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高校数学議論
文献あり

EZ法で超幾何級数公式を証明する

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$$\newcommand{BA}[0]{\begin{align*}} \newcommand{BE}[0]{\begin{equation}} \newcommand{bl}[0]{\boldsymbol} \newcommand{BM}[0]{\begin{matrix}} \newcommand{D}[0]{\displaystyle} \newcommand{EA}[0]{\end{align*}} \newcommand{EE}[0]{\end{equation}} \newcommand{EM}[0]{\end{matrix}} \newcommand{h}[0]{\boldsymbol{h}} \newcommand{k}[0]{\boldsymbol{k}} \newcommand{L}[0]{\left} \newcommand{l}[0]{\boldsymbol{l}} \newcommand{m}[0]{\boldsymbol{m}} \newcommand{n}[0]{\boldsymbol{n}} \newcommand{R}[0]{\right} \newcommand{vep}[0]{\varepsilon} $$

文献[1]で述べられている内容の一部をまとめます.

概要

$\hspace{5pt}$次の等式において,$w_k^{}=u_k^{}-v_k^{}$を満たす適当な$u_k^{},v_k^{},w_k^{}$を定めることで,超幾何級数の公式を得ることができるらしいです.

$\BA\D \sum_{k=0}^n \frac{w_k^{}}{w_0^{}}\frac{u_0^{}u_1^{}\cdots u_{k-1}^{}}{v_1^{}v_2^{}\cdots v_{k}^{}} =\frac{u_0^{}}{w_0^{}}\L(\frac{u_1^{}u_2^{}\cdots u_{n}^{}}{v_1^{}v_2^{}\cdots v_{n}^{}}-\frac{v_0^{}}{u_0^{}}\R) \EA$$\hspace{5pt}$[$\color{red}{\bf 1}$]

文献[1]では『EZ法』と呼ばれています.
$\hspace{5pt}$WZ法の記述によれば,しばしば

$\BA\D\sum_{k}F(n,k)=1\EA$

と書かれますが,EZ法においては,$F(n+1,k)-F(n,k)$から$u_k^{},v_k^{},w_k^{}$を決定するという流れになります.
あるいは,等式$w_k^{}=u_k^{}-v_k^{}$から[$\color{red}{\bf 1}$]を得ます.

$\textrm{Pfaff–Saalsch}\ddot{\rm u}\textrm{tz Theorem}$

$\hspace{5pt}$非負整数$n$と適当な$a,b,c$に対して

$\BA\D \sum_{k=0}^n \frac{(a,b,-n)_k^{}}{(c,1-n+a+b-c)_k^{}k!}=\frac{(c-a,c-b)_n^{}}{(c,c-a-b)_n^{}} \EA$

が成り立ちます.
[証明]
$\hspace{5pt}$先ず$\small\D F(n,k)=\frac{(c,c-a-b)_n^{}}{(c-a,c-b)_n^{}}\frac{(a,b,-n)_k^{}}{(c,1-n+a+b-c)_k^{}k!}$とおきます.このとき

$\BA\D F(n+1,k)-F(n,k)&=-ab\frac{(c,c-a-b)_n^{}}{(c-a,c-b)_{n+1}^{}}\frac{(c+n)(1+a+b-c)k+ab(n-k+1)}{ab(n+1)}\frac{(a,b,-n-1)_k^{}}{(c,1-n+a+b-c)_k^{}k!}. \EA$

右辺の右端から$u_k^{}=(a+k)(b+k)(-n-1+k),\,v_k^{}=k(c-1+k)(-n+k+a+b-c)$とし,$w_k^{}=-\L((c+n)(1+a+b-c)k+ab(n-k+1)\R)$と決まります.
これにより

$\BA\D \sum_{k=0}^{n+1}\L(F(n+1,k)-F(n,k)\R)&=-ab\frac{(c,c-a-b)_n^{}}{(c-a,c-b)_{n+1}^{}}\sum_{k=0}^{n+1} \frac{w_k^{}}{w_0^{}}\frac{u_0^{}u_1^{}\cdots u_{k-1}^{}}{v_1^{}v_2^{}\cdots v_{k}^{}}\\ &=-ab\frac{(c,c-a-b)_n^{}}{(c-a,c-b)_{n+1}^{}}\frac{u_0^{}}{w_0^{}}\L(\frac{u_1^{}u_2^{}\cdots u_{n+1}^{}}{v_1^{}v_2^{}\cdots v_{n+1}^{}}-\frac{v_0^{}}{u_0^{}}\R)\\ &=0\qquad (\because\,u_{n+1}^{}=0,\,v_0^{}=0) \EA$

よって$\small \D\sum_{k=0}^n F(n,k)$は定数であり,$\small \D\sum_{k=0}^0 F(0,k)=1$より証明は完了します.

$\textrm{Dougall's Theorem}$

$\BA\D\\ \sum_{k=0}^n \frac{a+2k}{a}\frac{(a,b,c,-n)_k^{}}{(1+a-b,1+a-c,1+a+n)_k^{}k!}=\frac{(1+a,1+a-b-c)_n^{}}{(1+a-b,1+a-c)_n^{}}. \EA$

[証明]
$\hspace{5pt}$ $\small\D F(n,k)=\frac{(1+a-b,1+a-c)_n^{}}{(1+a,1+a-b-c)_n^{}}\frac{a+2k}{a}\frac{(a,b,c,-n)_k^{}}{(1+a-b,1+a-c,1+a+n)_k^{}k!}$とおけば

$\BA\D F(n+1,k)-F(n,k) &=\frac{\L(k(a+k)(1+n+a-b-c)+bc(n+1)\R)(a+2k)}{a(n+1)}\frac{(1+a-b,1+a-c)_n^{}}{(1+a,1+a-b-c)_{n+1}^{}}\frac{(a,b,c,-n-1)_k^{}}{(1+a-b,1+a-c,2+a+n)_k^{}k!}. \EA$

$\D u_k^{}=(a+k)(b+k)(c+k)(-n-1+k),\,v_k^{}=k(a-b+k)(a-c+k)(1+a+n+k)$とすれば
$\D -\L(k(a+k)(1+n+a-b-c)+bc(n+1)\R)(a+2k)=u_k^{}-v_k^{}=w_k^{}$が成り立ち,

$\BA\D \sum_{k=0}^{n+1} \L(F(n+1,k)-F(n,k)\R) &=bc\,\frac{(1+a-b,1+a-c)_n^{}}{(1+a,1+a-b-c)_{n+1}^{}}\sum_{k=0}^{n+1}\frac{w_k^{}}{w_0^{}}\frac{u_0^{}u_1^{}\cdots u_{k-1}^{}}{v_1^{}v_2^{}\cdots v_{k}^{}}=0. \EA$

以下略.

$U-V=W$型の恒等式

$\hspace{5pt}$$U-V=W$のかたちをとる恒等式には以下の例があります.

$\BA\D (1-b)a-(1-a)b&=a-b\\ (1-b)(1-c)a-(1-a)(a-bc)&=(a-b)(a-c)\\ (1-b)(1-c)(1-d)(a^2-bcd)a-(1-a)(a-bc)(a-bd)(a-cd)&=(a-b)(a-c)(a-d)(a-bcd) \EA$

$a,b,c,d$$a_k^{},b_k^{},c_k^{},d_k^{}$に置き換え,左辺と右辺をそれぞれ$u_k^{}-v_k^{},w_k^{}$とすれば,果たして一般的な級数公式を得ることができます.

参考文献

投稿日:223
更新日:223

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