El polilogaritmo (también conocido como función de Jonquière) es una función especial definida por la siguiente serie:
Esta no es, en general, una función elemental, aunque esté relacionada con la función logarítmica. La definición dada arriba es válida para todo número complejos y z tal que . Para obtener el polilogaritmo en el resto del plano complejo, hay que extender la definición mediante una continuación analítica.
Varias funciones polilogarítmicas en el plano complejo
El caso especial nos da la relación de estas funciones con el logaritmo () mientras que los casos especiales y se denominan dilogaritmo (o función de Spence) y trilogaritmo respectivamente. El nombre de la función proviene del hecho de que podría ser definida como integrales iteradas de la misma función:
así, el dilogaritmo es una integral del logaritmo, el trilogaritmo del dilogaritmo y así continuamente. Para valores enteros negativos de s, el polilogaritmo es una función racional.
En el caso en el que el parámetro s sea un entero, este estará representado por n (o -n cuando sea negativo). Suele ser conveniente definir donde es la rama principal del logaritmo complejo, de tal manera que . Además, toda exponencialización se considerará univaluada: .
Dependiendo del parámetro s, el polilogaritmo puede ser multivaluado. La rama principal del polilogaritmo se escoge que sea aquella para la que sea real para y sea continua excepto en el eje positivo real, donde hay un corte en el intervalo tal que el corte coloca a los puntos del eje real en el semiplano inferior de z. En término de , la rama principal está definida para aquellos valores de tales que . El hecho de que el polilogaritmo sea discontinuo en puede dar lugar a confusión.
Para z real y z ≥ 1, la parte imaginaria del polilogaritmo es:
Si se atraviesa el corte, esto es, tomando un parámetro infinitesimal δ positivo y real, entonces se tiene:
Las derivadas del polilogaritmo son:
Distintos valores
Para valores enteros de s, se tienen las siguientes relaciones explícitas:
Para todos los valores negativos de s, se puede expresar el polilogaritmo como un cociente de polinomios en z, siendo por tanto funciones racionales. Algunos valores de polilogaritmos para argumentos semienteros son:
donde ζ es la función zeta de Riemann. No se conocen fórmulas similares para mayores órdenes.
Esta integral converge para y para todo z exceptuando los z reales y ≥ 1. En este contexto se suele llamar al polilogaritmo integral de Bose o integral de Bose-Einstein.
Esta integral converge para y para todo z exceptuando los z reales menores que -1. En este contexto se suele llamar al polilogaritmo integral de Fermi o integral de Fermi-Dirac.
El polilogaritmo puede ser también representado por una integral de contorno. Mientras que el polo t = μ del integrando no caiga en el eje real no negativo y , se tiene:
donde H representa un contorno de Hanker. El integrando tiene un corte en el eje real desde el cero hasta el infinito, encontrándose el eje real en el semiplano inferior (es decir, siendo alcanzable el eje real desde el semiplano inferior de forma continua y desde el semiplano superior de forma discontinua). Para el caso en el que μ es real y no negativo, podemos simplemente añadir la contribución del polo:
La cual puede ser porbada usando la definición mediante series de la función polilogarítmica y la ortogonalidad de los términos exponenciales (véase transformada discreta de Fourier).
El polilogaritmo se puede escribir como una serie de funciones de Debye:
Otra expresión bastante similar relaciona la función de Debye con el polilogaritmo:
Representaciones en forma de serie
Se puede representar al polilogaritmo como una serie de potencias en torno a como sigue: Comenzemos con la transformada de Mellin siguiente:
El cambio de variables , transforma a la integral doble en una integral separable:
Para tenemos, usando la transformada inversa de Mellin:
donde c es una constante situada a la derecha de los polos del integrando. El camino de integración puede deformarse en un contorno cerrado, y los polos del integrando son los de la función gamma en y el polo de la función zeta de Riemann situado en . Sumando estos residuos, para y
Si el parámetro s es un entero positivo n, tanto el término como la función gamma se hacen infinito, aunque su suma no. Para enteros se tiene:
y para :
Así, para , donde n es un entero positivo y , se tiene lo siguiente:
El término problemático contiene a el cual, cuando se multiplica por tiende a cero cuando μ tiende a cero, excepto en el caso en el que . Esto refleja el hecho de que el polilogaritmo contiene una singularidad logarítmica cuando y , entonces:
Usando la relación existente entre la función zeta de Riemann y los números de Bernoulli:
se obtiene, para órdenes s negativos enteros del polilogaritmo y :
Como, exceptuando , todos los números de Bernoulli con índice impar son cero, se obtiene el término usando .
Como se ha dicho anteriormente, el polilogaritmo puede ser extendido a valores negativos del parámetro s usando una integral de contorno:
donde H es el contorno de Hankel, , y el polo del integrando no cae en el eje no negativo real. El contorno de Hanker puede deformarse para que contenga los polos del integrando en y la integral puede ser evaluada como la suma de los residuos de los polos que contenga con la fórmula integral de Cauchy.
Esto se cumplirá para y para todo μ excepto cuando . Sumando estas series se obtiene:
Para enteros negativos s, el polilogaritmo puede representarse como una serie que contiene a los números Eulerianos (no confundir con los números de Euler).
donde son los números Eulerianos.
Otra fórmula explícita para enteros negativos s es:
Es inmediato que esta igualdad se cumple en los casos y , y es fácilmente verificable por diferenciación ∂/∂x ∂/∂y. Para la identidad se reduce a la fórmula de reflexión de Euler:
donde se ha usado .
Haciendo el cambio de variables , , la identidad de Abel se transforma así:
,
llamándose a esta la Identidad Pentagonal.
Nota histórica:Don Zagier remarcó que "El dilogaritmo es la única función matemática con sentido del humor."
Escaleras de polilogaritmos
Leonard Lewin descubrió una generalización de varias relaciones clásicas para valores especiales del polilogaritmo, estas son las escaleras de polilogaritmoseee. Sea el recíproco del número áureo. Entonces, dos ejemplos de estas relaciones son los siguientes:
El polilogaritmo tiene dos puntos de ramificación, uno en y otro en . El segundo punto (el situado en ) no es visible en la hoja principal del polilogaritmo. Este sólo se hace visible cuando el polilogaritmo es extendido mediante continuación analítica a sus otras hojas. El grupo de monodromía para el polilogaritmo consiste en las clases de homotopía de los caminos que rodean los puntos de ramificación. Denotando a estos puntos como y , el grupo de monodromía tiene la siguiente representación de grupo:
Para el caso especial de dilogaritmo, se tiene además que , y el grupo de monodromías es el grupo de Heisenberg (identificando y con ).
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