Une intégrale en fonction de $\zeta$
Réponses
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$\Gamma(x)(\zeta(x-1)-\zeta(x))$ pour $x>2.$ En effet $\int_0^{\infty}\frac{t^{x-1}e^{-2t}}{(1-e^{-t})^2}dt=\sum_{n=0}^{\infty}(n+1)\int_0^{\infty}t^{x-1}e^{-(2+n)t}dt.$
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Par une intégration par partie et pour $\Re z>2$ : $$
\begin{align*}
\frac{1}{\Gamma(z)}\int_0^{+\infty} \frac{t^{z-1}}{(e^t-1)^2} dt &=\frac{1}{\Gamma(z)}\int_0^{+\infty} \frac{t^{z-1}e^t}{(e^t-1)^2} dt - \frac{1}{\Gamma(z)}\int_0^{+\infty} \frac{t^{z-1}}{e^t-1} dt\\
&=-\frac{1}{\Gamma(z)}\int_0^{+\infty} t^{z-1} \frac{d}{dt} \left( \frac{1}{e^t-1} \right) dt - \zeta(z)\\
&=-\frac{1}{\Gamma(z)}\left[ \frac{t^{z-1}}{e^t-1} \right]_0^{+\infty}+\frac{z-1}{\Gamma(z)} \int_0^{+\infty} \frac{t^{z-2}}{e^t-1} dt - \zeta(z)\\
&=\frac{1}{\Gamma(z-1)} \int_0^{+\infty} \frac{t^{z-2}}{e^t-1} dt - \zeta(z)\\
&=\zeta(z-1) - \zeta(z)\\
\end{align*}
$$ Merci @P. -
Plus généralement, si $f$ est une fonction arithmétique de série de Dirichlet $L(s,f)$ ayant une abscisse de convergence absolue $\sigma_a > 0$, alors pour tout $s = \sigma + it \in \mathbb{C}$ tel que $\sigma > \sigma_a$, on a $$
\Gamma(s)^{-1} \int_0^\infty P( e^{-t} ) \, t^{s-1} \, \textrm{d}t = L(s,f),
$$ où l'on a posé $P(z) := \displaystyle \sum_{n=0}^\infty f(n) z^n$. -
Intéressant Noix de totos. Tu as une référence pour ça?
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Je ne connais pas de référence où un énoncé aussi général existe, mais c'est une des méthodes pour aboutir à l'équation fonctionnelle de la fonction $\zeta$, il s'agit simplement d'une interversion série-intégrale, et on comprend rapidement que ça peut s'appliquer à d'autres choses que $\zeta$.
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Effectivement, je n'ai pas de référence particulière, c'est un calcul comme expliqué par Poirot.
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On a $$\Gamma(s) \zeta(s) = \int_0^{+\infty} \frac{t^{s-1}}{e^t-1} \,dt$$ pour $\mathfrak{Re}(s) > 1$. Cette formule permet de montrer le prolongement analytique de $\zeta$ à $\mathbb C \setminus \{1\}$, pas vraiment l'équation fonctionnelle à ma connaissance. C'est détaillé ici par exemple.
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@L2M : Certains vont peut-être encore m'accuser de "tirer le fil", mais, si tu es intéressé par les différentes méthodes pour obtenir l'équation fonctionnelle de $\zeta$, alors je te suggère de consulter le livre [Tit] pages 14-27.
L'auteur prouve cette équation fonctionnelle par $7$ méthodes, l'intégrale indiquée par Poirot ci-dessus étant la $2$nde méthode.
[Tit] https://www.amazon.fr/Theory-Riemann-Zeta-Function-C-Titchmarsh/dp/0198533691/ref=sr_1_1?__mk_fr_FR=ÅMÅŽÕÑ&keywords=The+Theory+of+the+Riemann-zeta+function&qid=1573222581&sr=8-1 -
Petite anecdote en passant : durant ma première L3 physique voici environ 15 ans j'avais intuité la formule donnée par Poirot à partir des valeurs pour n=2, 4 et 6 si mes souvenirs sont bons. C'était assez audacieux de ma part d'extrapoler à partir d'un si petit nombre de valeurs, aussi avais-je demandé confirmation au prof, qui n'avait pas su me répondre. C'est à peu près à cette époque que je me suis inscrit sur le forum. Fin de la parenthèse.
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En revanche on peut peut-être avoir une idée de l'équation fonctionnelle en remarquant que $\zeta$ a un pôle simple en 1, et $\Gamma$ en $0$, le sup des $x$ tels que cette fonction a un pôle en $x$. Le fait de relier les valeurs en $0$ et $1$ d'un certain facteur fois le membre de gauche et plus avant en $s$ et $1-s$ est donc relativement "naturel", pour peu qu'on ait foi en l'harmonie du monde mathématique.
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@Sylvain : oui.
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