Función theta de Ramanujan

En matemáticas , particularmente en la teoría q -analógica , la función theta de Ramanujan generaliza la forma de las funciones theta de Jacobi , conservando sus propiedades generales. En particular, el triple producto de Jacobi adquiere una forma especialmente elegante al expresarse en términos de la función theta de Ramanujan. Esta función recibe su nombre del matemático Srinivasa Ramanujan .

La función theta de Ramanujan se define como

${\displaystyle f(a,b)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }a^{\frac {n(n+1)}{2}}\;b^{\frac {n(n-1)}{2}}}$

para | ab | < 1 . La identidad del triple producto de Jacobi toma entonces la forma

${\displaystyle f(a,b)=(-a;ab)_{\infty }\;(-b;ab)_{\infty }\;(ab;ab)_{\infty }.}$

Aquí, la expresión${\displaystyle (a;q)_{n}}$denota el símbolo q -Pochhammer . Las identidades que se derivan de esto incluyen:

${\displaystyle \varphi (q)=f(q,q)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }q^{n^{2}}={\left(-q;q^{2}\right)_{\infty }^{2}\left(q^{2};q^{2}\right)_{\infty }}}$

y

${\displaystyle \psi (q)=f\left(q,q^{3}\right)=\sum _{n=0}^{\infty }q^{\frac {n(n+1)}{2}}={\left(q^{2};q^{2}\right)_{\infty }}{(-q;q)_{\infty }}}$

y

${\displaystyle f(-q)=f\left(-q,-q^{2}\right)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }(-1)^{n}q^{\frac {n(3n-1)}{2}}=(q;q)_{\infty }}$

Esta última es la función de Euler , que está estrechamente relacionada con la función eta de Dedekind . La función theta de Jacobi se puede escribir en términos de la función theta de Ramanujan como:

${\displaystyle \vartheta _{00}(w,q)=f\left(qw^{2},qw^{-2}\right)}$

Tenemos la siguiente representación integral para la forma completa de dos parámetros de la función theta de Ramanujan: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}f(a,b)=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {2ae^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {1-a{\sqrt {ab}}\cosh \left({\sqrt {\log ab}}\,t\right)}{a^{3}b-2a{\sqrt {ab}}\cosh \left({\sqrt {\log ab}}\,t\right)+1}}\right]dt+\\\int _{0}^{\infty }{\frac {2be^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {1-b{\sqrt {ab}}\cosh \left({\sqrt {\log ab}}\,t\right)}{ab^{3}-2b{\sqrt {ab}}\cosh \left({\sqrt {\log ab}}\,t\right)+1}}\right]dt\end{aligned}}}$

Los casos especiales de las funciones theta de Ramanujan dadas por φ ( q )  := f ( q , q ) (secuencia A000122 en la OEIS ) y ψ ( q )  := f ( q , q ³ ) (secuencia A010054 en la OEIS ) ^{[ 2 ]} también tienen las siguientes representaciones integrales: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\varphi (q)&=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {4q\left(1-q^{2}\cosh \left({\sqrt {2\log q}}\,t\right)\right)}{q^{4}-2q^{2}\cosh \left({\sqrt {2\log q}}\,t\right)+1}}\right]dt\\[6pt]\psi (q)&=\int _{0}^{\infty }{\frac {2e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {1-{\sqrt {q}}\cosh \left({\sqrt {\log q}}\,t\right)}{q-2{\sqrt {q}}\cosh \left({\sqrt {\log q}}\,t\right)+1}}\right]dt\end{aligned}}}$

