Paper 21-Methods for inverting generating functions

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The numerator of equation (2) is an almost harmonic series. The function .... Now add and subtract a term which is equal to (1" ao )z2 in the numerator. =1". 1+. 1.
Paper 21 A method for inverting generating functions that are made up of the ratio of two harmonic series to find the survival probability and the first passage probability that occur in 2d random walk theory Ron Zamir © August 2015 (Revised April 2016) I.

Description of the problem

The generating function F(L, L;z)  for the first passage probability for a symmetric random walk on a 2d square lattice, in which the walker starts at lattice point (x,y)=(L,L), moves to one of 4 adjacent lattice sites with

1 , and arrives for the first time at the origin at time n, is given by an expression which is the ratio of 4 ! expression was stated and derived in my unpublished paper 1 and is: two series. This probability

!

(1)  

(2L)! 2L z Hypergeometric2F1[L + 12 , L + 12 ;2L + 1;z 2 ] 2 P(L, L;z) 2 (L!) . F(L, L;z) = = P(0,0;z) Hypergeometric2F1[ 12 , 12 ;1;z 2 ] 4L

In addition, this expression was shown in my unpublished paper 1 to be almost equal to

!

(2L)! 2L z 2 (L!) 2 4L

(2)

F(L, L;z) "

$ 4( L+k )*1 ' 2( L+k ) $ 1 ' & $&1 + L ') ) &1 * ) + ) 2k 1 1&% k( % 2(L + k) ( + z 2L , & z 1 2( L+k )*1 ) 2L+k+ # k=1 k $ 2$ 1 ' & 1 + 2L ' ) ) &1 * ) && ) k ( % (L + k) ( %% ( . 1 + $ 1 ' 2k 1 + , & )z # k=1 % k (

The denominator of equation (2)  is  a  pure  harmonic  series  with  a  term  equal  to  1  added  on.                                                             The  numerator  of  equation  (2)  is  an  almost  harmonic  series.    

! The function

" 4( L+k )(1 % 2( L+k ) " 1 % $ "$1 + L %' ' $1 ( ' $# k& ' # 2(L + k) & (3) $  I  call  a  cutoff  function  because  it  starts  close  to   1 2( L+k )(1 ' 2L+k+ 2" 1 % $ "1 + 2L % ' ' $1 ( ' $$ ' k & # (L + k) & ## &

0  for  low  values  of  k  and  then  increases  to  a  maximum  value  of  1  for  higher  values  of  k.  Its  effect  is  to   lower  (or  cutoff)  the  value  of  the  low  k  harmonic  terms  in  the  numerator  and  not  to  affect  the  high  k   harmonic  terms.  

!

2L

In the numerator, there is also a multiplicative factor of z  which  makes  the  starting  coefficient  of   F(L, L;z)  happen  at  a  power  of  z  that  is  equal  to  2L.  The  physical  meaning  of  this  term  is  to  not  allow   first  passage  probability  until  the  walker  has  had  enough  time  (n=2L)  to  reach  the  origin  from  its  starting   position  of  (x,y)=(L,L)  which  involves  at  least  2L  steps  to  be  made.    

!

1  

Since  the  numerator  and  denominator  of   F(L, L;z)  are  basically  harmonic  series  with  a  cutoff  function   in  the  numerator,  I  thought  it  would  be  a  good  idea  to  form  a  series  which  is  made  up  of  the  ratio  of  two   generating  functions  that  are  pure  harmonic,  and  then  to  see  the  effect  of  lowering  the  value  of  only  one   of  the  coefficients  in  the  numerator.     ! By  doing  this,  I  could  see  how  the  lowering  of  a  single  term  in  the  numerator  would  affect  the  entire   inverted  series   F(L, L;n)  and  the  survival  probability  for  the  walker.       II.   Development  of  the  method  for  the  case  in  which  the  first  term  in  the  numerator  of   F(L, L;z)  is   ! lowered.       I  start  by  making  all  the  terms  of   F(L, L;z)  pure  harmonic.  So  I  choose   F(L, L;z)  to  be:   !   (4)  

# 1 ) # 1 2k && 2L %1 + * % z ((z $ " $ k '' F(L, L;z) = ! k=1) = z 2L .     # 1 # 1 2k && %1 + * % z (( $ " k=1 $ k ''

!

  This  generating  function  for   F(L, L;z)  implies  that  the  particle  reaches  the  origin  with  certainty   (probability=1)  when  n=2L.     !   This  is  not  a  physically  reasonable  generation  function  for   F(L, L;z) .     ! Things  become  much  more  interesting  when  the  first  term  in  the  numerator  is  set  to   a o ,  which  is  chosen   to  be  a  number  between  0  and  1.   !   So   F(L, L;z)  becomes     !

# 1 ) # 1 2k && 2L a + * % z ((z % o " k=1 $ k '' $ (5a)   F(L, L;z) = .   # 1 ) # 1 2k && %1 + * % z (( $ " k=1 $ k ''

!

  Mathematica  10.1  can  numerically  invert  equation  (5a)  if  a  value  of  L  is  chosen.  For  now,  choose  L=1.     ! With  this  choice  of  L,  equation  (5a)  becomes:    

# 1 ) # 1 2k && 2 a + * % z ((z ) % o " k=1 $ k '' $ (5b)   F(1,1;z) = = * (c2k z 2k ) .   ) # 1 # 1 2k && k=1 %1 + * % z (( '' $ " k=1 $ k  

!

 

2  

The  first  eight  series  coefficients  of  the  inversion  of  equation  (5b)  are  shown  below:     c2 = a o    

(1 " a o )   #

c4 =  

c6 =  

(1 " a o )("2 + # )   2# 2

(1 " a o )(3 " 3# + # 2 ) c8 =   3# 3

 

(1 " a o )("12 + 18 # "11# 2 + 3# 3 ) c10 =   12 # 4

 

(1 " a o )(60 "120 # + 105 # 2 " 50 # 3 + 12 # 4 ) c12 =   60 # 5

 

c14 =  

(1 " a o )("360 + 900 # "1020 # 2 + 675 # 3 " 274 # 4 + 60 # 5 )   360 # 6

(1 " a o )(210 " 630 # + 875 # 2 " 735 # 3 + 406 # 4 "147 # 5 + 30 # 6 ) c16 =   210 # 7

  To  obtain  numerical  values  for  these  coefficients,   a o  must  be  chosen.  So  choose   a o  to  be  0  which  is  the   lowest  it  can  be.  This  eliminates  the  first  term  in  the  numerator  of   F(1,1;z) .     With  this  choice  of  a,  the  values  of  the  first  8  coefficients  can  be  numerically  calculated  and  are  shown  below.     c2 = 0   ! ! !   c4 = 0.31831     c6 = 0.0578338     c8 = 0.0370336     c10 = 0.024811     c12 = 0.0184036     c14 = 0.0144489     c16 = 0.0117963    

3  

Now  the  first  40  numerical  coefficients  of   F(1,1;z)  with   a o = 0  (which  is   F(1,1;n) )  are  plotted  on  a                             log  log  plot.           ! ! !    

log[ F(1,1;n)]

    log(n)     After  the  anomalous  first  point,  the  data  seems  to  be  linear  when  it  is  plotted  on  a  log  log  plot.                 However,  we  shall  soon  see  that  this  data  should  not  be  modeled  by  a  power  law  function.     The  survival  probability  S(1,1;n)  is  can  be  found  by  taking  1  –  nth  partial  sum  of    the  coefficients  of   F(1,1;z)  when  z  is  set  to  1.  As  an  equation,  this  is     (6)   S(1,1;n) = 1 " # F(1,1;z = 1) .   nth partial sum

 

A  graph  of  S(n),  which  is  found  by  applying  equation  (6)  to  the  numerically  inverted   F(1,1;z)  with   a o = 0 ,  is  shown  below.     ! S(1,1;n)    

!

