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Hardy–Littlewood Tauberian theorem

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1863: 834: 174: 470: 1289: 2602: 2023: 1757: 2968: 1193: 2823: 1591: 1071: 3052: 1423: 955: 897: 559: 234: 2355: 2401: 368: 2868: 2232: 2754: 673: 499: 263: 3201: 1763: 1666: 595: 340: 71: 2296: 2071: 637: 734: 2991: 2648: 2192: 1342: 1312: 742: 82: 2674: 1620: 376: 2149: 1481: 1114: 1517: 1371: 1449: 1199: 2441: 2421: 2252: 2114: 2094: 1894: 1640: 1094: 983: 693: 2462: 1902: 1674: 2891: 3254: 3218: 1122: 3057:
an equivalent form of the prime number theorem. Littlewood developed a simpler proof, still based on this Tauberian theorem, in 1971.
3282: 3126: 3095: 2762: 2121: 2685: 1525: 994: 3203:. However, then more complicated additional assumptions on the convergence of the Laplace–Stieltjes transform are required. See 270: 962: 3335: 3003: 2873:
This came historically before the Hardy–Littlewood Tauberian theorem, but can be proved as a simple application of it.
2676:, but the partial sums of its coefficients are 1, 0, 2, 0, 3, 0, 4, ... and are not asymptotic to any linear function. 1376: 3371: 3330: 2117: 914: 3081: 845: 507: 185: 2456:
The theorem can fail without the condition that the coefficients are non-negative. For example, the function
2301: 3297:
Karamata, J. (December 1930). "Über die Hardy-Littlewoodschen Umkehrungen des Abelschen Stetigkeitssatzes".
2691: 1487: 74: 2360: 3325: 2994: 17: 345: 3347: 3150: 2882: 33: 1858:{\displaystyle F(t)\sim {\frac {1}{\Gamma (\rho +1)}}t^{\rho }L(t),\quad {\text{as}}\ t\to \infty .} 695:. The theorem is sometimes quoted in another equivalent formulation (through the change of variable 2834: 2197: 2709: 642: 478: 242: 3174: 1645: 986: 567: 312: 281: 43: 2257: 2034: 829:{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }a_{n}e^{-ny}\sim {\frac {1}{y}}\ {\text{as}}\ y\downarrow 0} 600: 169:{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }a_{n}e^{-ny}\sim {\frac {1}{y}}\ {\text{as}}\ y\downarrow 0} 698: 465:{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }a_{n}x^{n}\sim {\frac {1}{1-x}}\ {\text{as}}\ x\uparrow 1.} 3344: 3278: 3250: 3214: 3122: 3091: 2976: 2703: 2610: 2154: 958: 274: 25: 1321: 1297: 3306: 2699: 2653: 1599: 1284:{\displaystyle F(t)\sim {\frac {C}{\Gamma (\rho +1)}}t^{\rho },\ {\text{as}}\ t\to \infty .} 289: 3228: 3158: 2127: 1454: 1099: 3224: 3210: 3154: 1493: 1347: 1428: 3142: 2426: 2406: 2237: 2099: 2079: 1879: 1625: 1315: 1079: 968: 678: 293: 37: 3365: 3085: 2695: 2597:{\displaystyle {\frac {1}{(1+x)^{2}(1-x)}}=1-x+2x^{2}-2x^{3}+3x^{4}-3x^{5}+\cdots } 269:
formulation of the theorem relates in an analogous manner the asymptotics of the
3242: 3114: 908: 564:
The theorem is sometimes quoted in equivalent forms, where instead of requiring
285: 29: 2074: 2018:{\displaystyle \lim _{x\to 1}(1-x)\sum a_{n}x^{n}g(x^{n})=\int _{0}^{1}g(t)dt} 3352: 3171:
Bounded variation is only required locally: on every bounded subinterval of
1752:{\displaystyle \omega (s)\sim s^{-\rho }L(s^{-1}),\quad {\text{as}}\ s\to 0} 1116:
is a non-negative real number, then the following statements are equivalent
2963:{\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }\Lambda (n)e^{-ny}\sim {\frac {1}{y}},} 2029: 266: 3310: 3247:
