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零数列による級数の加速

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0
$$$$

あいさつ

んちゃ!

目次
  1. 零集合
  2. Euler-Maclaurin展開
  3. 零数列の構成
  4. Stirlingの公式
  5. 応用1
  6. 超幾何関数に関する公式
  7. 応用2
  8. 最後に

表記
  1. $\mathbb{N}_{0}\coloneqq\{0\}\cup\mathbb{N}$
  2. $Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})\coloneqq\{\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\subset\mathbb{C}|\sum_{n\in\mathbb{N}_{0}}w_{n}a_{n}=0\}$
  3. $\lim_{N\rightarrow\infty}S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})=S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})$

零集合

零集合

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\subset\mathbb{C}$に対して定まる以下の様な数列の集合を零集合と呼ぶ。またその元を零数列と呼ぶ。
\begin{equation} Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})\coloneqq\{\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\subset\mathbb{C}|\sum_{n\in\mathbb{N}_{0}}w_{n}a_{n}=0\} \end{equation}

零集合$Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})$に次の様な和、スカラー積を導入すると零集合はベクトル空間を成す。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} 和:\forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}},\{\overline{w}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}+\{\overline{w}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}=\{w_{n}+\overline{w}_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\\ スカラー積:\forall c\in\mathbb{C}:\forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):c\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}=\{cw_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}} \end{array} \right. \end{eqnarray}

[0]和、スカラー倍は閉じている。
\begin{eqnarray} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}},\{\overline{w}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(w_{n}+\overline{w}_{n})a_{n}&=&\sum_{n=0}^{\infty}w_{n}a_{n}+\sum_{n=0}^{\infty}\overline{w}_{n}a_{n}\\ &=&0+0\\ &=&0 \end{eqnarray}
また
\begin{eqnarray} \forall c\in\mathbb{C}:\forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(cw_{n})a_{n}&=&c\sum_{n=0}^{\infty}w_{n}a_{n}\\ &=&c0\\ &=&0 \end{eqnarray}
[1]結合法則
\begin{eqnarray} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}},\{\overline{w}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}},\{\overline{\overline{w}}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(w_{n}+(\overline{w}_{n}+\overline{\overline{w}}_{n}))a_{n}&=&\sum_{n=0}^{\infty}((w_{n}+\overline{w}_{n})+\overline{\overline{w}}_{n})a_{n} \end{eqnarray}
[2]単位元:$\{0\}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})$
\begin{eqnarray} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(w_{n}+0)a_{n}&=&\sum_{n=0}^{\infty}(0+w_{n})a_{n}\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}w_{n}a_{n} \end{eqnarray}
[3]逆元:$\{-w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})$
\begin{eqnarray} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(w_{n}+(-w_{n}))a_{n}&=&\sum_{n=0}^{\infty}(-w_{n}+w_{n})a_{n}\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}0a_{n}\\ &=&0 \end{eqnarray}
[4]可換性
\begin{eqnarray} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}},\{\overline{w}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(w_{n}+\overline{w}_{n})a_{n}&=&\sum_{n=0}^{\infty}(\overline{w}_{n}+w_{n})a_{n} \end{eqnarray}
[5]ベクトルに関する分配法則
\begin{eqnarray} \forall c\in\mathbb{C}:\forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}},\{\overline{w}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(c(w_{n}+\overline{w}_{n}))a_{n}=\sum_{n=0}^{\infty}(cw_{n}+c\overline{w}_{n})a_{n} \end{eqnarray}
[6]スカラーに関する分配法則
\begin{eqnarray} \forall c,d\in\mathbb{C}:\forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}((c+d)w_{n})a_{n}=\sum_{n=0}^{\infty}(cw_{n}+dw_{n})a_{n} \end{eqnarray}
[7]スカラー積に関する結合法則
\begin{equation} \forall c,d\in\mathbb{C}:\forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}((cd)w_{n})a_{n}=\sum_{n=0}^{\infty}(c(dw_{n}))a_{n} \end{equation}
[8]スカラー積の単位元:$1\in\mathbb{C}$
\begin{eqnarray} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):\sum_{n=0}^{\infty}(1w_{n})a_{n}=\sum_{n=0}^{\infty}w_{n}a_{n} \end{eqnarray}