   

4  

n  

III.    

Finding  asymptotic  approximations  to   S(1,1;n)  and   F(1,1;n)  when  the  first  term  of  the   F(1,1;z)  series  is  reduced.  

 

The  method  that  I  use  to  find  the  asymptotic  approximations  to   S(1,1;n)  and   F(1,1;n)  was  originally   ! stated  in  my  unpublished  paper  1.   !

!

 

First  form   S(1,1;n) .      

 (6)  

S(1,1;n) = 1 "

!

# F(1,1;z = 1)  

!

nth partial sum

 

!

,$ 1 * $ 1 2k '' 2 / .& a o + + & z ))z 1 # k=1 % k (( 1 % .   ! =1" + . $ 1 * $ 1 2k '' 1 nth partial sum. & z )) 1 .- &%1 + # + (( 0 z=1 k=1 % k  

2

Now  add  and  subtract  a  term  which  is  equal  to   (1 " a o )z  in  the  numerator.    

,$ 1 * $ 1 2k '' 2 / 2 .&1 + + & z ))z " (1 " a o )z 1 (( % # k=1 % k 1   =1" + . ! * $ ' $ ' 1 1 1 2k nth partial sum. &1 + + & z )) .10 (( % # k=1 % k z=1

 

, / . 1 (1 " a o )z 2 2 . 1 .   S(1,1;n) = 1 " + z " * $ ' $ ' 1 1 2k 1 nth partial sum . &1 + + & z ))1 .((0 z=1 % # k=1 % k

 (7)  

 

2

Consider  now  the  nth  partial  sum  of   z :   (8)  

" [z 2 ]

nth partial sum

.   z=1

! The  nth  partial  sum  of  only  the   z 2  term  in  the  brackets  of  equation  (8)  is  always  1  because  the  coefficient   2 4 2 that  multiplies   z  is  1.  When  the  next  partial  sum  is  taken  up  to  the   z  term,  the   z  term  still  makes  a   4 4 ! contribution  of  1,  and  since  there  is  no   z  term,  the   z  term  makes  a  contribution  of  0.  Adding  these   ! contributions  together  still  equals  1.  So   " [z 2 ] = 1.   !

!

 

Now  apply  this  result  to  (7).  !    

nth partial sum

z=1

!

, ,! / / . . 1 1 2 (1 " a )z o 1 1   S(1,1;n) = 1 " .1 " + . . nth partial sum.$ 1 * $ 1 2k ''1 1 & z ))1 1 . .-&%1 + # + % k ((0 z=1 0 k=1  

5  

!

!

(9)  

 

, / . 1 2 (1 " a )z o 1   S(1,1;n) = + . * $ ' $ ' 1 1 . 1 2k nth partial sum 1 + z & ) + & ) .-% # k=1 % k ((10 z=1

The  next  step  is  the  key  to  the  method  for  finding  the  approximation  to  S(1,1;n).      

! Use  the  first  two  terms  of  the  Taylor  series  expansion  of   1 ,  which  are   1 " x + O(x 2 ) ,  and  apply  this  to   1+ x equation  (9).    

(10)  

S(1,1;n) "

% 1 + % 1 2k ((0 2 (1 # a )z , / '1 # !, ' z **2   ! o ))1 z=1 & $ k=1 & k nth partial sum .

 

To  achieve  the  nth  partial  sum  of  this  series,  the  upper  k  index  in  the  sum  in  brackets  should  be  set  equal  

n "1.  The  highest  power  of  z  is  then   2k max + 2  which  when  evaluated  at   ! 2 #n & n k max = "1  will  give  an  upper  z  index  of   2% "1( + 2 = n .  This  choice  of   k max  will  only  allow  terms  up   $2 ' 2 to  a  time  =  n  when  the  nth  partial  sum  is  taken.     ! ! !   Using  this  value  of   k max  as  the  upper  limit  in  the  k  sum  is  equivalent   ! to  taking  the  nth  partial  sum.     ! Insert  this  result  for   k max  into  equation  (10)  and  also  let  z-­‐>1.   to   k max  which  should  equal  

 

%n ( %n ( %n ( % (/ % ( % ( !, ' #1* ' #1* ' #1* &2 ) &2 ) &2 ) . % ( 1 % ( % ( ' * ' * ' 1 1 1 1 1 1 * S(1,1;n) " .(1# a o )z 2 '1# + ' z 2k **1 = (1# a o )(1) 2 '1# + ' *(1) 2k * = (1# a o )'1# + ' **.   ! ' $ k=1 & k )*1 ' $ k=1 & k ) * ' $ k=1 & k )* .& )0 z=1 & ) & )

 

Now  transform  this  expression  by  using  the  opposite  of  the  Taylor  series  expansion  that  was  used  above,   now  converting  from  1 " x  to    

(11)   So   S(1,1;n) "

!

1 .   1+ x

(1 # a o )

%n ( % ( ' #1* ! ' 1 & 2 ) % 1 (* '1 + $ + '& k *)* k=1 ' * & )

=

(1 # a o ) % 1 % n (( '1 + HarmonicNumber' #1** & 2 )) & $

!  

6  

.  

!

Now  the  fit  from  equation  (11)  is  plotted  along  with  the  S(1,1;n)  data  that  was  graphed  on  the  bottom  of   page  4.    

The  blue  curve  is  the  exact  S(1,1;n)  that  was  plotted  on  page  4  and  which  comes  from  using   S(1,1;n) = 1 " # F(1,1;z = 1)  (equation  (6)),  where   F(1,1;z)  is  given  by  equation  (5b).                                                           nth partial sum

The  first  few  coefficients  of   F(1,1;z)  obtained  in  this  way  are  shown  on  the  second  half  of  page  3.    

The  yellow  curve  is  the  approximate  S(1,1;n)  that  is  found  from  equation  (11).  

!

 

  S(1,1;n)    

!

  n  

 

The  agreement  between  these  two  curves  is  very  good,  the  yellow  being  about  3%  above  the  blue  curve   at  n=80.      

