Regularyzacja funkcją dzeta

Regularyzacja funkcją dzeta – rodzaj regularyzacji lub metoda sumowania, która przypisuje skończone wartości dla rozbieżnych szeregów lub iloczynów. Sposób ten jest obecnie powszechnie stosowany do rozwiązywania problemów fizycznych, lecz pierwotnie wywodzi się z prób nadania dokładnych znaczeń dla źle uwarunkowanych sum w teorii liczb.

Definicja formalna

Istnieje wiele różnych metod sumowania określanych mianem regularyzacji funkcją dzeta stosowanych do obliczenia wartości potencjalnie rozbieżnych szeregów $a_1+a_2+\dots$

Jedną z metod jest zdefiniowanie sumy regularyzowanej funkcją dzeta jako ${\zeta }_A(-1),$ gdzie funkcja dzeta jest zdefiniowana dla dużych $\mathrm{R}\mathrm{e}(s)$ jako

${\zeta }_A(s)=\frac{1}{a_1^s}+\frac{1}{a_2^s}+\dots$

dla $s$ w których ten szereg jest zbieżny, lub stosując przedłużenie analityczne tej funkcji dla pozostałych wartości. W przypadku gdy $a_n=n$ zastosowana funkcja dzeta staje się zwykłą funkcją dzeta Riemanna. Taką metodę zastosował Euler do „zsumowania” szeregu 1 + 2 + 3 + 4 + …, obliczając $\zeta (-1)=-1/12.$

Inną metodą jest zdefiniowanie potencjalnie rozbieżnego iloczynu $a_1{a}_2\dots$ jako $\exp (-\zeta {\text{'}}_A(0)).$ Ray i Sinker zastosowali tę metodę aby określić wyznacznik dodatniego operatora $A$ (laplasjanu rozmaitości riemannowskiej w ich zastosowaniu) z wartościami własnymi $a_1,a_2,\dots$ W tym konkretnym przypadku funkcja dzeta jest formalnie śladem $A^{-s}.$

Przykład

Przykładem zastosowania regularyzacji funkcją dzeta jest wyznaczenie wartości oczekiwanej energii próżni w kwantowej teorii pola. Uogólniając, funkcją dzeta można zastosować do regularyzacji całego tensora napięć-energii w zakrzywionej czasoprzestrzeni.

Nieuregulowana wartość energii jest wyznaczona jako suma wszystkich stanów wzbudzonych energii punktu zerowego:

$⟨0|T_{00}|0⟩=\sum _n\frac{\hslash |{\omega }_n|}{2},$

w którym $T_{00}$ jest zerowym składnikiem tensora napięć a suma (która może być całką) jest rozumiana jako rozszerzenie na wszystkie (dodatnie i ujemne) stany energetyczne ${\omega }_n;$ moduł podkreśla, że liczona jest energia całkowita. Suma ta, zapisana w tej postaci, jest zazwyczaj nieskończona (typowo ${\omega }_n$ jest w zależności liniowej z $n$). Może ona być uregularyzowana przez zapisanie jako

$⟨0|T_{00}(s)|0⟩=\sum _n\frac{\hslash |{\omega }_n|}{2}|{\omega }_n{|}^{-s},$

gdzie $s$ jest jakimś parametrem w dziedzinie liczb zespolonych. Dla liczb rzeczywistych $s$ większych niż 4 (dla przestrzeni trójwymiarowej), suma ta staje się skończona, a więc często może być wyliczona teoretycznie.

Taka suma ma zwykle biegun dla $s=4,$ z powodu masowego udziału pola kwantowego w przestrzeni trójwymiarowej. Jednak, dzięki przedłużeniu analitycznemu udaje się uzyskać wartości dla $s=0,$ w którym funkcja już bieguna nie ma, a więc wartość wyrażenia jest skończona. Szczegółową analizę tego rozwiązania można znaleźć w pracach na temat efektu Casimira.

Zobacz też

• funkcja tworząca
• renormalizacja
• szereg 1 + 1 + 1 + 1 + …