π2z^2 / k^2 \pi^2,而 nn 趋向于 +∞+\infty,因此可以看出:

定理 2 08IG

每有复数 zz 就有

sin⁡z=z∏n=1∞(1−z2n2π2) \sin z = z \prod_{n=1}^{\infty} \left( 1 - \frac{z^2}{n^2 \pi^2} \right)

右边的无穷乘积绝对一致地收敛于C\mathbf{C}的每个紧致子集(sin⁡z\sin z的欧拉展开)。

3. 应用于伯努利数

定理 1 of VI, p. 286,表明对于 0≤x<π0 \leq x < \pi,级数与一般项

2xn2π2−x2≥0 \frac{2x}{n^2 \pi^2 - x^2} \geq 0

收敛。另一方面,对于每个复数zz,可以写出∣z∣<π|z| < \pi,

2zn2π2−z2=2zn2π2∑k=0∞z2kn2kπ2k \frac{2z}{n^2 \pi^2 - z^2} = \frac{2z}{n^2 \pi^2} \sum_{k=0}^{\infty} \frac{z^{2k}}{n^{2k} \pi^{2k}}

右边的级数绝对收敛。由此我们可以推断出“双”级数

∑n=1∞∑k=1∞−2z2k−1n2kπ2k \sum_{n=1}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{-2z^{2k-1}}{n^{2k} \pi^{2k}}

在开盘∣z∣<π|z| < \pi中绝对收敛,通常收敛于该盘中包含的每个紧集,并且具有和cot⁡z−1z\cot z - \frac{1}{z}。事实上,对于∣z∣≤a<π|z| \leq a < \pi,(11)的一般项的绝对值至多等于2a2k−1/n2kπ2k2a^{2k-1} / n^{2k} \pi^{2k},并且项2a2k−1/n2kπ2k2a^{2k-1} / n^{2k} \pi^{2k}的任何有限数的和小于有限数 ∑n=1∞2an2π2−a2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2a}{n^2 \pi^2 - a^2};首先对kk求和,然后对nn求和,可以看到级数(11)的和等于∑n=1∞2zz2−n2π2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2z}{z^2 - n^2 \pi^2},这证明了我们的叙述。

如果现在一个和级数 (11) 首先超过 nn 然后超过 kk 一个获得恒等式(对于 ∣z∣<π|z| < \pi)

cot⁡z−1z=−2∑k=1∞S2kπ2kz2k−1 \cot z - \frac{1}{z} = -2 \sum_{k=1}^{\infty} \frac{S_{2k}}{\pi^{2k}} z^{2k-1}

我们放置Sk=∑n=1∞1nkS_k = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^k}的地方。通过 (1) (VI, p. 283),对于 ∣z∣<2π|z| < 2\pi 从而,我们得到公式

b2n=(−1)n−1(2n)!2S2n(2π)2nfor n≥1, b_{2n} = (-1)^{n-1} (2n)! \frac{2 S_{2n}}{(2\pi)^{2n}} \quad \text{for } n \geq 1,

公式特别表明数 S2n/π2nS_{2n}/\pi^{2n} 是*有理数*。显然 Sk+1≤SkS_{k+1} \leq S_k 因此,对于每个整数 k≥2k \geq 2,我们有 Sk≤S2=π2/6≤2S_k \leq S_2 = \pi^2/6 \leq 2;从 (14) 推导出以下伯努利不等式数

2(2n)!(2π)2n≤∣b2n∣≤4(2n)!(2π)2nfor n≥1. \frac{2 (2n)!}{(2\pi)^{2n}} \leq |b_{2n}| \leq 4 \frac{(2n)!}{(2\pi)^{2n}} \quad \text{for } n \geq 1.

从这些不等式中,我们可以推导出伯努利多项式的估计值

Bn(x)=∑k=0n(nk)bkxn−k; in particular, for 0≤x≤1 one has B_n(x) = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} b_k x^{n-k}; \text{ in particular, for } 0 \leq x \leq 1 \text{ one has}
∣Bn(x)∣≤4∑k=0n(nk)k!(2π)k=4n!(2π)n∑k=0n(2π)kk!≤4e2πn!(2π)n. |B_n(x)| \leq 4 \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} \frac{k!}{(2\pi)^k} = 4 \frac{n!}{(2\pi)^n} \sum_{k=0}^n \frac{(2\pi)^k}{k!} \leq 4 e^{2\pi} \frac{n!}{(2\pi)^n}.

习题

参见习题为 § 2。

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。