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大学数学基礎解説
文献あり

量産型超幾何関数和公式

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$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{hygeo}[6]{ {}_{#2}{#1}_{#3}\left[\begin{matrix}{#4}\\ {#5}\end{matrix}\ ;{#6}\right]} \newcommand{kfrac}[0]{\mathop{\large\rm{K}}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{stirling}[3]{\left[ \begin{matrix}{#1} \\ {#2}\end{matrix} {#3}\right]} \newcommand{Stirling}[3]{\left\{ \begin{matrix}{#1} \\ {#2}\end{matrix} {#3}\right\}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

$\displaystyle \left(\lim_{N \to \infty} a_N\right)-a_m = \sum_{n=m}^\infty(a_{n+1}-a_n)$を利用すると、様々な公式を導くことができます。


\begin{align} &\frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} = 1+\left(\frac{ab}{cd}-1\right)\hygeo{F}{3}{2}{a,b,1}{c+1,d+1}{1} \ [a+b=c+d] \\ &\frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} \left(1-\frac{\sin(\pi c)\sin(\pi d)}{\sin(\pi a)\sin(\pi b)}\right) = \left(\frac{ab}{cd}-1\right)\hygeo{H}{2}{2}{a,b}{c+1,d+1}{1} \ [a+b=c+d] \\ &\frac{(a;q)_\infty}{(b;q)_\infty} = 1+\frac{b-a}{1-b}\hygeo{\phi}{2}{1}{a,q}{bq}{q,q} \\ &\frac{(a,b;q)_\infty}{(c,d;q)_\infty} - \frac{\left(\frac{q}{c},\frac{q}{d};q\right)_\infty}{\left(\frac{q}{a},\frac{q}{b};q\right)_\infty} = \frac{c+d-a-b}{(1-c)(1-d)}\hygeo{\psi}{2}{2}{a,b}{cq,dq}{q,q} \ [ab=cd] \end{align}

通常の超幾何関数

Wikipedia: ${}_rF_s$ , ${}_rH_r$
$(a_1,\cdots,a_j)_n := (a_1)_n\cdots(a_j)_n$と略記します。

\begin{align} \Gamma(z) = \lim_{n\to\infty} \frac{n^zn!}{(z)_{n+1}}, \Gamma(z)\Gamma(1-z) = \frac{\pi}{\sin(\pi z)} \end{align}より、

$a_1+\cdots+a_j=b_1+\cdots+b_j$のとき、
\begin{alignat}2 &\lim_{n\to\infty} \frac{(a_1,\cdots,a_j)_n}{(b_1,\cdots,b_j)_n} &&= \frac{\Gamma(b_1)\cdots\Gamma(b_j)}{\Gamma(a_1)\cdots\Gamma(a_j)} \\ &\lim_{n\to-\infty} \frac{(a_1,\cdots,a_j)_n}{(b_1,\cdots,b_j)_n} &&= \frac{\Gamma(1-a_1)\cdots\Gamma(1-a_j)}{\Gamma(1-b_1)\cdots\Gamma(1-b_j)} = \frac{\Gamma(b_1)\cdots\Gamma(b_j)}{\Gamma(a_1)\cdots\Gamma(a_j)} \frac{\sin(\pi b_1)\cdots\sin(\pi b_j)}{\sin(\pi a_1)\cdots\sin(\pi a_j)} \end{alignat}

${}_3F_2, {}_2H_2$

$a+b=c+d$のとき、
\begin{align} &\frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} = 1+\left(\frac{ab}{cd}-1\right)\hygeo{F}{3}{2}{a,b,1}{c+1,d+1}{1} \\ &\frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} \left(1-\frac{\sin(\pi c)\sin(\pi d)}{\sin(\pi a)\sin(\pi b)}\right) = \left(\frac{ab}{cd}-1\right)\hygeo{H}{2}{2}{a,b}{c+1,d+1}{1} \end{align}

\begin{align} \frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} - \frac{(a,b)_m}{(c,d)_m} &= \sum_{n=m}^\infty \left(\frac{(a,b)_{n+1}}{(c,d)_{n+1}} - \frac{(a,b)_n}{(c,d)_n} \right) \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b)_n}{(c,d)_{n+1}}\lbrace(a+n)(b+n)-(c+n)(d+n)\rbrace \\&= \frac{ab-cd}{cd}\sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b)_n}{(c+1,d+1)_n} \\&= \left(\frac{ab}{cd}-1\right)\sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b)_n}{(c+1,d+1)_n} \end{align}

