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Exercice : Fonctions zêtaFonctions d'une variable complexe/Exercices/Fonctions zêta », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Soit
q
{\displaystyle q}
un nombre complexe de partie réelle
>
0
{\displaystyle >0}
.
On rappelle (Sommation/Exercices/Séries de Fourier et fonction zêta#Exercice 9-7 et Mathématiques en MP/Exercices/Intégrales dépendant d'un paramètre#Exercice 2-5 ) que :
la fonction zêta de Hurwitz
ζ
(
⋅
,
q
)
{\displaystyle \zeta (\cdot ,q)}
, définie pour tout complexe
s
{\displaystyle s}
de partie réelle
>
1
{\displaystyle >1}
par
ζ
(
s
,
q
)
=
∑
k
=
0
∞
(
k
+
q
)
−
s
{\displaystyle \zeta (s,q)=\sum _{k=0}^{\infty }(k+q)^{-s}}
, vérifie :
ζ
(
s
,
q
)
Γ
(
s
)
=
∫
0
∞
t
s
−
1
e
−
t
q
1
−
e
−
t
d
t
{\displaystyle \zeta (s,q)\operatorname {\Gamma } (s)=\int _{0}^{\infty }{\frac {t^{s-1}\operatorname {e} ^{-tq}}{1-\operatorname {e} ^{-t}}}\,\mathrm {d} t}
où
Γ
{\displaystyle \Gamma }
est la fonction Gamma d'Euler ;
la fonction
1
Γ
{\displaystyle {\frac {1}{\Gamma }}}
s'étend en une fonction entière .
En déduire que la fonction
s
↦
ζ
(
s
,
q
)
−
1
s
−
1
{\displaystyle s\mapsto \zeta (s,q)-{\frac {1}{s-1}}}
s'étend en une fonction entière.
Indication : utiliser l'existence d'un développement de Taylor à tout ordre en 0 de
t
↦
t
1
−
e
−
t
{\displaystyle t\mapsto {\frac {t}{1-\operatorname {e} ^{-t}}}}
.
Solution
t
1
−
e
−
t
=
∑
n
=
0
N
c
n
t
n
+
t
N
+
1
f
N
(
t
)
⟹
ζ
(
s
,
q
)
Γ
(
s
)
=
∫
0
∞
∑
n
=
0
N
c
n
t
s
+
n
−
2
e
−
t
q
d
t
+
∫
0
∞
t
s
+
N
−
1
e
−
t
q
f
N
(
t
)
d
t
{\displaystyle {\frac {t}{1-\operatorname {e} ^{-t}}}=\sum _{n=0}^{N}c_{n}t^{n}+t^{N+1}f_{N}(t)\Longrightarrow \zeta (s,q)\operatorname {\Gamma } (s)=\int _{0}^{\infty }\sum _{n=0}^{N}c_{n}t^{s+n-2}\operatorname {e} ^{-tq}\,\mathrm {d} t+\int _{0}^{\infty }t^{s+N-1}\operatorname {e} ^{-tq}f_{N}(t)\,\mathrm {d} t}
.
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La fonction
t
↦
e
−
t
q
f
N
(
t
)
{\displaystyle t\mapsto \operatorname {e} ^{-tq}f_{N}(t)}
est continue sur
R
+
{\displaystyle \mathbb {R} _{+}}
et à décroissance rapide, donc la seconde intégrale est holomorphe sur le demi-plan
Re
(
s
)
>
−
N
{\displaystyle \operatorname {Re} (s)>-N}
.
