Lambert-Reihe

In der Mathematik ist eine Lambert-Reihe eine spezielle Reihe. Benannt ist sie nach Johann Heinrich Lambert.

Definition

Die Lambert-Reihe ist eine Reihe mit dieser Form:

${\displaystyle S(q)=\sum _{n=1}^{\infty }a_{n}{\frac {q^{n}}{1-q^{n}}}}$

Die Lambertsche L-Funktion bilden den Spezialfall dieser Reihe mit aₙ = 1 für alle Werte n:

${\displaystyle L(q)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {q^{n}}{1-q^{n}}}}$

Eigenschaften

Konvergenz

Für ${\displaystyle |q|=1}$ konvergiert die Lambert-Reihe nicht. Für ${\displaystyle |q|\neq 1}$ konvergiert sie stets dann, wenn die Reihe ${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}}$ konvergiert. Konvergiert ${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}}$ nicht, dann konvergiert die Lambert-Reihe für alle ${\displaystyle q}$, für die die Potenzreihe ${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}q^{n}}$ konvergiert (Satz von Konrad Knopp).

Lambert-Reihe als Potenzreihe

Die Lambert-Reihe kann für ${\displaystyle |q|<1}$ mittels Erweiterung umsummiert werden zu

${\displaystyle S(q)=\sum _{n=1}^{\infty }a_{n}\sum _{k=1}^{\infty }q^{nk}=\sum _{m=1}^{\infty }b_{m}q^{m}}$,

wobei sich die Koeffizienten der neuen Reihe durch Dirichlet-Faltung von ${\displaystyle a_{n}}$ mit der konstanten Folge ${\displaystyle 1_{(n)}=1}$ ergeben:

${\displaystyle b_{m}=(a*1)(m)=\sum _{n\mid m}a_{n}}$.

Alternative Form

Setzt man ${\displaystyle q=e^{-z}}$, so erhält man eine andere übliche Form der Reihe

${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{e^{zn}-1}}=\sum _{m=1}^{\infty }b_{m}e^{-mz}}$

wobei

${\displaystyle b_{m}=(a*1)(m)=\sum _{n\mid m}a_{n}\,}$

ist.

Beispiele der Lambert-Reihe in dieser Form, mit ${\displaystyle z=2\pi }$, treten in Ausdrücken der Riemannschen Zeta-Funktion für ungerade natürliche Zahlen auf.

Anwendung

Einige unendliche Summen können durch die Lambertsche L-Funktion dargestellt werden.

Unendliche Summe geradstelliger Fibonacci-Zahlen:

${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{F_{2n}}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {{\sqrt {5}}\Phi ^{2n}}{\Phi ^{4n}-1}}={\sqrt {5}}[L(\Phi ^{-2})-L(\Phi ^{-4})]}$

Mit dem griechischen Buchstaben Phi wird die Goldene Zahl dargestellt.

Unendliche Summe der Kehrwerte geradstelliger Pell-Zahlen:

${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{P_{2n}}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2{\sqrt {2}}({\sqrt {2}}+1)^{2n}}{({\sqrt {2}}+1)^{4n}-1}}=2{\sqrt {2}}\{L[({\sqrt {2}}-1)^{2}]-L[({\sqrt {2}}-1)^{4}]\}}$

Darstellung der Erdős-Borwein-Konstante mit der Lambertschen L-Funktion:

${\displaystyle E=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}-1}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2^{n}+1}{2^{\Box (n)}(2^{n}-1)}}=L{\bigl (}{\frac {1}{2}}{\bigr )}}$

Mit dem Quadratsymbol vor dem eingeklammerten n wird die n-te Quadratzahl ausgedrückt.

Unendliche Summe der Kehrwerte von den Nachfolgern der Zweierpotenzen:

${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}+1}}=\sum _{n=1}^{\infty }{\bigl (}{\frac {1}{2^{n}-1}}-{\frac {2}{4^{n}-1}}{\bigr )}=L{\bigl (}{\frac {1}{2}}{\bigr )}-2L{\bigl (}{\frac {1}{4}}{\bigr )}}$

Siehe auch

• Thetafunktion
• Elliptisches Nomen

Literatur

• Eric W. Weisstein: Lambert Series. In: MathWorld (englisch).
• G. M. Fichtenholz: Differential- und Integralrechnung II (= Hochschulbücher für Mathematik. Band 62). 6. Auflage. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1974, S. 323.
• Ravi Agarwal: Lambert series and Ramanujan. Department of Mathematics and Astronomy, Universität Lucknow (लखनऊ विश्वविद्यालय), Indien