Ramanujan: Twelve Lectures on Subjects Suggested by his Life and Work
2124:
and a little extra fudging) and using the fact that the coefficients
1188:{\displaystyle \omega (s)\sim Cs^{-\rho },\quad {\rm {{as\ }s\to 0}}} 3147:
An introduction to probability theory and its applications. Vol. II
2120:
by approximating it by polynomials from above and below (using the
1486:
A slight improvement is possible. According to the definition of a
907:
The following more general formulation is from Feller. Consider a
1318:. One obtains the theorem for series as a special case by taking 1876:
found a short proof of the theorem by considering the functions
2443:, from which the Hardy–Littlewood theorem follows immediately. 2818:{\displaystyle \sum a_{n}x^{n}\to s\ {\text{as}}\ x\uparrow 1} 1586:{\displaystyle {\frac {L(tx)}{L(x)}}\to 1,\quad x\to \infty } 1066:{\displaystyle \omega (s)=\int _{0}^{\infty }e^{-st}\,dF(t).} 3209:. Springer Series in Soviet Mathematics. Berlin, New York: 40:. In this form, the theorem asserts that if the sequence 1076:
The theorem relates the asymptotics of ω with those of
2881:
In 1915 Hardy and Littlewood developed a proof of the
1380: 3177: 3006: 2979: 2894: 2837: 2765: 2712: 2656: 2613: 2465: 2429: 2409: 2363: 2304: 2260: 2240: 2200: 2157: 2130: 2102: 2082: 2037: 1905: 1882: 1766: 1677: 1648: 1628: 1602: 1528: 1496: 1457: 1431: 1379: 1350: 1324: 1300: 1202: 1125: 1102: 1082: 997: 971: 917: 848: 745: 701: 681: 645: 603: 570: 510: 481: 379: 348: 315: 245: 188: 85: 46: 3195: 3046: 2985: 2962: 2862: 2817: 2748: 2668: 2642: 2596: 2435: 2415: 2395: 2349: 2290: 2246: 2226: 2186: 2151:are positive. In particular the function given by 2143: 2108: 2088: 2065: 2017: 1888: 1857: 1751: 1660: 1634: 1614: 1585: 1511: 1475: 1443: 1417: 1365: 1336: 1306: 1283: 1187: 1108: 1088: 1065: 977: 949: 891: 828: 728: 687: 667: 631: 589: 553: 493: 464: 362: 334: 257: 228: 168: 65: 3090:(2nd ed.). Oxford: Oxford University Press. 3047:{\displaystyle \sum _{n\leq x}\Lambda (n)\sim x,} 1418:{\displaystyle \textstyle {\sum _{k=0}^{n}a_{k}}} 3207:Pseudodifferential operators and spectral theory 1907: 1668:. Then the following statements are equivalent 1373:to be a piecewise constant function with value 2885:based on their Tauberian theorem; they proved 2679: 1642:be a function slowly varying at infinity and 950:{\displaystyle F:[0,\infty )\to \mathbb {R} } 309:This formulation is from Titchmarsh. Suppose 179:then there is also an asymptotic equivalence 8: 3268: 3266: 3076: 3074: 3072: 3070: 2073:have this property, and therefore so do all 892:{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}a_{k}\sim n.} 554:{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}a_{k}\sim n.