It  is  useful  to  note  that  when  an  arbitrary  L  is  used  so  that  F(L,L;z)  is  given  by  equation  (5a),  S(L,L;n)   becomes  the  following  using  the  steps  that  were  outlined  before  on  page  6.    

, / . 1 2L (1 " a )z o  (9b)   S(L, L;n) = 1   + .$ * ' $ ' 1 1 2k 1 nth partial sum . & z ))1 .-&%1 + # + ((0 z=1 k=1 % k  

!

Note  that  the  only  difference  between  equation  (9)  and  (9b)  is  that  in  (9b)  there  is  a   z 2 numerator  instead  of   z .  

2L

 in  the  

 

% 1 + % 1 2k ((0 2L  (10b)   S(L, L;n) " , /(1 # a o )z '1 # , '& z *)*2   ! & $ k=1 k )1 z=1 nth partial sum . !   Now  the  upper  limit  in  the  k  sum  should  be   k max .  The  total  z  exponent  when   k max  is  used  should  be  n.    

!

So   2L + 2k max = n .    

!

7  

!

So   k max =  

Now  insert  this  value  for   k max  into  equation  (10b).  Inserting  this  value  of   k max  as  the  upper  limit  of  the   sum  in  equation  (10b)  is  equivalent  to  taking  the  nth  partial  sum  of  the  series.    

!

!

n " L .   2

, % .! ' 1 S(L, L;n) " .(1 # a o )z 2L 1 # '' $ .&  

(/ % % 1 2k (*1 1 + '& z *)*1 = (1 # a o )''1 #! * ' $ k=1 k )10 z=1 &

n #L 2

( % 1 (* + '& *)*   k=1 k * )

n #L 2

And  finally    

(11b)   S(1,1;n) "

(1 # a o ) %n ( % ( ' #L * &2 ) % 1 (* ' 1 1 + ' ** + ' $ k=1 & k )* ' & )

=

(1 # a o ) % 1 %n (( 1 + HarmonicNumber # L ' ** ' &2 )) & $

.  

   

  ! Now  find  an  asymptotic  fit  to   F(1,1;n)  by  using  the  relation    

#S(1,1;n) .   #n !

(12)       F(1,1;n) = "  

% ( ' * (1 " a o ) #' *   ! =" + . % ( #n ' 1 n * '&-,1 + $ HarmonicNumber'& 2 "1*)0/*)  

Mathematica  10.2  gives  for  this  derivative  the  following:    

$# 2 *$ n ' -' (1 " a o )& " HarmonicNumber,& "1),2/) )# n & , +% 2 ( .( % 6  (13)   F(1,1;n) = ,   w here   HarmonicNumber +%$ "1(',2.   2 * 2 $ 1 * n -' 2 # &1 + HarmonicNumber, "1/) + 2 .( % # n "1 2

1 .   2 k k=1

means   #

!

 

!

So   F(1,1;n)  is  not  modeled  by  a  power  law  fit  in  n.  Instead  it  involves  HarmonicNumber  terms  which   become  similar  to  ln  when  the  HarmonicNumber  argument  becomes  large.  And  so  we  now  see  why   ! F(1,1;n)  should  not  be  modeled  by  a  power  law  function.     8  

Now  the  fit  from  equation  (13)  with  L=1  is  compared  to  the  exact  expression  for   F(1,1;n)  that  was   graphed  at  the  top  of  page  4.     The  blue  curve  is  the  exact  F(1,1;n)  that  was  plotted  on  page  4.   The  yellow  curve  is  the  approximate  F(1,1;n)  that  is  found  from  equation   ! (13).            

Log[F(1,1;n)]

    The  approximate  (yellow)  curve  is  too  low  by  a  factor  that  is  just  about  equal  to  2.    

 

9  

  Log[n]  

IV.    

Finding  asymptotic  approximations  to   S(L, L,n)  and   F(L, L;n)  when  a  single  general  term   of  the   F(L, L;z)  series  is  reduced.  

 

Now  consider  the  series    

! (13.5)   F(L, L;z) =

, 1 .1 + - "

! ! # 1 2k & 1 1 2m 1 z + * %$ z (' + a m k " m " k=1 # 1 + # 1 2k && %1 + * % z (( '' $ " k=1 $ k

m)1

# 1 2k &/ 2L % z (1z '0 k=m+1 $ k +

*

 where   0 " a m < 1.  

 

In  this  series,  a  middle  term  of  index  m  has  been  lowered  by  a  multiplicative   ! constant   a m  that  is  between         0  and  1.  

!

 

Now  find  an  approximate  expression  for  the  survival  probability   S(L, L;n)  using  equation  (6),  which  is    

(6)  

S(L, L;n) = 1 "

!

# F(L, L;z = 1) .   nth partial sum

 

,, 1 ..1 + - # ! S(L, L;n) = 1 " * . nth partial sum . .-

! $ 1 2k ' 1 1 2m 1 z + * &% z )( + a m k # m # k=1 + $ 1 $ 1 2k '' &1 + * & z )) % # k=1 % k ((

m"1

 

$ 1 2k '/ 2L / * &% z )(1z 1 0 1 k=m+1 k   1 10 z=1 +

$ 1 1 2m ' 2L z )z  in  the  numerator.   %# m (

Now  add  and  subtract  a  term  which  is  equal  to   (1 " a m )&  

, $ 1 1 2m ' 2L / (1 " a m )& z )z 1 . % ( 1 # m 2L  (14)   S(L, L;n) = 1 " .   + .z !" $ 1 * $ 1 2k '' 1 nth partial sum . &1 + + & z )) 1 .(( 0 z=1 % # k=1 % k  

There  is  no  contribution  from  the  bracketed  partial  sum  in  equation  (14)  until  n=2L.  So  for  n=0  to  n=2(L-­‐ 1),   S(L, L;n)  is  1-­‐0=1.      

! Starting  at  n=2L  and  going  up  to  n=2m+2L,  the  partial  sum  from  the   z 2L  term  contributes  1  so  that   S(L, L;n) = 1 "1 = 0 .    

!

For  n>2m+2L,   S(L, L;n)  is  given  by    

! , , $ 1 1 2m ' 2L / $ 1 1 2m ' 2L / (1" a ) z z (1" a ) z )z 1 ) 1 . . m & m & % ( % ( 1 # m # m 1 = + . (15)   .   !     S(L,L;n > 2m + 2L) = 1"1+ + . $ * * $ 1 $ 1 2k '' 1 1 $ 1 2k '' 1 nth partial sum. nth partial sum. & z )) 1 & z )) 1 .- &%1+ # + .- &%1+ # + (( 0 z=1 (( 0 z=1 k=1 % k k=1 % k  

!

10  

As  was  done  before,  use  the  approximation     (16)    

1 " 1 # x + O(x 2 )  to  rewrite  equation  (15).   1+ x

% 1 1 2m ( 2L % 1 + % 1 2k ((0 S(L, L;n > 2m + 2L) " , /(1 # a m )' z *z '1 # , ' z **2   &$ m ) & $ k=1 & k ))1 z=1 nth partial sum. !  

