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リーマンゼータ関数の特殊値

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複素平面上のリーマンゼータ関数。点 s における色が ζ (s) の値を表しており、濃いほど 0 に近い。色調はその値の偏角を表しており、例えば正の実数は赤である。s = 1 における白い点は極であり、実軸の負の部分および臨界線 Re s = 1/2 上の黒い点は零点である。
ベルンハルト・リーマン

リーマンゼータ関数の特殊値(リーマンゼータかんすうのとくしゅち、英: Particular values of the Riemann zeta function)とは、数学におけるリーマンゼータ関数(英: Riemann zeta function)に整数を代入した際の値のことをいう。これはリーマンゼータ値(英: Riemann zeta value)とも呼ばれる[注釈 1]。

ゼータ関数は複素解析に頻繁に登場する特殊関数であるが、解析的整数論においても重要な関数である。ゼータ関数は、実部が 1 より真に大きい複素数 s と自然数 n に対して、

で定義される関数 ζ のことをいい[1]、例えば s = 2 とすると、

のような級数が提供される。特に、整数引数に対してゼータ関数がとる値についてはこの例も含めすべて実数値をもち、さらに数値計算に効率のよい公式が存在する。この記事では、これらの公式を値の表とともに列挙し、その微分と整数引数でのゼータ関数からなる級数も記述する。

ゼータ関数は、s = 1 における一位の極を除き解析接続によって複素平面全体に拡張される。しかしながら、上の定義式は解析接続された s に対しては無効であり、直に計算を試みると対応する和が発散する。例えば、ゼータ関数において s = −1 のとき、

となるが、これを上の定義式で計算すると、

となって発散級数となる。以下に列挙するゼータ関数の特殊値は負の偶数に対する特殊値も含み、これは恒等的に ζ (s) = 0 であり、いわゆる自明な零点となる。

自然数に対する特殊値

正の偶数に対する特殊値

1644年、イタリアのピエトロ・メンゴリ(イタリア語版、ドイツ語版)によって以下の問題が提起された。この問題は、解決に挑んだ数学者の多くがバーゼルの生まれであったことから、バーゼル問題と呼ばれる。

バーゼル問題 ― 以下の級数:

は収束するか。収束するならばその値はいくつか。

レオンハルト・オイラー

バーゼル問題は、スイスのレオンハルト・オイラーによって初めて解決された。オイラーは、三角関数のテイラー級数およびその無限乗積の x2 の項の展開係数を比較することで、

となることから、

が成り立つことを示した。さらにオイラーの研究はバーゼル問題にとどまることはなく、より一般の場合の研究に努め、任意の自然数 n に対して、

が成り立つことも示した[2][3]。ただし、ここで B2n は 2n 番目のベルヌーイ数である。

この公式により、正の偶数に対する特殊値を容易く計算することができる。しかるに n = 1 から小さい順に n = 10 まで計算してみると、

となる。またその近似値は、以下の表に示す通りである。

正の偶数に対する特殊値の近似値
ζ (2n)近似値OEIS
ζ (2)1.64493 40668 48226 43647...A013661
ζ (4)1.08232 32337 11138 19151...A013662
ζ (6)1.01734 30619 84449 13971...A013664
ζ (8)1.00407 73561 97944 33937...A013666
ζ (10)1.00099 45751 27818 08533...A013668
ζ (12)1.00024 60865 53308 04829...A013670
ζ (14)1.00006 12481 35058 70482...A013672
ζ (16)1.00001 52822 59408 65187...A013674
ζ (18)1.00000 38172 93264 99983...A013676
ζ (20)1.00000 09539 62033 87279...A013678

この表からもわかるように、ゼータ関数は s → ∞ の極限で ζ (s) → 1 である。すなわち、

である。また、自然数 n に対して、

を満たすように an と bn を定める。ただし、ここで an と bn は任意の自然数 n に対して常に自然数をとるものとする。すると、このとき an と bn の n = 1 から n = 20 までの挙動は以下の表に示す通りである。

