33
$\开始组$

问题

数值计算普通合伙人(首先是默认的38位数精度,然后是三倍)支持以下推测$$\int_0^\输入x\,[J_0(x)]^5\,dx=\裂缝{\伽马(1/15)\,\伽马{8\sqrt{5}\,\pi^4}=\压裂{2}{\sqrt{5}\,\伽玛射线(7/15)\,\γ射线(11/15)\,\Gamma(13/15)$$[通过恒等式$\Gamma(x)\Gamma(1-x)=\pi/\sin(\pi x)$;困难的部分是证明它们中的任何一个等于定积分。

这是一个已知的公式吗?

如果不是,是否值得制定并编写证据?

动机:概述

这两者之间有一个众所周知的类比克鲁斯特曼总和至素模量,$$K(a,b;p)=\sum_{x=1}^{p-1}\exp(2\pi i(ax+bx^{-1})/p)$$($x^{-1}$是$x\bmodp$的倒数)和贝塞尔函数$$J_0(2\sqrt{ab})=\frac1\pi\int_0^{\infty}\sin(ax+bx^{-1})\,\frac{dx}{x}$$[格拉德斯坦和Ryzhik3.868 #1].当$a,b\neq 0\bmod p$时,Kloosterman和不是初等的,但很容易看出它只依赖于$ab\bmodp$。

现在考虑$m=1,2,3,\ldots$第$m$-次幂矩$$M_M(p):=\sum_{c=1}^{p-1}[K(c,1;p)]^M=\frac1\p-1}\sum_{a=1}^{p-1}\sum_{b=1}^}[K(a,b;p)]^m。$$这个$M_M(p)$是由$M\leq 4$的一个初等公式给出的,但$M_5(p)$涉及对特定K3曲面$X(5)\bmod p$上的点进行计数。这表明类似的贝塞尔积分$\int_0^\infty x[J_0(x)]^5,dx$可能与实数成正比周期共$X(5)$。这个K3曲面具有最大的Picard秩(它是“奇异的”),并且具有真实的周期这样一个表面的厚度应该与伽马函数的乘积成正比用分母除以Neron-Severi判别式的有理数进行计算表面的。这里这个判别词是$15$,普通合伙人的函数林德普很快就想出了一个候选公式将积分与伽马积联系起来。

动机:细节

我们可以通过添加来计算$M_M(p)$$(p-1)M_M(p)$的双和公式以及$a、b的$2p-1$选项$其中$ab=0$。这将使总和增加$(p-1)^{m-1}+2(-1)^m$。然后将$[K(a,b;p)]^m$展开为非零$x_1,\ldots,x_m$上的和$\exp(2\pi i(\sum_{j=1}^m ax_j+bx_j^{-1})/p)$,并切换求和的顺序,求$p^2$乘以点数投影曲面上坐标非零的$(x_1:x_2:\cdots:x_m)$$$X(m):=\sum_{j=1}^mx_j=\sum_{j=1}^mX_j^{-1}=0$$在射影$(m-2)$-空间中{\bf P}^{m-1}\mid\sum_{j=1}^m x_j=0\}$中的$\{(x_1:x_2:\cdots:x_m)。因此$$M_p(M)=p^2\#(X(M)\bmod p)-((p-1)^{M-1}+2(-1)^M)。$$例如,当$m=4$时,此变体是三条线的并集$x_1+x_2=x_3+x_4=0$,$x_1+x_3=x_2+x_4=0$和$x_1+x_4=x_2+x_3=0$,我们发现$M_4(p)=2p^3-3p^2-3p-1$,顺便提一下给出了每个$|K(c,1;p)|<(2p^3)^{1/4}$的初等证明。

下一种情况,$m=5$,是第一种情况,其中$X(m)\bmod p$不是初等的。原来$X(5)$是一个开放子集详细研究了K3曲面中的($20$有理曲线的补充)在报纸上

Christiaan Peters、Jaap Top和Marcel van der Vlugt:K3曲面的Hasse zeta函数与Melas代码中重量为5的单词数相关。J.reine angew。数学。(克雷尔的J。)432(1992), 151-176.

根据他们的分析$$M_5(p)=(-3/p)4p^3+5p^2+4p+1$$如果$(-15/p)=-1$,而如果$(-15/p)=+1$,则$M_5(p)$由一个更复杂的公式,涉及$4p$as的分解$m^2+15n^2$或$5m^2+3n^2$。“幻数”$-15$出现在Neron-Severi格上交对的判别式表面的。

现在K3表面$X(5)$与Kummer表面同质$(E\times E)/\{\pm 1\}$其中$E$有$\sqrt{-15}$的复数乘法,因此$X(5)$的实际周期应在$E$实际期间的平方,这个正方形是一个元素因子$\Gamma(1/15)\、\Garma(2/15)\、\ Gamma。另一方面,$M_5$的贝塞尔函数模拟为$\int_0^\infty[J_0(2\sqrt{c})]^5\,dc=\frac12\int_0^\infty x,[J_0(x)]^5,dx$。这个积分收敛缓慢,但振荡渐近的膨胀$J_0(x)$表明可以加速收敛把它写成交替求和$\int_0^\infty=\sum_{n=0}^\inffy\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}$和使用普通合伙人的内置例程学号苏门答腊.确实是命令