, $ 1 1 ' 2m+2L $ 1 * $ 1 2k ''/ = + .(1 " a m )& )z &1 " + & z ))1 .   %# m( ((0 z=1 % # k=1 % k nth partial sum   When  n=2m+2L,  the  allowable  value  of   k max  will  have  to  be  0  since   n = 2m + 2L = 2m + 2L + 2k max .     When  n>2m+2L,  the  allowable  value  of   k max  will  be  such  that   n = 2m + 2L + 2k max ,  or    

k max =

n " m " L .   2

!

!

!

!

  So  the  upper  index  of  the  sum  for   S(L, L;n > 2m + 2L)  should  be  adjusted  to  a  value  that  is  equal  to   k max .  This  is  equivalent  to  taking  the  nth  partial  sum  of  the  series.    

, % 1 1 ( 2m+2L % 1 S(L, L;n > 2m + 2L) "! *z .(1 # a m )' '1 # &$ m) & $ -

% 1 2k ((/ z **1   ))0 k=1 k

kmax

+ '&

z=1

 

+ $ $ ' 1 1 1 2m+2L & = -(1 " a m )& 1" )z && # %# m( -, %

n "m"L 2

*

k=1

'. $ 1 2k ')0 & z ))0 .   % k () (0/ z=1

  Now  set  z=1.    

+ $ $ 1 1 ' 2m+2L & 1 = -(1 " a m )& 1" )(1) && # %# m( -, %

n "m"L 2

*

k=1

'. + $ $ 1 2k ')0 $ 1 1 '& 1 & (1) ))0 = -(1 " a m )& ) 1" %k () % # m (&& # (0/ -, %

n "m"L 2

*

k=1

'. $ 1 ')0 & ))0.   % k () (0/

  Now  use  the  opposite  of  the  Taylor  approximation  (16),  which  is  that  1 " x #

 

11  

!

1 .  This  yields   1+ x

, / . 1 % ( 1 1 . (1 # a )' *1 m . &$ m) 1 .   S(L, L;n > 2m + 2L) " . n % (1 #m#L .' 1 2 % 1 (*1 1 + ' **1 + .' $ ' k=1 & k )* .-& )10  

+ . %1 1( (1 # a m )' * 0 & ) $ m 0   (17)   S(L, L;n > 2m + 2L) " % ( + . 1 n 0 -,'&1 + $ HarmonicNumber-, 2 # m # L0/*)0/  

Now  take  the  negative  derivative  of   S(L, L;n > 2m + 2L)  with  respect  to  n  to  find   F(L, L;n > 2m + 2L) .  

!

 

, / &1 1) (1 " a ) ( + . 1 !#S(L, L;n) m #. '% m* 1   F(L, L;n > 2m + 2L) = " $" ,n /)1 #n #n . & 1 .-('1 + % HarmonicNumber.- 2 " m " L10+*10  

+ % 1 1 (% $ 2 +n .(. # HarmonicNumber- # m # L,20*0 - (1 # a m )' *' ,2 /)0 & ) $ m 6 & (18)   F(L, L;n > 2m + 2L) "   2 0 % 1 +n .( 2 $ '1 + HarmonicNumber- # m # L0* 0 ,2 /) & $ , /  

Now  the  approximate  theoretical  values  for   S(L, L;n > 2m + 2L)  (equation  (17))  and   F(L, L;n > 2m + 2L)  (equation  (18))  are  compared  to  the  exact  expressions  for  these  functions  which   ! are  found  by  numerically  inverting  the   F(L, L;z)  series  given  by  equation  (13.5)  using  the  series   coefficient  command  in  Mathematica  10.1  to  obtain   F(L, L;n) ,  and  then  taking     1  –  (the  nth  partial  sum  of  the   F(L, ! L;n)  function)  that  results  from  the  inversion  to  obtain  S(L,L;n).     For  these  calculations,  L  has  ! been  chosen  to  be  5,  m  has  been  chosen  to  be  10,  and   a10  has  been  chosen                 !of   F(L, L;z)  (equation  (13.5))  is  missing.     to  be  0  so  the  k=10  term  in  the  numerator  

!

! !

 

12  

Here  is  the  comparison  for   S(L, L;n > 2m + 2L) .     The  blue  curve  is  the  exact  result  that  is  obtained  from  taking  1  –  (nth  partial  sum  of   F(L, L;n) )  which   has  been  numerically  inverted  from   F(L, L;z)  that  is  given  by  equation  (13.5).     ! The  yellow  curve  is  the  approximate  theoretical  value  which  is  equation  (17).     ! S(L, L;n)     !  

!

  The  agreement  for  S(L,L;n)  is  excellent  once  again.  

  n  

   

Here  is  the  comparison  for   F(L, L;n > 2m + 2L) .     The  blue  curve  is  the  exact  result  that  is  obtained  by  inverting   F(L, L;z)  (equation  13.5)  numerically.     The  yellow  curve   !is  the  approximate  theoretical  value  which  is  equation  (18).       Log[F(L, L;n)] !    

  The  theoretical  (yellow)  fit  for  F(L,L;n)  is  too  low  once  again  by  a  factor  of  about  2.   13  

 

Log[n]  

V.   Approximating  the  full   S(L, L;n)  and   F(L, L;n)  functions  when  many  series  coefficients  in     F(L,L;z)  are  lowered.     Now  form  the  full   F(L, L;z)  function  for  a  symmetric  random  walk  in  2d  that  starts  at  (x,y)=(L,L)  on  a   ! to  approximate   ! S(L, L;n)  and   F(L, L;n) .   square  lattice  and  try     The  exact  expression  for   F(L, L;z)  is  given  by  equation  (1),  which  is  approximated  well  by  equation  (2).     ! Equation  (2)  is  of  the  form  ! !  

#! 1 ) # 1 & 2L 2k & % a o + * % a k z ((z '' " k=1 $ k $  where  all  the  a  coefficients  are  between  0  and  1.   F(L, L;z) = # 1 ) # 1 2k && %1 + * % z (( $ " k=1 $ k ''

  In  section  III  (equation  (11b)  of  this  paper),  the  contribution  to   S(L, L;n)  from  the  first  lowered  term  in   the  numerator  was  shown  to  be     (11b)   S(L, L;n > 2L) contribution from first term "

(1 # a o )

.   % 1 ! %n (( '1 + HarmonicNumber' # L ** &2 )) & $

  In  section  IV  (equation  (17)  of  this  paper),  the  contribution  to   S(L, L;n)  from  each  of  the  other  lowered   terms  in  the  numerator  was  shown  to  be   !   (17)  

S(L, L;n > 2m + 2L) contribution from other terms

+ . %1 1( (1 # a m )' * - ! 0 & ) $ m 0.   "+n .(0 -% 1 -,'&1 + $ HarmonicNumber-, 2 # m # L0/*)0/

  The  a  coefficients  have  the  following  form  which  is  seen  from  equation  (2):    

!

ao =  

(2L)! ,   2 (L!) 2 4L

" 4( L+m )(1 % 2( L+m ) " % " % L 1 $ $1 + ' ' $1 ( ' $# m& ' # 2(L + m) & .   am = $ 1 2( L+m )(1 ' 2L+m+ 2 " % 1 $ "1 + 2L % ' ' $1 ( ' $$ ' m& # (L + m) & ## &  

 

14  

!