} 2680:Littlewood's extension of Tauber's theorem 2254:otherwise has this property. But then for 273:of a function with the asymptotics of its 229:{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}a_{k}\sim n} 3176: 3011: 3005: 2978: 2947: 2932: 2910: 2899: 2893: 2845: 2836: 2798: 2783: 2773: 2764: 2735: 2717: 2711: 2655: 2617: 2612: 2582: 2566: 2550: 2534: 2488: 2466: 2464: 2428: 2408: 2387: 2368: 2362: 2338: 2322: 2312: 2303: 2278: 2271: 2259: 2239: 2204: 2199: 2176: 2156: 2135: 2129: 2101: 2081: 2057: 2036: 1991: 1986: 1970: 1954: 1944: 1910: 1904: 1881: 1835: 1813: 1782: 1765: 1732: 1716: 1697: 1676: 1647: 1627: 1601: 1529: 1527: 1495: 1456: 1430: 1407: 1397: 1386: 1381: 1378: 1349: 1323: 1299: 1261: 1249: 1218: 1201: 1163: 1162: 1161: 1148: 1124: 1101: 1081: 1044: 1032: 1022: 1017: 996: 970: 943: 942: 916: 874: 864: 853: 847: 809: 796: 781: 771: 761: 750: 744: 720: 711: 700: 680: 650: 644: 608: 602: 575: 569: 536: 526: 515: 509: 480: 445: 424: 415: 405: 395: 384: 378: 356: 355: 347: 320: 314: 244: 214: 204: 193: 187: 149: 136: 121: 111: 101: 90: 84: 51: 45: 1873: 3109: 3107: 3066: 2350:{\displaystyle \sum a_{n}x^{n}g(x^{n})} 3275:The Development of Prime Number Theory 3249:. Providence: AMS Chelsea Publishing. 2706:. Littlewood showed the following: If 2096:. This can be extended to a function 7: 3348:"Hardy-Littlewood Tauberian Theorem" 2396:{\displaystyle a_{0}+\cdots +a_{N}} 2028:An easy calculation shows that all 296:gave a new and much simpler proof. 3187: 3023: 2980: 2916: 2911: 1849: 1788: 1580: 1301: 1275: 1224: 1174: 1167: 1164: 1023: 933: 762: 488: 396: 252: 102: 22:Hardy–Littlewood Tauberian theorem 14: 2122:Weierstrass approximation theorem 363:{\displaystyle n\in \mathbb {N} } 1519:is slow varying at infinity iff 271:cumulative distribution function 3121:. Providence, RI: AMS Chelsea. 1834: 1731: 1573: 1160: 3273:Narkiewicz, Władysław (2000). 3190: 3178: 3032: 3026: 2925: 2919: 2809: 2789: 2743: 2729: 2686:Littlewood's Tauberian theorem 2660: 2637: 2625: 2506: 2494: 2485: 2472: 2344: 2331: 2167: 2161: 2047: 2041: 2006: 2000: 1976: 1963: 1934: 1922: 1914: 1846: 1828: 1822: 1803: 1791: 1776: 1770: 1743: 1725: 1709: 1687: 1681: 1577: 1564: 1558: 1552: 1544: 1535: 1506: 1500: 1360: 1354: 1272: 1239: 1227: 1212: 1206: 1177: 1135: 1129: 1057: 1051: 1007: 1001: 939: 936: 924: 820: 626: 620: 485: 456: 249: 160: 1: 2863:{\displaystyle \sum a_{n}=s.} 2227:{\displaystyle 1/e<t<1} 3149:. Second edition. New York: 2749:{\displaystyle a_{n}=O(1/n)} 668:{\displaystyle a_{n}\geq -K} 494:{\displaystyle n\to \infty } 258:{\displaystyle n\to \infty } 36:with the asymptotics of its 3331:Encyclopedia of Mathematics 3277:. Berlin: Springer-Verlag. 3196:{\displaystyle [0,\infty )} 1661:{\displaystyle \rho \geq 0} 963:Laplace–Stieltjes transform 590:{\displaystyle a_{n}\geq 0} 335:{\displaystyle a_{n}\geq 0} 66:{\displaystyle a_{n}\geq 0} 3388: 2683: 2291:{\displaystyle x=e^{-1/N}} 2066:{\displaystyle g(x)=x^{k}} 632:{\displaystyle a_{n}=O(1)} 3299:Mathematische Zeitschrift 2452:Non-positive coefficients 1096:in the following way. If 729:{\displaystyle x=1/e^{y}} 73:is such that there is an 32:of the partial sums of a 2986:{\displaystyle \Lambda } 2643:{\displaystyle 1/4(1-x)} 2187:{\displaystyle g(t)=1/t} 300:Statement of the theorem 3087:The Theory of Functions 2694:proved an extension of 1488:slowly varying function 1337:{\displaystyle \rho =1} 1307:{\displaystyle \Gamma } 3205:Shubin, M. A. (1987). 