I5=总和(n=0,intnum(x=n*Pi,(n+1)*Pi、x*besselj(0,x)^5))

需要几秒钟才能返回0.32993380106006405903979065228695296470,再过几分钟,将精度提高三倍,达到100位数以上。然后

lindep(对数([I5,2,5,Pi,prod(i=0.3,gamma(2^i/15))])

找到与系数$(-2,-6,-1,-8,2)$的关系,得出第一等效形式$$\int_0^\输入x\,[J_0(x)]^5\,dx=\裂缝{\伽马(1/15)\,\伽马{8\sqrt{5}\,\pi^4}$$关于我们对定积分的猜想。

那么还有什么问题?

我想我基本上知道如何证明这个公式,但即使我已经诚实地将积分与$X(5)$的实际周期联系起来跟踪转换序列中的周期的重要任务$X(5)$到$E\乘以E$,从而获得与伽玛乘积的关系。所以我很高兴知道这个公式可能已经知道了通过超几何变换公式而不是直接操作真实周期的。(就其价值而言,Gradshteyn-Ryzhik有很多这类积分最多有三个贝塞尔函数的乘积,但只有少数人有四个(6.579),没有人有五个或更多。)如果公式未知,是否有任何原因(超越上述启发)将其视为一种好奇因此值得花费精力构建一个完整的证明吗?

$\端组$
4
  • 1
    $\开始组$ 令人好奇的是,这是沃森关于贝塞尔函数的论文中的一个结果,等式(8)第13.46节:如果$a_1\geqa_2\geq\cdots\geqa_m>0$和$a_1>a_2+\cdots+a_m$,那么$$\int_0^\infty x\prod_{k=1}^mJ_0(a_kx)dx=0$$ $\端组$ 2015年5月12日11:58
  • 9
    $\开始组$ 当我开始阅读这个问题时,我的第一反应是输入一条评论:“问诺姆·艾尔基斯”,但随后我阅读了整个问题……:-D类 $\端组$ 2015年5月12日13:07
  • $\开始组$ 更广泛地说,与之直接相关的还有沃森的《贝塞尔函数论》第419-421页 $\端组$ 2015年5月12日14:07
  • $\开始组$ 谢谢,但这里似乎缺少$x$的因子,$m$Bessel函数乘积的积分表示为维数为$m-1$的超曲面的实周期,而不是像利维乌·尼古拉斯库(事实上,我看到在下一个公式(9)中,Watson用完全椭圆积分(即椭圆曲线的实周期)计算$m=4$的积分)。 $\端组$ 2015年5月12日14:30

1答案1

重置为默认值
31
$\开始组$

请参见短均匀随机游动的密度(附Don Zagier的附录)乔纳森·博文(Jonathan M.Borwein)、阿明·斯特劳布(Armin Straub)、詹姆斯·万(James Wan)和瓦迪姆·祖迪林(Wadim Zudilin),加拿大。数学杂志。第64卷(5),2012年,第961-990页。http://cms.math.ca/10.4153/CJM-2011-079-2

你的积分是方程式(2.1)中的$p_4(1)$。他们用超几何函数写它(对$p_4$这样做是本文的主要结果之一),OEIS参考https://oeis.org/A244995按照定理5.1中给出的$\Gamma$-乘积进行概述(其中提到$\eta$-模块性和Chowla-Selberg以获得这一点)。

根据随机游动的概率重新表述积分是由于:J.C.Kluyver,局部概率问题《荷兰皇家艺术与科学学院学报》,第8 I期,1905年,第341-350页。http://www.dwc.knaw.nl/DL/publications/PU00013859.pdf

$\端组$
7
  • 8
    $\开始组$ 这是通过使用搜索引擎搜索“Gamma(1/15)”和“Gamma(2/15)”,然后根据OEIS结果找到的。互联网数学处于最佳状态!如果你给出了十进制展开式,也许我可以搜索它。。。 $\端组$ 2015年5月12日10:34
  • $\开始组$ 做了给出十进制展开式0.32993380106006405903979065228695296470,并在发布问题之前搜索它(以及截断和简单倍数)。。。 $\端组$ 2015年5月12日13:49
  • 2
    $\开始组$ 在谷歌上搜索0.329933801060064059,结果正好是两次点击,都是“三步和四步随机行走积分”(2010年,前三位作者)。DuckDuckGo与之类似。 $\端组$ 2015年5月12日14:21
  • 5
    $\开始组$ 我想我很幸运(第一次尝试时)就选择了这种截断,因为其他方法都不管用。 $\端组$ 2015年5月12日14:43
  • 5
    $\开始组$ ……如果我试过0.3299338011,我就会直接找到Borwein-Straub-Wan-Zudilin纸。。。 $\端组$ 2015年5月12日17:28

你的答案

单击“发布您的答案”,表示您同意我们的服务条款并确认您已阅读我们的隐私政策.

不是你想要的答案吗?浏览标记的其他问题问你自己的问题.