The  full  expression  for   S(L, L;n)  is  found  by  adding  all  the  contributions  to  S  from  equations  (11b)  and   (17).  This  yields    

S(L, L;n > 2L) " S(L, L;n > 2L) contribution from first term + S(L, L;n > 2m + 2L) contribution from other terms .     ! $ ' *1 1(1 " a ) / ) m & m , (1 " a o ) +# m. & )   = +0 * 1 * $n ' m=1& $n ') 1 1 + HarmonicNumber " m " L ,1 + HarmonicNumber& " L)/ , & )(/.) &%+ # %2 (. %2 + # ( max

 

* # # 4( L+m )"1 && 2( L+m ) # & # & L 1 , % % %1 + ( ((/ %1 " ( , % %$ m' ((/ $ 2(L + m) ' 1 " , % % 1 (/ 2( L+m )"1 ( 2L+m+ 2 # & # & 2L 1 # , % % (2L)! & ((/ ( %1 " ( ((/ %1 " 4 L % % %$1 + m , 2( m' $ (L + m) ' # 1 1 &$ $ '' $ 2 (L!) ' / .   = + 0,% ( # 1 *n -& m=1,$ ) m ' # 1 *n -& / %1 + HarmonicNumber, " L/( %1 + HarmonicNumber, " m " L/( / , +2 .' +2 .' $ ) $ ) , / , / , / ,+ /. max

 

The  maximum  value  that  m  can  be  in  the  sum  to  the  right  is  determined  from  the  argument  in  the   HarmonicNumber  term.  This  argument  must  be  at  least  1.  As  m  grows,    

So  the  condition  for  finding   m max  is  that    

So   m max =  

n " L "1 .   2 !

n " m " L  decreases.   2

n " m max " L = 1 .     2 !

!

A  good  approximation  to  S(L,L;n)  is  therefore    

(19)   * # # &&2( L+m ) # & 4( L+m )"1 ((/ 1 , % % #%1 + L &( %1 " ( , % %$ ((/ m' $ 2(L + m) ' 1 " , % % 1 (/ 2( L+m )"1 ( 2L+m + 2# & # & 2L 1 # , % (/ (2L)! & % ( n ( %1 " ( "L"1 ((/ %1 " 4 L % % %$1 + , 2( 2 m' $ (L + m) ' '' 1 1$ $ $ 2 (L!) ' / S(L, L;n > 2L) = + 0 , # *n -& m =1 , ) m # *n -& / 1 1 %1 + HarmonicNumber, " L/( %1 + HarmonicNumber, " m " L/( / , +2 .' +2 .' ) ) $ $ , / , / , / ,+ /.

 

15  

Mathematica  10.2  could  not  find  exact  expressions  for  any  of  the  sums  at  the  right  of  equation  (19)  for   general  L,  or  for  a  fixed  value  of  L.     Now  compare  the  results  from  equation  (19)  to  the  exact  result  for  S(L,L;n)  which  is  found  by  inverting   F(L,L;z)  that  is  given  by  equation  (1)  using  the  series  command  in  Mathematica  10.1  and  then  applying   equation  (6),  which  is      (6)     S(L, L;n) = 1 " # F(L, L;z = 1) ,  to  find  S(L,L;n).   nth partial sum  

Below  is  shown  this  calculation  for  L=1.     The  blue  curve  is  the  exact  S(L,L;n)  using  the  inversion  of  equation  (1).   The  yellow  curve  is  the  approximate  solution,  which  is  equation  (19).   !    S(1,1;n)    

    Next  is  shown  the  same  comparison  for  L=10.      S(10,10;n)    

   

For  both  calculations,  the  approximate  curve  (yellow  or  red)  starts  under  the  exact  curve  (blue).                     Soon  after,  the  approximate  curve  is  above  the  blue  curve  and  mimics  its  shape  with  about  3%  error  by   n=150.     16  

  n  

  n  

Now  replace  the  sum  at  the  right  with  an  integral.  This  is  an  approximation.      

Also  rewrite  the  HarmonicNumber[x]  terms  using  the  approximation  ln(x)  +   " ,  where   "  is  Euler’s  second   constant  which  is  about  equal  to  0.5772.    

(20)   + $ $ 4( L+m )#1 '' . !2( L+m ) $ ! 1 ' & & $&1 + L ') ))0 &1 # ) & &% ))0 m( % 2(L + m) ( &1 # & 1 ))0 2L+m + 2$ ' 2( L+m )#1 ))0 $ ' 2 L 1 $ & (2 L)! ' & n ) &1 # ) #L#1 & &1 + ))0.   &1 # 4 L ) -$ dm ' &% 2 m( % (L + m) ( %% (( % 2 (L!) 2 ( 0 S(L, L;n) " + 2 -& ) $ $ '' $ +n '' % m ( . . 1 $ +n 1 0 &1 + & ln- # L 0 + 1 )) & * + & ln- # m # L 0 + 1 )) 0 / / * % ,2 (( % ,2 (( % % 0 0 0 -, 0/

  Compare  this  result  with  the  continuous  result  for   S(R;T)  that  applies  for  a  particle  pulse  that   continuously  diffuses,  starting  at  a  distance   ro  from  the  origin,  to  a  central  particle  at  the  origin  of  radius   a  with  an  absorbing  boundary  condition  at  r=a.  This  formula  is  given  in  my  unpublished  paper  3   (equation  (4))  and  is   !   (21)  

$ 2 ' + d* "*!T [ J 0 (*R)Y 0 (* ) " J 0 (* )Y 0 (*R)] S(R;T) = "& ) , e .   2 2 %# ( 0 * J 0 (* ) + Y 0 (* ) 2

  In  this  formula,   R  is  a  dimensionless  distance  and   T  is  a  dimensionless  time.  They  are  equal  to    

!

ro Dt  and   T = 2 ,  where   ro  is  the  initial  distance  of  the  center  of  the  moving  particle  from  the  origin,   a a ! particle,   t  is  the  dimensional  time,  and   a  is  the  radius  of  the   D  is  ! the  diffusion  constant  for  the  moving   diffusing  particle.   J 0  and   Y 0  are  Bessel  functions  of  the  first  kind.   R=

  ! ! comparing  the  continuous  equation  for   S(R;T)  (equation  (21))  to  the  lattice  equation  for  S(L,L;n)   When   (equation  (20)),   ro  should  be  set  equal  to  ! 2 L .  This  is  because  when  !the  diffusing  particle  starts  at  

!

