关于θₖ(n)的出现场景、相关恒等式及深层关联的技术问询
大家好,之前我在一篇帖子里定义了函数$\theta_k(n)$:
$$\theta_k(n) = \frac{S(n-k)}{V(n)}$$
这里的$S(n)$和$V(n)$分别代表n维球体的表面积和体积。
在那篇帖子里,我还给出了它和黎曼ζ函数的恒等式:
$$\frac{\zeta (\frac{1}{2}-n)}{\zeta(n+\frac{1}{2})} = -i{n(n+1)}\frac{\theta_{2n}(2n-1)}{2n}$$
同时我猜想:每一个$\zeta(2n)$(其中$n \in \mathbb{N}$)都可以完全用$\theta_k(n)$和$\pi$的某个幂次来表示。
$\theta_k(n)$的应用场景其实非常广泛,很多公式和结果都可以用它来重写,就像广义超几何函数 $pF_q(a_1,...,a_p;b_1,...,b_q;z)$或者Lerch超越函数 $\Phi(z, s, a)$那样,能帮我们简化复杂的表达式。举个例子,下面这个积分结果就能用$\theta_k(n)$简化:
$$\sqrt{2\pi}\int{-\infty}^\infty x{2n+2}e{-x2},dx=-\frac{\theta_{2n}(2n+1)}{\left(-\pi\right)n}$$
毫不意外的是,$\theta_k(n)$在n维球面上的向量分布问题里经常出现,这里给几个例子:
- 球面上的均匀随机点
- 从狄利克雷分布推导出来的n维球面上均匀分布随机向量的边缘密度,可以写成:
$$\sim \theta_k(n)\left(1 - \sum_{i=1}^k z_i^2 \right)^{(n-k)/2 -1}$$ - 均匀随机采样得到的第一个坐标平方的概率密度函数($y \in [0,1]$),可以重写为:
$$\rho(y) = \frac{S(n-1)}{nV(n)}(1-y){(n-3)/2}y{-1/2} = \frac{\theta_1(n)}{n}(1-y){(n-3)/2}y{-1/2}$$
这里的系数可以简化成$\frac{\theta_1(n)}{n}$,类似的形式在相关的其他结果里也会出现。
- 从狄利克雷分布推导出来的n维球面上均匀分布随机向量的边缘密度,可以写成:
- 固定向量与n维球面向量的相关性分布
这类问题里同样能看到$\theta_k(n)$的身影。
除此之外,$\theta_k(n)$还出现在这些领域:
- 高阶导数的计算
- $1/|x|^{\alpha}$的傅里叶变换
- 排列组合问题:比如“n对夫妻排成一排,要求没有妻子坐在丈夫旁边,有多少种排法?”这个问题里用到了$\theta_{2n}(2n-1)$的恒等式
更不用说$\theta_{2n}(2n-1)$在超几何级数、黎曼ζ函数等大量场景中的出现了。
最后我有几个疑问想请教大家:
这些现象仅仅是因为伽马函数的通用性吗?它和黎曼ζ函数的关联有没有几何层面的解释?还是说这些都只是巧合?谢谢大家!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Mako