$m=0$のとき、
$\displaystyle \frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} - 1 = \left(\frac{ab}{cd}-1\right)\hygeo{F}{3}{2}{a,b,1}{c+1,d+1}{1} $

$m\to-\infty$のとき、
\begin{align} \frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} - \frac{\Gamma(c)\Gamma(d)}{\Gamma(a)\Gamma(b)} \frac{\sin(\pi c)\sin(\pi d)}{\sin(\pi a)\sin(\pi b)} = \left(\frac{ab}{cd}-1\right)\hygeo{H}{2}{2}{a,b}{c+1,d+1}{1} \end{align}

${}_5F_4, {}_4H_4$

\begin{align} A&:=abc-dfg, \\ B&:=ab+bc+ca-df-fg-gd \end{align}
$a+b+c=d+f+g$のとき、
\begin{align} &\frac{\Gamma(d)\Gamma(f)\Gamma(g)}{\Gamma(a)\Gamma(b)\Gamma(c)} = 1+\left(\frac{abc}{dfg}-1\right) \hygeo{F}{5}{4}{a,b,c,\frac{A}{B}+1,1}{d+1,f+1,g+1,\frac{A}{B}}{1} \\ &\frac{\Gamma(d)\Gamma(f)\Gamma(g)}{\Gamma(a)\Gamma(b)\Gamma(c)} \left(1-\frac{\sin(\pi d)\sin(\pi f)\sin(\pi g)} {\sin(\pi a)\sin(\pi b)\sin(\pi c)}\right) = \left(\frac{abc}{dfg}-1\right)\hygeo{H}{4}{4}{a,b,c,\frac{A}{B}+1}{d+1,f+1,g+1,\frac{A}{B}}{1} \end{align}

\begin{align} \frac{\Gamma(d)\Gamma(f)\Gamma(g)}{\Gamma(a)\Gamma(b)\Gamma(c)} - \frac{(a,b,c)_m}{(d,f,g)_m} &= \sum_{n=m}^\infty \left(\frac{(a,b,c)_{n+1}}{(d,f,g)_{n+1}} - \frac{(a,b,c)_n}{(d,f,g)_n} \right) \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c)_n}{(d,f,g)_{n+1}}\lbrace(a+n)(b+n)(c+n)-(d+n)(f+n)(g+n)\rbrace \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c)_n}{(d,f,g)_{n+1}}(A+Bn) \\&= \frac{A}{dfg}\sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c,\frac{A}{B}+1)_n}{(d+1,f+1,g+1,\frac{A}{B})_n} \\&= \left(\frac{abc}{dfg}-1\right)\sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c,\frac{A}{B}+1)_n}{(d+1,f+1,g+1,\frac{A}{B})_n} \end{align}

$m=0$のとき、
$\displaystyle \frac{\Gamma(d)\Gamma(f)\Gamma(g)}{\Gamma(a)\Gamma(b)\Gamma(c)} - 1 = \left(\frac{abc}{dfg}-1\right)\hygeo{F}{5}{4}{a,b,c,\frac{A}{B}+1,1}{d+1,f+1,g+1,\frac{A}{B}}{1} $

$m\to-\infty$のとき、
\begin{align} \frac{\Gamma(d)\Gamma(f)\Gamma(g)}{\Gamma(a)\Gamma(b)\Gamma(c)} - \frac{\Gamma(d)\Gamma(f)\Gamma(g)}{\Gamma(a)\Gamma(b)\Gamma(c)} \frac{\sin(\pi d)\sin(\pi f)\sin(\pi g)} {\sin(\pi a)\sin(\pi b)\sin(\pi c)} = \left(\frac{abc}{dfg}-1\right)\hygeo{H}{4}{4}{a,b,c,\frac{A}{B}+1}{d+1,f+1,g+1,\frac{A}{B}}{1} \end{align}

q超幾何関数

Wikipedia

$a_1 \cdots a_j=b_1 \cdots b_j$のとき、
\begin{align} \lim_{n\to-\infty} \frac{(a_1,\cdots,a_j;q)_n}{(b_1,\cdots,b_j;q)_n} &= \frac{\left(\frac{q}{b_1},\cdots,\frac{q}{b_j};q\right)_\infty} {\left(\frac{q}{a_1},\cdots,\frac{q}{a_j};q\right)_\infty} \end{align}