!

(x,y)=(L,L),  it  is  a  distance  of  

( )

( 2 ) L  from  the  origin.  

!   It  was  !shown  in  my  unpublished  paper  20  that  a  good  choice  for  a  is  0.5,  and  a  good  choice  for  D  is  1,               ! so  that  the  survival  probability  that  is  calculated  from  equation  (21)  and  lattice  results  for  S(L,L;n)  are   nearly  the  same.   !   When  finding  a  long  time  asymptotic  result  for   S(R; T large) ,  only  small  values  of   "  will  contribute  to   "# 2T

the  integral  because  of  the  exponential  term   e .     Then  the  small  argument  approximations  for  the  Bessel  functions  in  (21)  can  be  used  since  their   ! argument  is  small.  This  is  also  done  i! n  my  unpublished  paper  (3).    

!

17  

The  small   "  expansions  of   J o (" )  and   Y o (" )  are     !

J o (" ) # 1  and   Y!o (" ) #

2 %! % " ( ( ' ln' * + + * .   $ & &2) )

  So  S(R;T)  becomes:  

!

 

% 2 , ,+ / / 2 , , +R / /( (1) ln + 2 # (1) . . 1 1 . ln. 1 + 2 1* ' % 2 ( 3 d+ #+ T & $ - - 2 0 0 $ - - 2 0 0)   S(R;T large) " #' * 4 e 2 &$ ) 0 + , / 2 , ,+ / / (1) 2 + . . ln. 1 + 2 11 - $ - - 2 0 00 2

 

+ . $ 2 ' 0 &%" # ln ( R))( $ 2 ' 2 d* " * T 0 .   = "& ) 3 e 20 %# ( 0 * + 2 + + * . .. --1 + - - ln- 0 + 1 00 00 , , # , , 2 / // / 2

  -

(22)  

S(R;T large) "

. 0

& ) ( + ln ( R)] [ d# $# T ( + .   e 2 ( % 2 & &# ) ) + # + ( ln( + + , + + ( ' 4 ' '2* * * 2

  Equation  (22)  for  continuous  diffusion  is  almost  like  equation  (20)  which  approximates  S(L,L;n)  for   lattice  diffusion.   !   In  equation  (22),   "  takes  the  place  of  m.  There  is  a   in  equation  (20).      

d" dm  term  in  equation  (22),  just  as  there  is  a    term   " m

"2 (20).     !4  term  takes  the  place  of  the   "  term  in  equation   !

!enominator  of  equation  (22),  the   In  the  d

  The  ln  term  in  the  denominator  of  equation  (22)  is  raised  to  the  second  power,  while  the  ln  term  in  the   denominator  in  equation  (20)  is  raised  to  the  first  power.   !   !  

18  

It  is  hard  to  see  how  the   e

"# 2T

 in  equation  (21)  corresponds  to  the  

# # && 2( L+m ) # & 4( L+m )"1 (( 1 % % #%1 + L &( %1 " ( % %$ m' (( $ 2(L + m) ' %1 " % (  term  in  equation  (19)  for  any  value  of  m.     1 !2L+m+ 2( L+m )"1 ( 2# 1 & % % # 2L & (( 1 + 1 " % ( % ( (( % %$ m' $ (L + m) ' '' $ $

  However,  as  m  becomes  large,  each  of  the  terms  in  parentheses  above  do  become  exponential  terms.      

" % 2( L+m ) " % 4( L+m )(1 ' 1 $ "$1 + L %' $1 ( ' # e 2L e"2 & $# m& ' # 2(L + m) & In  fact,  when  m  is  large,   $  becomes   % 2L "2 ( = 1 .   1 2( L+m )(1 ' 2L+m+ $e e ' 2" 1 % $ "1 + 2L % ' 1 ( ' $ ' $$ ' m& # (L + m) & ## &

  Another  interesting  fact  about  equation  (20)  is  that  as  m  goes  to   !infinity,  which  means  that  n  goes  to   infinity,  equation  (20)  for  S(L,L;n)  for  lattice  diffusion  goes  to  0.       !

*

This  is  seen  because  the  first  term  in  equation  (20)  has   ,1 +

+

$n '1 HarmonicNumber& # L)/  in  the   %2 (. "

denominator.  As  n  goes  to  infinity,  the  denominator  goes  to  infinity  and  causes  the  first  term  to  be  0.       The  second  term  in  (20),  which  consists  of  a  ! sum,  also  goes  to  0  as  m  goes  to  infinity.  This  is  because  the  

# # 4( L+m )"1 && 2( L+m ) # & # & L 1 % % %1 + ( (( %1 " ( % %$ m' (( $ 2(L + m) ' numerator  is   %1 " % (  which  becomes  (1-­‐1)  as  m  goes  to  infinity,   1 2( L+m )"1 ( 2L+m+ 2# 1 & % % # 2L & (( ( %1 " ( (( % % %$1 + m' $ (L + m) ' '' $ $ * $n 'and  also  because  the  denominator,  which  is   , " + HarmonicNumber& # m # L)/ ,  becomes  infinite  as   %2 (. + m  g!oes  to  infinity  making  the  second  term  zero  also.       S(L,L;n)  should  be  0  for  large  values   ! of  n  because  symmetric  random  walks  in  2d  are  recurrent,  so  that   the  diffusing  particle  must  eventually  find  the  origin  and  then  not  survive  anymore.  

 

19  

VI.   Conclusion     I  have  shown  a  method  for  approximating  the  Survival  probability  S(L,L;n)  and  the  first  passage   probability  F(L,L;n)  for  a  single  particle  that  symmetrically  diffuses  from  a  2d  lattice  position  (L,L)  and   travels  to  the  origin  (0,0).     This  method  involves  rewriting  the  generating  function  for  the  first  passage  probability  F(L,L;z)  as  the   ratio  of  two  nearly  harmonic  series.  By  lowering  a  single  term  in  the  numerator  of  F(L,L;z)  and  showing   how  this  can  affect  S(L,L,n)  and  F(L,L;n),  I  was  able  to  create  an  approximate  S(L,L;n)  function  by  adding   together  the  contributions  from  individual  lowerings  of  the  terms  in  the  numerator  of  F(L,L;z).     This  yielded  good  results,  especially  for  finding  S(L,L;n).     When  the  first  term  in  the  numerator  of  the  series    

# 1 ) # 1 2k && 2L % a o + * % z ((z " k=1 $ k '' $ (5a)   F(L, L;z) =  was  lowered,  the  resulting  S(L,L;n)  and  F(L,L;n)  functions   # 1 ) # 1 2k && %1 + * % z (( $ " k=1 $ k '' were    

!

(11b)   S(L, L;n > 2L) contribution from first term "

(1 # a o ) % 1 %n (( '1 + HarmonicNumber' # L ** &2 )) & $

 

  and    

!