La première se calcule en intégrant terme à terme, ce qui donne :
ζ
(
s
,
q
)
=
∑
n
=
0
N
c
n
Γ
(
s
+
n
−
1
)
q
s
+
n
−
1
Γ
(
s
)
+
1
Γ
(
s
)
∫
0
∞
t
s
+
N
−
1
e
−
t
q
f
N
(
t
)
d
t
=
c
0
(
s
−
1
)
q
s
−
1
+
∑
n
=
1
N
c
n
(
s
+
n
−
2
)
(
s
+
n
−
3
)
…
s
q
s
+
n
−
1
+
1
Γ
(
s
)
∫
0
∞
t
s
+
N
−
1
e
−
t
q
f
N
(
t
)
d
t
{\displaystyle {\begin{aligned}\zeta (s,q)&=\sum _{n=0}^{N}c_{n}{\frac {\operatorname {\Gamma } (s+n-1)}{q^{s+n-1}\operatorname {\Gamma } (s)}}+{\frac {1}{\operatorname {\Gamma } (s)}}\int _{0}^{\infty }t^{s+N-1}\operatorname {e} ^{-tq}f_{N}(t)\,\mathrm {d} t\\&={\frac {c_{0}}{(s-1)q^{s-1}}}+\sum _{n=1}^{N}c_{n}{\frac {(s+n-2)(s+n-3)\dots s}{q^{s+n-1}}}+{\frac {1}{\operatorname {\Gamma } (s)}}\int _{0}^{\infty }t^{s+N-1}\operatorname {e} ^{-tq}f_{N}(t)\,\mathrm {d} t\end{aligned}}}
donc la fonction
s
↦
ζ
(
s
,
q
)
−
c
0
(
s
−
1
)
1
s
−
1
=
ζ
(
s
,
q
)
−
1
s
−
1
{\displaystyle s\mapsto \zeta (s,q)-{\frac {c_{0}}{(s-1)1^{s-1}}}=\zeta (s,q)-{\frac {1}{s-1}}}
s'étend en une fonction holomorphe sur
Re
(
s
)
>
−
N
{\displaystyle \operatorname {Re} (s)>-N}
(de façon unique , et
N
{\displaystyle N}
est choisi aussi grand qu'on veut).
Remarquons de plus qu'on peut calculer la valeur de
ζ
(
−
k
,
q
)
{\displaystyle \zeta (-k,q)}
pour tout entier
−
k
<
0
{\displaystyle -k<0}
, pôle de
Γ
{\displaystyle \mathrm {\Gamma } }
, sachant que
c
n
=
(
−
1
)
n
B
n
n
!
{\displaystyle c_{n}={\frac {(-1)^{n}\mathrm {B} _{n}}{n!}}}
où les
B
n
{\displaystyle \mathrm {B} _{n}}
sont les nombres de Bernoulli :
ζ
(
−
k
,
q
)
=
c
0
(
−
k
−
1
)
q
−
k
−
1
+
∑
n
=
1
k
+
1
c
n
(
−
k
+
n
−
2
)
(
−
k
+
n
−
3
)
…
(
−
k
)
q
−
k
+
n
−
1
=
∑
n
=
0
k
+
1
c
n
(
−
1
)
n
−
1
k
!
(
k
+
1
−
n
)
!
q
k
+
1
−
n
=
−
1
k
+
1
∑
n
=
0
k
+
1
(
k
+
1
n
)
B
n
q
k
+
1
−
n
=
−
B
k
+
1
(
q
)
k
+
1
,
{\displaystyle {\begin{aligned}\zeta (-k,q)&={\frac {c_{0}}{(-k-1)q^{-k-1}}}+\sum _{n=1}^{k+1}c_{n}{\frac {(-k+n-2)(-k+n-3)\dots (-k)}{q^{-k+n-1}}}\\&=\sum _{n=0}^{k+1}c_{n}{\frac {(-1)^{n-1}k!}{(k+1-n)!}}q^{k+1-n}\\&=-{\frac {1}{k+1}}\sum _{n=0}^{k+1}{\binom {k+1}{n}}\mathrm {B} _{n}q^{k+1-n}\\&=-{\frac {\mathrm {B} _{k+1}(q)}{k+1}},\end{aligned}}}
où
B
k
+
1
(
X
)
{\displaystyle \mathrm {B} _{k+1}(X)}
est le
(
k
+
1
)
{\displaystyle (k+1)}
-ième polynôme de Bernoulli .