Esto conduce a varias integrales de casos especiales para constantes definidas por estas funciones cuando q  := e ^{− kπ} (cf. valores explícitos de la función theta ). En particular, tenemos que ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\varphi \left(e^{-k\pi }\right)&=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {4e^{k\pi }\left(e^{2k\pi }-\cos \left({\sqrt {2\pi k}}\,t\right)\right)}{e^{4k\pi }-2e^{2k\pi }\cos \left({\sqrt {2\pi k}}\,t\right)+1}}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}&=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {4e^{\pi }\left(e^{2\pi }-\cos \left({\sqrt {2\pi }}\,t\right)\right)}{e^{4\pi }-2e^{2\pi }\cos \left({\sqrt {2\pi }}\,t\right)+1}}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}\cdot {\frac {\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}{2}}&=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {4e^{2\pi }\left(e^{4\pi }-\cos \left(2{\sqrt {\pi }}\,t\right)\right)}{e^{8\pi }-2e^{4\pi }\cos \left(2{\sqrt {\pi }}\,t\right)+1}}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}\cdot {\frac {\sqrt {1+{\sqrt {3}}}}{2^{\frac {1}{4}}3^{\frac {3}{8}}}}&=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {4e^{3\pi }\left(e^{6\pi }-\cos \left({\sqrt {6\pi }}\,t\right)\right)}{e^{12\pi }-2e^{6\pi }\cos \left({\sqrt {6\pi }}\,t\right)+1}}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}\cdot {\frac {\sqrt {5+2{\sqrt {5}}}}{5^{\frac {3}{4}}}}&=1+\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {4e^{5\pi }\left(e^{10\pi }-\cos \left({\sqrt {10\pi }}\,t\right)\right)}{e^{20\pi }-2e^{10\pi }\cos \left({\sqrt {10\pi }}\,t\right)+1}}\right]dt\end{aligned}}}$

y eso

${\displaystyle {\begin{aligned}\psi \left(e^{-k\pi }\right)&=\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {\cos \left({\sqrt {k\pi }}\,t\right)-e^{\frac {k\pi }{2}}}{\cos \left({\sqrt {k\pi }}\,t\right)-\cosh {\frac {k\pi }{2}}}}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}\cdot {\frac {e^{\frac {\pi }{8}}}{2^{\frac {5}{8}}}}&=\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {\cos \left({\sqrt {\pi }}\,t\right)-e^{\frac {\pi }{2}}}{\cos \left({\sqrt {\pi }}\,t\right)-\cosh {\frac {\pi }{2}}}}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}\cdot {\frac {e^{\frac {\pi }{4}}}{2^{\frac {5}{4}}}}&=\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {\cos \left({\sqrt {2\pi }}\,t\right)-e^{\pi }}{\cos \left({\sqrt {2\pi }}\,t\right)-\cosh \pi }}\right]dt\\[6pt]{\frac {\pi ^{\frac {1}{4}}}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)}}\cdot {\frac {{\sqrt[{4}]{1+{\sqrt {2}}}}\,e^{\frac {\pi }{16}}}{2^{\frac {7}{16}}}}&=\int _{0}^{\infty }{\frac {e^{-{\frac {1}{2}}t^{2}}}{\sqrt {2\pi }}}\left[{\frac {\cos \left({\sqrt {\frac {\pi }{2}}}\,t\right)-e^{\frac {\pi }{4}}}{\cos \left({\sqrt {\frac {\pi }{2}}}\,t\right)-\cosh {\frac {\pi }{4}}}}\right]dt\end{aligned}}}$

La función theta de Ramanujan se utiliza para determinar las dimensiones críticas en la teoría de cuerdas bosónicas , la teoría de supercuerdas y la teoría M.

• Bailey, WN (1935). Series hipergeométricas generalizadas . Cambridge Tracts in Mathematics and Mathematical Physics. Vol.  32. Cambridge: Cambridge University Press.
• Gasper, George; Rahman, Mizan (2004). Series hipergeométricas básicas . Enciclopedia de matemáticas y sus aplicaciones. Vol.  96 (2.ª  ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-83357-4.
• "Función Ramanujan" . Enciclopedia de Matemáticas . EMS Press . 2001 [1994].
• Kaku, Michio (1994). Hiperespacio: Una odisea científica a través de universos paralelos, distorsiones temporales y la décima dimensión . Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-286189-1.
• Weisstein, Eric W. "Funciones Theta de Ramanujan" . MundoMatemático .