3197: 3048: 2987: 2964: 2915: 2864: 2819: 2750: 2670: 2669:{\displaystyle x\to 1} 2644: 2598: 2437: 2417: 2397: 2351: 2292: 2248: 2228: 2188: 2145: 2110: 2090: 2067: 2019: 1890: 1859: 1753: 1662: 1636: 1616: 1615:{\displaystyle t>0} 1587: 1513: 1477: 1445: 1419: 1402: 1367: 1338: 1308: 1285: 1189: 1110: 1090: 1067: 979: 951: 893: 869: 830: 766: 730: 689: 669: 633: 591: 555: 531: 495: 466: 400: 364: 336: 259: 230: 209: 170: 106: 75:asymptotic equivalence 67: 3198: 3151:John Wiley & Sons 3049: 2995:von Mangoldt function 2988: 2965: 2895: 2865: 2820: 2751: 2671: 2645: 2599: 2438: 2418: 2398: 2352: 2293: 2249: 2229: 2189: 2146: 2144:{\displaystyle a_{n}} 2111: 2091: 2068: 2020: 1891: 1868: 1860: 1754: 1663: 1637: 1617: 1588: 1514: 1478: 1476:{\displaystyle t=n+1} 1446: 1420: 1382: 1368: 1339: 1309: 1286: 1190: 1111: 1109:{\displaystyle \rho } 1091: 1068: 980: 952: 894: 849: 831: 746: 731: 690: 670: 634: 592: 556: 511: 496: 467: 380: 365: 337: 260: 231: 189: 171: 86: 68: 18:mathematical analysis 3326:"Tauberian theorems" 3175: 3004: 2997:, and then conclude 2977: 2892: 2883:prime number theorem 2877:Prime number theorem 2835: 2763: 2710: 2654: 2611: 2463: 2427: 2407: 2403:and the integral of 2361: 2302: 2258: 2238: 2198: 2155: 2128: 2100: 2080: 2035: 1903: 1880: 1764: 1675: 1646: 1626: 1600: 1526: 1512:{\displaystyle L(x)} 1494: 1455: 1429: 1377: 1366:{\displaystyle F(t)} 1348: 1322: 1298: 1200: 1123: 1100: 1080: 995: 969: 915: 903:Integral formulation 846: 743: 699: 679: 643: 601: 568: 508: 479: 377: 346: 313: 243: 186: 83: 44: 2116:with simple (step) 1996: 1444:{\displaystyle t=n} 1027: 3372:Tauberian theorems 3345:Weisstein, Eric W. 3311:10.1007/BF01194636 3193: 3044: 3022: 2983: 2960: 2860: 2815: 2746: 2666: 2640: 2594: 2433: 2413: 2393: 2347: 2288: 2244: 2224: 2184: 2141: 2106: 2086: 2063: 2015: 1982: 1921: 1886: 1855: 1749: 1658: 1632: 1612: 1583: 1509: 1473: 1441: 1415: 1414: 1363: 1334: 1304: 1281: 1185: 1106: 1086: 1063: 1013: 987:Stieltjes integral 985:is defined by the 975: 947: 889: 826: 726: 685: 675:for some constant 665: 629: 587: 551: 491: 462: 360: 332: 305:Series formulation 255: 226: 166: 63: 3256:978-0-8218-2023-0 3220:978-3-540-13621-7 3082:Titchmarsh, E. C. 3007: 2955: 2805: 2801: 2797: 2607:is asymptotic to 2510: 2436:{\displaystyle 1} 2416:{\displaystyle g} 2247:{\displaystyle 0} 2109:{\displaystyle g} 2089:{\displaystyle g} 1906: 1889:{\displaystyle g} 1842: 1838: 1807: 1739: 1735: 1635:{\displaystyle L} 1562: 1268: 1264: 1260: 1243: 1172: 1089:{\displaystyle F} 978:{\displaystyle F} 959:bounded variation 911:-valued function 816: 812: 808: 804: 688:{\displaystyle K} 639:, or we require 452: 448: 444: 440: 275:Laplace transform 156: 152: 148: 144: 26:Tauberian theorem 3379: 3358: 3357: 3339: 3314: 3289: 3288: 3270: 3261: 3260: 3239: 3233: 3232: 3202: 3200: 3199: 3194: 3169: 3163: 3162: 3139: 3133: 3132: 3119:Divergent Series 3111: 3102: 3101: 3078: 3053: 3051: 3050: 3045: 3021: 2992: 2990: 2989: 2984: 2969: 2967: 2966: 2961: 2956: 2948: 2943: 2942: 2914: 2909: 2869: 2867: 2866: 2861: 2850: 2849: 2824: 2822: 2821: 2816: 2803: 2802: 2799: 2795: 2788: 2787: 2778: 2777: 2755: 2753: 2752: 2747: 2739: 2722: 2721: 2675: 2673: 2672: 2667: 2649: 2647: 2646: 2641: 2621: 2603: 2601: 2600: 2595: 2587: 2586: 2571: 2570: 2555: 2554: 2539: 2538: 2511: 2509: 2493: 2492: 2467: 2442: 2440: 2439: 2434: 2422: 2420: 2419: 2414: 2402: 2400: 2399: 2394: 2392: 2391: 2373: 2372: 2356: 2354: 2353: 2348: 