$# 2 *$ n ' -' (1 " a o )& " HarmonicNumber,& " L ),2/) ( .( +% 2 % 6 (13b)   F(1,1;n) = .   2 $ 1 *n -' 2 # &1 + HarmonicNumber, " L/) +2 .( % #   When  a  general  term  was  lowered  in  the  numerator  of  the  series    

! (13.5)   F(L, L;z) =

, 1 .1 + - "

F(L,L;n)  functions  were    

m)1

#1 & 1 1 2m 1 z + * %$ z 2k (' + a m k " m " k=1 + # 1 # 1 2k && %1 + * % z (( '' $ " k=1 $ k

!  

20  

# 1 2k &/ 2L % z (1z '0 k=m+1 $ k +

*

,  the  resulting  S(L,L;n)  and  

(17)  

S(L, L;n > 2m + 2L) contribution from other terms

+ . %1 1( (1 # a m )' * 0 & ) $ m 0   "+n .(0 -% 1 -,'&1 + $ HarmonicNumber-, 2 # m # L0/*)0/

  and    

!

!

+ % 1 1 (% $ 2 +n .(. # HarmonicNumber- # m # L,20*0 - (1 # a m )' *' ,2 /)0 & $ m )& 6 (18)   F(L, L;n > 2m + 2L) " .   2 0 % 1 +n .( 2 $ '1 + HarmonicNumber- # m # L0* 0 ,2 /) & $ , /   Finally,  when  the  complete  series    

# & 2L 1 ) #1 2k & a + a z % ( * % o (z k '' " k=1 $ k $  was  considered,  where     F(L, L;z) = # 1 ) # 1 2k && %1 + * % z (( $ " k=1 $ k ''  

ao =  

(2L)!  and   2 (L!) 2 4L

" 4( L+m )(1 % 2( L+m ) " % 1 $ "$1 + L %' ' $1 ( ' $# m& ' # 2(L + m) & ,   am = $ 1 2( L+m )(1 ' 2L+m+ 2" 1 % $ "1 + 2L % ' ' $1 ( ' $$ ' m& # (L + m) & ## &   the  resulting  S(L,L;n)  function  was   (19)   * # # &&2( L+m ) # & 4( L+m )"1 ((/ 1 , % % #%1 + L &( %1 " ( , % %$ ((/ m' $ 2(L + m) ' 1 " , % % 1 (/ 2( L+m )"1 ( 2L+m + 2# & # & 2L 1 # , % (/ (2L)! & % ( n ( %1 " ( "L"1 ((/ %1 " 4 L % % %$1 + , 2( 2 ' m $ (L + m) ' '' 1 1 $ $ $ 2 (L!) ' / S(L, L;n > 2L) = + 0 , # # & *n -& * 1 ) m 1 n m =1 , / %1 + HarmonicNumber, " L/( %1 + HarmonicNumber, " m " L/( / , +2 .' +2 .' ) ) $ $ , / , / , / ,+ /.

.    

21  

  A  comparison  was  made  between  the  form  of  the  S(L,L;n)  approximation  for  lattice  diffusion,  and  the   form  of   S(R;T)  for  continuous  diffusion  which  had  been  previously  found  in  my  unpublished  paper  (3).   The  two  long  time  expressions  for  S  were  seen  to  be  similar  in  form  and  are     (20)  

!

+ $ $ 4( L+m )#1 '' . 2( L+m ) $ ' $ ' L 1 & & &1 + ) ))0 &1 # ) & &% ))0 m( % 2(L + m) ( &1 # & 1 )0 2( L+m )#1 ) 2L+m + 2 $ ' $ ' 2L 1 $ ' & & (2L)! ))0 n 1 + 1 # & ) & ) #L#1 & ))0 &1 # 4 L ) & -$ dm ' % % % 2 m( % (L + m) ( (( .   % 2 (L!) 2 ( 0 S(L, L;n) " + 2 -& ) $ $ $ +n . '' . '' 1 $ +n 1 -% m ( 0 &1 + & ln- # L0 + 1 )) & * + & ln- # m # L0 + 1 )) 0 / (( / (( * % ,2 % ,2 % % 0 0 0 -, 0/   -

(22)  

S(R;T) "

. 0

& ) ( + ln ( R)] [ d# $# T ( + e 2 .   2 ( # & &# ) ) + % + ( ( ln( + + , + + ' 4 ' '2* * * 2

    The  approximate  S(L,L;n)  (equation  (20))  that  was  found  in  this  paper  is  somewhat  cumbersome  for  the   ! use  of  calculation,  and  is  not  less  complicated  for  computing  than  finding  an  exact  result  directly  from   equation  (1).       However,  it  is  interesting  to  see  the  process  by  which  the  approximate  S(L,L;n)  is  derived,  and  the   similarities  of  the  form  of  S(L,L;n)  for  lattice  diffusion,  and  S(R;T)  for  continuous  diffusion.  

 

22  

Appendix     In  this  appendix  is  listed  the  Mathematica  10.4.1  code  that  was  used  to  produce  the  graphs  in  this  paper.     Top  Page  4:    Graph  of  Log(F(1,1;n))  vs.  Log(n)    

ListLogLogPlot[ Table[ # 1 150 # 1 2*k && 2 %0 + * ) % * z (( * z   '' " k=1 $ k $ {n,SeriesCoefficient[ ,{z,0,n}]}, # 1 150 # 1 2*k && %1 + * ) % * z (( '' $ " k=1 $ k {n,2,80,2}]]     Bottom  Page  4:    Graph  of  S(1,1;n)  vs.  n    

ListPlot[ Table[ $ ' $ 1 150 $ 1 2*k '' 2 &0 + * * & * z )) * z & )   % ( # k % ( k=1 )}, {n,&1 " Sum[SeriesCoefficient[ ,{z,0,k}],{k,4,n,2}] $ 1 150 $ 1 2*k '' & ) &1 + * * & * z )) & ) (( % # k=1 % k % ( {n,4,80,2}],PlotRange + {{0,82},{0,1}}]    

 

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Page  7:    Graph  of  S(1,1;n)  vs.  n  (Exact  calculation  and  Approximate  fit)     ListPlot[

{Table[ $ '' 1 150 $ 1 0 + * * & * z 2*k )) * z 2 & (( # k=1 % k % {n,1 " Sum[SeriesCoefficient[ ,{z,0,k}],{k,2,n,2}]}, $ ' 1 150 $ 1 2*k ' &1 + * * & * z )) (( # k=1 % k %   {n,2,80,2}], Table[ 1 {n, }, $ +n .' 1 &1 + * HarmonicNumber- " 10) ,2 /( # % {n,2,80,2}]},PlotRange 1 {0,1}]

    Page  9:    Graph  of  Log[F(1,1;n)]  vs.  Log[n]  (Exact  calculation  and  Approximate  fit)    