係数
nanbn
161
2901
39451
494501
5935551
6638512875691
7182432252
83256415662503617
93897929548012543867
101531329465290625174611
1113447856940643125155366
12201919571963756521875236364091
13110944819760305781251315862
145646536601700762736718756785560294
1556608788046690826740700156256892673020804
16624902205710223412072664062507709321041217
1712130454581433748587292890625151628697551
182077797756186658858648762866204492187526315271553053477373
192403467618492375776343276883984375308420411983322
2020080431172289638826798401128390556640625261082718496449122051

さらに cn = bn/an と定めると、偶数に対する特殊値はより簡単に、

とかくことができる。するとこのとき、

なる漸化式が存在することがわかる。この漸化式は、ベルヌーイ数を効率的に求める漸化式に基づいている。また、特殊値の係数ではなく、ゼータ関数についての漸化式も存在する。余接関数の微分:

およびその部分分数分解による表現:

を用いれば、

が容易に導かれる[4]。ただし、ここで n > 1 である。

正の奇数に対する特殊値

ゼータ関数は Re s > 1 なる複素数 s に対して定義される関数であるが、その定義式に s = 1 を代入すると、

となって調和級数に一致する。調和級数は、古くにおいては収束すると考えられていたが、今日においては発散することが知られている。しかしこれはコーシーの主値は存在し、

である。ただし、ここで γ はオイラーの定数である[5]。

また、正の偶数に対する特殊値はベルヌーイ数を用いる形で一般化されたが、正の奇数に対する特殊値は簡潔な形で表すことができないことが知られている。例えば、ゼータ関数に s = 3 を代入した実数 ζ (3) はアペリーの定数として知られ、様々な積分表示や級数表示が発見されているものの、簡単な形で表すことができない。また ζ (3) は無理数であることがわかっている。この主張をアペリーの定理という。また、正の偶数に対する特殊値が常に無理数となることはその一般化された公式を見れば一目瞭然である一方、正の奇数に対する特殊値がすべて無理数であるかどうかは現在もまだわかっていないが、すべて無理数ではないかと予想されている[6]。以下の表にその近似値を示す。

正の奇数に対する特殊値の近似値
ζ (2n + 1)近似値OEIS
ζ (1)--
ζ (3)1.20205 69031 59594 28539...A02117
ζ (5)1.03692 77551 43369 92633...A013663
ζ (7)1.00834 92773 81922 82683...A013665
ζ (9)1.00200 83928 26082 21441...A013667
ζ (11)1.00049 41886 04119 46455...A013669
ζ (13)1.00012 27133 47578 48914...A013671
ζ (15)1.00003 05882 36307 02049...A013673
ζ (17)1.00000 76371 97637 89976...A013675
ζ (19)1.00000 19082 12716 55393...A013677

アペリーの定数をはじめとした正の奇数に対する特殊値には様々な積分表示や級数表示が与えられており、それらを計算する場合はゼータ関数の定義式を利用するのではなく、別の収束速度の速い公式を利用することが多い。

ζ (3)

ζ (5)

ζ (2n + 1)

正の奇数 n に対して、

なる級数を定めるとき、ζ (3) や ζ (5) で見られたような一連の級数は次の形で定式化される。

ただし、ここで An 、Bn 、Cn および Dn は、任意の正の奇数 n に対して常に自然数をとるものとする。ここでの Bn はベルヌーイ数とは異なる。すると、このとき An 、Bn 、Cn および Dn の n = 3 から n = 19 までの挙動は以下の表に示す通りである。

係数
nAnBnCnDn
318073600
514705302484
756700191134000
9185238906253712262474844
1142567525014538513505000
132574321758951492672062370
15390769879500136877815397590000
1719044170077432506758333380886313167360029116187100
19214386125140687507708537428772250281375000

これらの整数はベルヌーイ数の和として表現することができる。任意の整数引数に対するゼータ関数の高速計算アルゴリズムは、アナトリー・カラツバ(英語版)によって与えられている[7][8][9]。

負の整数に対する特殊値

微分の特殊値

脚注

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