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Computation and Properties of the Epstein Zeta Function with High-Performance Implementation in EpsteinLib

Buchheit, Andreas A. und Busse, Jonathan K. und Gutendorf, Ruben (2024) Computation and Properties of the Epstein Zeta Function with High-Performance Implementation in EpsteinLib. arXiv. [sonstige Veröffentlichung]

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Kurzfassung

The Epstein zeta function generalizes the Riemann zeta function to oscillatory lattice sums in higher dimensions. Beyond its numerous applications in pure mathematics, it has recently been identified as a key component in simulating exotic quantum materials. This work establishes the Epstein zeta function as a powerful tool in numerical analysis by rigorously investigating its analytical properties and enabling its efficient computation. Specifically, we derive a compact and computationally efficient representation of the Epstein zeta function and thoroughly examine its analytical properties across all arguments. Furthermore, we introduce a superexponentially convergent algorithm, complete with error bounds, for computing the Epstein zeta function in arbitrary dimensions. We also show that the Epstein zeta function can be decomposed into a power law singularity and an analytic function in the first Brillouin zone. This decomposition facilitates the rapid evaluation of integrals involving the Epstein zeta function and allows for efficient precomputations through interpolation techniques. We present the first high-performance implementation of the Epstein zeta function and its regularisation for arbitrary real arguments in EpsteinLib, a C library with Python and Mathematica bindings, and rigorously benchmark its precision and performance against known formulas, achieving full precision across the entire parameter range. Finally, we apply our library to the computation of quantum dispersion relations of three-dimensional spin materials with long-range interactions and Casimir energies in multidimensional geometries, uncovering higher-order corrections to known asymptotic formulas for the arising forces.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220305/
Dokumentart:sonstige Veröffentlichung
Titel:Computation and Properties of the Epstein Zeta Function with High-Performance Implementation in EpsteinLib
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Buchheit, Andreas A.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Busse, Jonathan K.jonathan.busse (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0001-3323-3455199379313
Gutendorf, RubenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:November 2024
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
DOI:10.48550/arXiv.2412.16317
Verlag:arXiv
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Computer Science - Numerical Analysis,Condensed Matter - Strongly Correlated Electrons,Mathematics - Numerical Analysis
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:keine Zuordnung
DLR - Forschungsgebiet:keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):keine Zuordnung
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie > High-Performance Computing
Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: Busse, Jonathan
Hinterlegt am:11 Dez 2025 11:14
Letzte Änderung:11 Dez 2025 11:14

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