[증명]
먼저 다음 4가지의 참고식들을 증명한 다음, 이 참고식들을 사용하여 Li3(21)의 값을 계산할 것이다. 참고식 A, Bn∈Z+, k∈Z+에 대하여 다음 두 식을 얻을 수 있다. 여기서 Z+는 양의 정수의 집합을 의미한다. ∫01xn−1lnkxdx⇒nk+11=n1xnlnkx01−∫01n1xn⋅klnk−1x⋅x1dx=−nk∫01xn−1lnk−1xdx=⋯=nk(−1)kk!∫01xn−1dx=nk+1(−1)kk!⋯A=k!(−1)k∫01xn−1lnkxdx⋯B
참고식 Cs∈Z+에 대하여 다음 식을 얻을 수 있다. n=1∑∞ns(−1)n−1=n=1∑∞ns(−1)n+1=(1−21−s)ζ(s)⋯C 증명은 제타 함수 문서의 성질 문단에서 볼 수 있다.
참고식 D먼저 x=t2으로 치환함으로써 시작한다. ∫011−xln2xdx⇒−3∫011−xln2xdx∴∫011−xln2xdx=∫011−t2(2lnt)22tdt=8∫01ln2t⋅1−t2tdt=8∫01ln2t⋅21(1−t1−1+t1)dt=4∫011−tln2tdt−4∫011+tln2tdt=−4∫011+tln2tdt=34∫011+tln2tdt⋯D
이제 위의 참고식들을 사용하여 Li3(21)의 값을 계산해보자. 계산 과정 중, 위의 참고식이나 아래의 과정에서 나타나는 관계식을 사용한 경우, 등호 위에다가 해당 참고식·관계식의 알파벳·번호를 적을 것이다. (예: =A, =(1)) Li3(21)=n=1∑∞2nn31=Bn=1∑∞2n1(21∫01xn−1ln2xdx)=41n=1∑∞2n−11∫01xn−1ln2xdx=41∫01n=1∑∞(2x)n−1ln2xdx=41∫011−2x1ln2xdx=21∫012−xln2xdxLet:2−xx=t→x=1+t2t→dx=(1+t)22dt=21∫012−(1+t2t)ln2(1+t2t)(1+t)22dt=21∫011+tln2(1+t2t)dt=21∫011+t(ln2+lnt−ln(1+t))2dt=21∫011+tln22+ln2t+ln2(1+t)+2ln2lnt−2lntln(1+t)−2ln2ln(1+t)dt=21∫011+tln22−2ln2ln(1+t)+ln2t+ln2(1+t)+2ln2lnt−2lntln(1+t)dt⋯(1) 위의 정적분을 색깔별로 쪼개서 적분한 후 마지막에 값을 합쳐주면 된다. ∫011+tln22−2ln2ln(1+t)dt=ln2∫011+tln2−2ln(1+t)dt=letILet:t=1+x1−x→1+t=1+x2→dt=(1+x)2−2dx=ln2∫101+x2ln2−2ln(1+x2)(1+x)2−2dx=ln2∫011+xln2−2ln2+2ln(1+x)dx=ln2∫011+x−ln2+2ln(1+x)dx=−I⇒I=−I∴I=0=0⋯(2) ∫011+tln2tdt=∫01ln2tn=1∑∞(−1)n−1tn−1dt=n=1∑∞(−1)n−1∫01tn−1ln2tdt=An=1∑∞(−1)n−1(n32)=2n=1∑∞n3(−1)n−1=C2⋅43ζ(3)=23ζ(3)⋯(3) ∫011+tln2(1+t)dt=31ln3(1+t)01=31ln32⋯(4) ∫011+t2ln2lntdt=2ln2∫01lntn=1∑∞(−1)n−1tn−1dt=2ln2n=1∑∞(−1)n−1∫01tn−1lntdt=A2ln2n=1∑∞(−1)n−1(−n21)=−2ln2n=1∑∞n2(−1)n−1=C−2ln2⋅21ζ(2)=−6π2ln2⋯(5) ∫011+t2lntln(1+t)dt=∫01lnt⋅1+t2ln(1+t)dt=lntln2(1+t)01−∫01t1⋅ln2(1+t)dt=−∫01tln2(1+t)dt=−21∫01t(ln(1−t)+ln(1+t))2dt−21∫01t(ln(1−t)−ln(1+t))2dt+∫01tln2(1−t)dt=−21∫01tln2(1−t2)dt−21∫01tln2(1+t1−t)dt+∫01tln2(1−t)dtLet:1−t2=x→t2=1−x→2tdt=−dx→tdt=−21t2dx=−211−xdxLet:1+t1−t=y→t=1+y1−y→dt=(1+y)2−2dy→tdt=1−y1+y(1+y)2−2dy=−(1−y1+1+y1)dyLet:1−t=z→t=1−z→dt=−dz→tdt=−1−zdz=41∫101−xln2xdx+21∫10(1−yln2y+1+yln2y)dy−∫101−zln2zdz=41∫011−xln2xdx−21∫011+yln2ydy=D41⋅34∫011+xln2xdx−21∫011+yln2ydy=−61∫011+xln2xdx=(3)−61⋅23ζ(3)=−41ζ(3)⋯(6) 이제 (2)~ (6)의 값을 (1)에 대입하고 정리하면 최종적으로 Li3(1/2)의 값을 구할 수 있다. Li3(21)=21∫011+tln22−2ln2ln(1+t)+ln2t+ln2(1+t)+2ln2lnt−2lntln(1+t)dt=21[0+23ζ(3)+31ln32+(−6π2ln2)−(−41ζ(3))]=61ln32−12π2ln2+87ζ(3) |