${}_2\phi_1$

\begin{align} \frac{(a;q)_\infty}{(b;q)_\infty} &= 1+\frac{b-a}{1-b}\hygeo{\phi}{2}{1}{a,q}{bq}{q,q} \\ \end{align}

\begin{align} \frac{(a;q)_\infty}{(b;q)_\infty} - \frac{(a;q)_m}{(b;q)_m} &= \sum_{n=m}^\infty \left(\frac{(a;q)_{n+1}}{(b;q)_{n+1}} - \frac{(a;q)_n}{(b;q)_n} \right) \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a;q)_n}{(b;q)_{n+1}}\lbrace(1-aq^n)-(1-bq^n)\rbrace \\&= (b-a)\sum_{n=m}^\infty \frac{(a;q)_n}{(b;q)_{n+1}}q^n \\&= \frac{b-a}{1-b}\sum_{n=m}^\infty \frac{(a;q)_n}{(bq;q)_n}q^n \end{align}
$m=0$のとき、
\begin{align} \frac{(a;q)_\infty}{(b;q)_\infty} - 1 &= \frac{b-a}{1-b}\hygeo{\phi}{2}{1}{a,q}{bq}{q,q} \\ \end{align}

${}_3\phi_2, {}_2\psi_2$

\begin{align} A&:=ab-cd, \\ B&:=a+b-c-d \end{align}
\begin{align} \frac{(a,b;q)_\infty}{(c,d;q)_\infty} &= 1 + \frac1{(1-c)(1-d)}\left(-B\hygeo{\phi}{3}{2}{a,b,q}{cq,dq}{q,q} + A\hygeo{\phi}{3}{2}{a,b,q}{cq,dq}{q,q^2}\right) \end{align}
$A=0$のとき、
\begin{align} \frac{(a,b;q)_\infty}{(c,d;q)_\infty} - \frac{\left(\frac{q}{c},\frac{q}{d};q\right)_\infty}{\left(\frac{q}{a},\frac{q}{b};q\right)_\infty} &= -\frac{B}{(1-c)(1-d)}\hygeo{\psi}{2}{2}{a,b}{cq,dq}{q,q} \end{align}

\begin{align} \frac{(a,b;q)_\infty}{(c,d;q)_\infty} - \frac{(a,b;q)_m}{(c,d;q)_m} &= \sum_{n=m}^\infty \left(\frac{(a,b;q)_{n+1}}{(c,d;q)_{n+1}} - \frac{(a,b;q)_n}{(c,d;q)_n} \right) \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b;q)_n}{(c,d;q)_{n+1}}\lbrace(1-aq^n)(1-bq^n)-(1-cq^n)(1-dq^n)\rbrace \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b;q)_n}{(c,d;q)_{n+1}}(-Bq^n+Aq^{2n}) \\&= \frac1{(1-c)(1-d)}\sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b;q)_n}{(cq,dq;q)_n}(-Bq^n+Aq^{2n}) \end{align}

$m=0$のとき、
\begin{align} \frac{(a,b;q)_\infty}{(c,d;q)_\infty} - 1 &= \frac1{(1-c)(1-d)}\left(-B\hygeo{\phi}{3}{2}{a,b,q}{cq,dq}{q,q} + A\hygeo{\phi}{3}{2}{a,b,q}{cq,dq}{q,q^2}\right) \end{align}