2343: 2342: 2327: 2326: 2317: 2316: 2297: 2295: 2294: 2289: 2287: 2286: 2282: 2253: 2251: 2250: 2245: 2233: 2231: 2230: 2225: 2208: 2193: 2191: 2190: 2185: 2180: 2150: 2148: 2147: 2142: 2140: 2139: 2115: 2113: 2112: 2107: 2095: 2093: 2092: 2087: 2072: 2070: 2069: 2064: 2062: 2061: 2024: 2022: 2021: 2016: 1995: 1990: 1975: 1974: 1959: 1958: 1949: 1948: 1920: 1895: 1893: 1892: 1887: 1869:Karamata's proof 1864: 1862: 1861: 1856: 1840: 1839: 1836: 1818: 1817: 1808: 1806: 1783: 1758: 1756: 1755: 1750: 1737: 1736: 1733: 1724: 1723: 1705: 1704: 1667: 1665: 1664: 1659: 1641: 1639: 1638: 1633: 1621: 1619: 1618: 1613: 1592: 1590: 1589: 1584: 1563: 1561: 1547: 1530: 1518: 1516: 1515: 1510: 1482: 1480: 1479: 1474: 1450: 1448: 1447: 1442: 1424: 1422: 1421: 1416: 1413: 1412: 1411: 1401: 1396: 1372: 1370: 1369: 1364: 1343: 1341: 1340: 1335: 1313: 1311: 1310: 1305: 1290: 1288: 1287: 1282: 1266: 1265: 1262: 1258: 1254: 1253: 1244: 1242: 1219: 1194: 1192: 1191: 1186: 1184: 1183: 1173: 1170: 1156: 1155: 1115: 1113: 1112: 1107: 1095: 1093: 1092: 1087: 1072: 1070: 1069: 1064: 1043: 1042: 1026: 1021: 984: 982: 981: 976: 956: 954: 953: 948: 946: 898: 896: 895: 890: 879: 878: 868: 863: 835: 833: 832: 827: 814: 813: 810: 806: 805: 797: 792: 791: 776: 775: 765: 760: 735: 733: 732: 727: 725: 724: 715: 694: 692: 691: 686: 674: 672: 671: 666: 655: 654: 638: 636: 635: 630: 613: 612: 596: 594: 593: 588: 580: 579: 560: 558: 557: 552: 541: 540: 530: 525: 500: 498: 497: 492: 471: 469: 468: 463: 450: 449: 446: 442: 441: 439: 425: 420: 419: 410: 409: 399: 394: 369: 367: 366: 361: 359: 341: 339: 338: 333: 325: 324: 290:J. E. Littlewood 280:The theorem was 264: 262: 261: 256: 235: 233: 232: 227: 219: 218: 208: 203: 175: 173: 172: 167: 154: 153: 150: 146: 145: 137: 132: 131: 116: 115: 105: 100: 72: 70: 69: 64: 56: 55: 3387: 3386: 3382: 3381: 3380: 3378: 3377: 3376: 3362: 3361: 3343: 3342: 3324: 3321: 3296: 3293: 3292: 3285: 3272: 3271: 3264: 3257: 3241: 3240: 3236: 3221: 3211:Springer-Verlag 3204: 3173: 3172: 3170: 3166: 3143:Feller, William 3141: 3140: 3136: 3129: 3113: 3112: 3105: 3098: 3080: 3079: 3068: 3063: 3002: 3001: 2975: 2974: 2928: 2890: 2889: 2879: 2841: 2833: 2832: 2779: 2769: 2761: 2760: 2756:, and we have 2713: 2708: 2707: 2688: 2682: 2652: 2651: 2609: 2608: 2578: 2562: 2546: 2530: 2484: 2471: 2461: 2460: 2454: 2449: 2425: 2424: 2405: 2404: 2383: 2364: 2359: 2358: 2334: 2318: 2308: 2300: 2299: 2267: 2256: 2255: 2236: 2235: 2196: 2195: 2153: 2152: 2131: 2126: 2125: 2118:discontinuities 2098: 2097: 2078: 2077: 2053: 2033: 2032: 1966: 1950: 1940: 1901: 1900: 1878: 1877: 1874:Karamata (1930) 1871: 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Index

mathematical analysis
Tauberian theorem
asymptotics
series
Abel summation
asymptotic equivalence
integral
cumulative distribution function
Laplace transform
proved
G. H. Hardy
J. E. Littlewood
Jovan Karamata
real
bounded variation
Laplace–Stieltjes transform
Stieltjes integral
Gamma function
slowly varying function
Karamata (1930)
monomials
polynomials
discontinuities
Weierstrass approximation theorem
Littlewood's Tauberian theorem
Littlewood
Tauber
converse
Abel's theorem
prime number theorem

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