关于Dirichlet Beta函数的求和等式推导及收敛性的技术问询
我最近在研究这个定积分:
$$I = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \cos(\ln(\tan x))dx$$
做变量替换 $\ln(\tan x) = u$ 并调整上下限后,积分简化成了:
$$I = \int_0^{\infty} \frac{\cos u \cdot eu}{1+e{2u}}du$$
进一步整理后可以写成:
$$I = \frac{1}{2} \cdot \int_0^{\infty} \frac{\cos u}{\cosh u} du$$
接下来我用了$\cos x$的麦克劳林展开式:
$$\cos x = \sum_{n=0}{\infty}(-1)n \cdot \frac{x^{2n}}{(2n)!}$$
把这个级数代入积分里:
\begin{align}
I
&= \int_0^{\infty} \frac{eu}{1+e{2u}} \cdot \sum_{n=0}{\infty}(-1)n \cdot \frac{u^{2n}}{(2n)!} du \
&= \int_0^{\infty} \frac{eu}{1+e{2u}}du - \frac{1}{2!}\cdot \int_0^{\infty} \frac{u2eu}{1+e^{2u}}du + \frac{1}{4!} \cdot \int_0^{\infty} \frac{u4eu}{1+e^{2u}}du +\ldots
\end{align}
重新整理项之后得到:
$$I = \sum_{n=0}{\infty}\frac{(-1)n}{(2n)!} \cdot \int_0^{\infty} \frac{u{2n}eu}{1+e^{2u}} du$$
这里我用了已知的积分结果,把$n$换成$2n$后有:
$$\int_0^{\infty} \frac{u{2n}eu}{1+e^{2u}} du = \Gamma(2n+1)\beta(2n+1) = (2n)!\beta(2n+1)$$
把这个等式代回原来的积分,会发现$(2n)!$项抵消了,最终得到:
$$I = \sum_{n=0}{\infty}(-1)n\beta(2n+1)$$
同时,从同问题的回答评论里,令$t=1$可以得到:
$$I = \frac{1}{2}\int_0^{\infty} \frac{\cos u}{\cosh u} du = \frac{\pi}{4}\cdot \operatorname{sech}(\frac{\pi}{2})$$
这时候我产生了疑问:下面这个等式是否成立?
$$\sum_{n=0}{\infty}(-1)n\beta(2n+1) = \frac{\pi}{4} \cdot \operatorname{sech}(\frac{\pi}{2})$$
从WolframAlpha的计算结果来看这个等式似乎是对的,但我想知道有没有其他方法可以推导出来?左边的求和看起来有点棘手,结果却能简化成右边这个简洁的表达式。
另外还有一个问题:评论里提到当$k$趋近于$\infty$时,$\beta(2k+1)$的极限是1,既然如此,为什么这个级数还能收敛呢?
感谢各位的阅读,欢迎提出任何建议和解答。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者user1173615