$A=0 \land m\to-\infty$のとき、
\begin{align} \frac{(a,b;q)_\infty}{(c,d;q)_\infty} - \frac{\left(\frac{q}{c},\frac{q}{d};q\right)_\infty}{\left(\frac{q}{a},\frac{q}{b};q\right)_\infty} &= -\frac{B}{(1-c)(1-d)}\hygeo{\psi}{2}{2}{a,b}{cq,dq}{q,q} \end{align}

${}_4\phi_3, {}_3\psi_3$

\begin{align} A&:=abc-dfg, \\ B&:=ab+bc+ca-df-fg-gd, \\ C&:=a+b+c-d-f-g \end{align}
\begin{align} \frac{(a,b,c;q)_\infty}{(d,f,g;q)_\infty} &= 1 + \frac1{(1-d)(1-f)(1-g)}\left(-C\hygeo{\phi}{4}{3}{a,b,c,q}{dq,fq,gq}{q,q} + B\hygeo{\phi}{4}{3}{a,b,c,q}{dq,fq,gq}{q,q^2} - A\hygeo{\phi}{4}{3}{a,b,c,q}{dq,fq,gq}{q,q^3}\right) \end{align}
$A=0$のとき、
\begin{align} \frac{(a,b,c;q)_\infty}{(d,f,g;q)_\infty} - \frac{\left(\frac{q}{d},\frac{q}{f},\frac{q}{g};q\right)_\infty} {\left(\frac{q}{a},\frac{q}{b},\frac{q}{c};q\right)_\infty} &= \frac1{(1-d)(1-f)(1-g)}\left(-C\hygeo{\psi}{3}{3}{a,b,c}{dq,fq,gq}{q,q} + B\hygeo{\psi}{3}{3}{a,b,c}{dq,fq,gq}{q,q^2}\right) \end{align}

\begin{align} \frac{(a,b,c;q)_\infty}{(d,f,g;q)_\infty} - \frac{(a,b,c;q)_m}{(d,f,g;q)_m} &= \sum_{n=m}^\infty \left(\frac{(a,b,c;q)_{n+1}}{(d,f,g;q)_{n+1}} - \frac{(a,b,c;q)_n}{(d,f,g;q)_n} \right) \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c;q)_n}{(d,f,g;q)_{n+1}} \lbrace(1-aq^n)(1-bq^n)(1-cq^n)-(1-dq^n)(1-fq^n)(1-gq^n)\rbrace \\&= \sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c;q)_n}{(d,f,g;q)_{n+1}}(-Cq^n+Bq^{2n}-Aq^{3n}) \\&= \frac1{(1-d)(1-f)(1-g)}\sum_{n=m}^\infty \frac{(a,b,c;q)_n}{(dq,fq,gq;q)_n}(-Cq^n+Bq^{2n}-Aq^{3n}) \end{align}

$m=0$のとき、
\begin{align} \frac{(a,b,c;q)_\infty}{(d,f,g;q)_\infty} - 1 &= \frac1{(1-d)(1-f)(1-g)}\left(-C\hygeo{\phi}{4}{3}{a,b,c,q}{dq,fq,gq}{q,q} + B\hygeo{\phi}{4}{3}{a,b,c,q}{dq,fq,gq}{q,q^2} - A\hygeo{\phi}{4}{3}{a,b,c,q}{dq,fq,gq}{q,q^3}\right) \end{align}

$A=0 \land m\to-\infty$のとき、
\begin{align} \frac{(a,b,c;q)_\infty}{(d,f,g;q)_\infty} - \frac{\left(\frac{q}{d},\frac{q}{f},\frac{q}{g};q\right)_\infty} {\left(\frac{q}{a},\frac{q}{b},\frac{q}{c};q\right)_\infty} &= \frac1{(1-d)(1-f)(1-g)}\left(-C\hygeo{\psi}{3}{3}{a,b,c}{dq,fq,gq}{q,q} + B\hygeo{\psi}{3}{3}{a,b,c}{dq,fq,gq}{q,q^2}\right) \end{align}

量産性

同じ方法でいくらでも変数を増やすことができます。また、それぞれの式が変数が少ない式を特別な場合として含みます。

参考文献

投稿日:2022921

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著者の記事における命題は大半が自分で発見したものであり、 何かしらの論文などに基づいたものではありません。

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