ListLogLogPlot[ {Table[ # 1 150 # 1 2*k && 2 %0 + * ) % * z (( * z '' " k=1 $ k $ {n,SeriesCoefficient[ ,{z,0,n}]}, # 1 150 # 1 2*k && %1 + * ) % * z (( '' $ " k=1 $ k {n,4,80,2}],   Table[ # & +n . "2 % ( * HarmonicNumber- *1,20 , / 6 2 (}, {n,% 2 % # 1 + n .& ( % 2 * " * %1 + * HarmonicNumber- *10( ( , 2 /' ' $ " $ {n,4,80,2}]}]    

 

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Top  Page  13:    Graph  of  S(L,L;n)  vs.  n  (Exact  calculation  and  Approximate  fit)    

ListPlot[ {Table[ $ 1 9 $ 1 2*k ' 1 150 $ 1 2*k '' 2*5 &1+ * * & * z ) + 0 + * * & * z )) * z ( (( # k=11% k % # k=1% k {n,1" Sum[SeriesCoefficient[ ,{z,0,k}],{k,2,n,2}]}, $ 1 150 $ 1 2*k '' &1+ * * & * z )) (( % # k=1% k {n,2,80,2}], Table[ $ ' 1 1 & ) * )}, # 10 {n,& 2 &$ 1 +n .' ) & &1+ * HarmonicNumber- " 5 "100) ) ,2 /( ( %% #

 

{n,2,80,2}]},PlotRange 1 {{10,80},{".01,.04}}]     Bottom  Page  13:    Graph  of  Log[F(L,L;n)]  vs.  Log[n]  (Exact  calculation  and  Approximate  fit)    

ListLogLogPlot[ {Table[ # 1 9 # 1 2*k & 1 150 # 1 2*k && 2*5 1 + * * z + 0 + * ) % * z (( * z % ( ) % ' '' " k=11$ k $ " k=1 $ k {n,SeriesCoefficient[ ,{z,0,n}]}, 300 # 1 # 1 2*k && %1 + * ) % * z (( '' $ " k=1 $ k {n,30,80,2}], Table[ # 1 1 #" 2 +n .& & * HarmonicNumber- *10 * 5,20( ( % * *% ,2 /' ( " 10 6 $ {n,% }, 2 % # 1 +n .& ( % 2 * " * %1 + * HarmonicNumber- *10 * 50( ( ,2 /' ' $ " $ {n,30,80,2}]}]    

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!

Top  Page  16:    Graph  of  S(L,L;n)]  vs.  n  (Exact  calculation  and  Approximate  fit)  (L=1)     ListPlot[ {Table[ # (2 *1)! & 2*1 1 1 * z * Hypergeometric2F1[1 + ,1 + ,2 *1 + 1,z 2 ] % 4*1 2( $ 2 * (1!) ' 2 2 {n,1 " Sum[SeriesCoefficient[ ,{z,0,k}],{k,0,n,2}]}, 1 1 2 Hypergeometric2F1[ , ,1,z ] 2 2 {n,0,150,2}],   Table[ # # # # && && 2*(1+m ) # & 4*(1+m )"1 (( (( 1 % % % % #%1 + 1 &( * %1 " ( % % % %$ m ' (( (( $ 2 * (1 + m) ' 1 " % % 1 % % ( (( 2*1+m+ 2*(1+m )"1 ( 2 # & # & # % 2 *1 1 % (2 *1)! & % ( (( % ( n * %1 " "1"1 ( ( (( (( %1 " 4*1 % % %1 + % 2( % 2 $ 1+ m' m ' '' 1 1 $ $ $ $ 2 * (1!) ' {n,% + 0 % * * ((}, # & # & * * m 1 n m=1 % ) % 1 + 1 * HarmonicNumber n "1 ( %1 + * HarmonicNumber, " m "1/( (( ,+ 2 /.(' % %$ ) % +2 .' ( $ ) % % (( % % (( %% %% (((( $ '' $ {n,6,150,2}]},PlotRange 1 {0,1.1}]

  Bottom  Page  16:    Graph  of  S(L,L;n)]  vs.  n  (Exact  calculation  and  Approximate  fit)  (L=10)     ListPlot[ {Table[ # (2 *10)! & 2*10 1 1 2 % 4*10 ( * z * Hypergeometric2F1[10 + ,10 + ,2 *10 + 1,z ] $ 2 * (10!) 2 ' 2 2 {n,1 " Sum[SeriesCoefficient[ ,{z,0,k}],{k,0,n,2}]}, 1 1 Hypergeometric2F1[ , ,1,z 2 ] 2 2 {n,0,500,40}],   Table[ # # # # && && 2*(10+m ) # & 4*(10+m )"1 (( (( 1 % % % % #%1 + 10 &( * %1 " ( % % % %$ (( (( m' $ 2 * (10 + m) ' 1 " % % 1 % % ( (( 2*10+m+ 2*(10+m )"1 ( 2 # # % 1 & % (2 *10)! & % % #1 + 2 *10 & ( (( ( n * %1 " "10"1 ( ( (( (( %1 " 4*10 % %% % 2( % 2 $ 10 + m ' m ' '' 1 1 $ $$ $ 2 * (10!) ' {n,% + 0 % * * ((}, # & # & *n m 1 m=1 % ) % 1 + 1 * HarmonicNumber* n "10(( 1 + * HarmonicNumber " m "10 % ,+ 2 /.(' ,+ 2 /.(' % %$ ) % (( $ ) % % (( % % (( %% %% (((( $ '' $ {n,24,500,2}]},PlotRange 1 {0,1.1}]

 

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For  general  L,  the  code  for  plotting  S(L,L;n)  and  its  approximate  fit  is:     ListPlot[ {Table[ # (2 * L)! & 2*L 1 1 2 % 4*L ( * z * Hypergeometric2F1[L + , L + ,2 * L + 1,z ] $ 2 * (L!) 2 ' 2 2 {n,1 " Sum[SeriesCoefficient[ ,{z,0,k}],{k,0,n,2}]}, 1 1 Hypergeometric2F1[ , ,1,z 2 ] 2 2 {n,0,500,40}],   Table[ # # # # && && 2*( L+m ) # & 4*( L+m )"1 (( (( 1 % % % % #%1 + L &( * %1 " ( % % % %$ m ' (( (( $ 2 * (L + m) ' 1 " % % 1 % % ( (( 2*L+m+ 2*( L+m )"1 ( 2 # # % 1 & % (2 * L)! & % % #1 + 2 * L & ( (( ( n * %1 " "10"1 ( ( (( (( %1 " 4*L ( % % 1 1 %$ %$ %$ 2 $ L + m' m ' '' $ 2 * (L!) 2 ' {n,% + 0 % * * ((}, # 1 *n -& % #1 + 1 * HarmonicNumber* n " L-& m=1 % ) m (( %1 + * HarmonicNumber, " m " L/( ,+ 2 /.(' % %$ ) % (( + . 2 $ ) ' % % (( % % (( %% %% (((( $ '' $ {n,2 * L + 4,500,2}]},PlotRange 1 {0,1.1}]

!

 

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