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\subset\mathbb{C}$に対して定まる総和$S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})\coloneqq\sum_{n=0}^{\infty}a_{n}$は下記の性質を持つ。
\begin{equation} \forall \{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}):S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})=\sum_{n=0}^{\infty}(1+w_{n})a_{n} \end{equation}

そのまま計算するだけ。
\begin{eqnarray} \sum_{n=0}^{\infty}(1+w_{n})a_{n}&=&\sum_{n=0}^{\infty}a_{n}+\sum_{n=0}^{\infty}w_{n}a_{n}\\ &=&S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})+0\\ &=&S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}) \end{eqnarray}

$D$次の加速度を持つ零数列

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$に対して定まる総和$S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})\coloneqq\sum_{n=0}^{N-1}a_{n}$に対して次の性質を満たす数列$\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}\in Zero(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})$$D$次の加速度を持つ零数列と呼ぶ。
\begin{equation} \exists A\in\mathbb{R}_{+}\ s.t.\ |S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})-\sum_{n=0}^{N-1}w_{n}a_{n}-S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})|\lt \frac{A}{N^{D}} \end{equation}

漸近表示

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$に対して定まる総和$S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})\coloneqq\sum_{n=0}^{N-1}a_{n}$に対して定まる次の性質を満たす$N$に関する多項式が存在する時、$D$次の漸近表示と呼ぶ。
\begin{equation} \exists A_{0},A_{1},...,A_{D-1}\ s.t.\ S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})=S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})+\sum_{n=0}^{D-1}A_{n}N^{n}+O(N^{D}) \end{equation}

Euler-Maclaurin展開

Euler-Maclaulinの和公式導出
やりたい事:$S_{mn}=\sum_{k=m}^{n}f(k)$を積分で近似したい。
Euler-Maclaurinの公式 Euler-Maclaurinの公式
[1]まずはとりあえず、総和と積分の差分でも計算してみましょう。
\begin{eqnarray} \epsilon_{mn}&=&S_{mn}-f(n)-\int_{m}^{n}f(x)dx\\ &=&\sum_{k=m}^{n-1}f(k)-\sum_{k=m}^{n-1}\int_{k}^{k+1}f(x)dx\\ &=&\sum_{k=m}^{n-1}\{f(k)-\int_{0}^{1}f(x+k)dx\} \end{eqnarray}
[2]区間$[0,1]$で定義された微分可能な関数$\psi(x)$を考えて次の条件が成り立つ場合を考えてみる。
\begin{eqnarray} \int_{0}^{1}\psi(x)f^{'}(x+k)dx&=&\psi(1)f(k+1)-\psi(0)f(k)-\int_{0}^{1}\psi^{'}(x)f(x+k)dx\quad(-\psi(0)=\psi(1)=\frac{1}{2},\psi^{'}(x)=1\Rightarrow \psi(x)=x-\frac{1}{2})\\ &=&\frac{1}{2}\{f(k)+f(k+1)\}-\int_{0}^{1}f(x+k)dx \end{eqnarray}この事を用いると。望遠鏡和を使う事で下記の式を得る。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} \psi(x)=x-\frac{1}{2}\\ -\frac{f(n)-f(m)}{2}+\sum_{k=m}^{n-1}\int_{0}^{1}\psi(x)f^{'}(x+k)dx=S_{mn}-f(n)-\int_{m}^{n}f(x)dx \end{array} \right. \end{eqnarray}
[3]次に以下の様な記号を定めてみよう。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} R_{mn}^{N}=\sum_{k=m}^{n-1}\int_{0}^{1}B_{N}(x)f^{(N)}(x+k)\quad(N=1,2,...)\\ B_{N}^{'}(x)=B_{N-1}(x)\quad(N=2,3,...)\\ B_{N}(0)=B_{N}(1)=b_{N-1}\quad(N=2,3,...)\\ B_{1}(x)=\psi(x) \end{array} \right. \end{eqnarray}
A.$R_{mn}^{(N-1)},R_{mn}^{N}$との間に成り立つ関係式
\begin{eqnarray} R_{mn}^{N}&=&\sum_{k=m}^{n-1}\int_{0}^{1}B_{N}(x)f^{(N)}(x+k)\\ &=&\sum_{k=m}^{n-1}[B_{N}(x)f^{(N-1)}(x+k)]_{0}^{1}-\int_{0}^{1}B_{N}^{'}(x)f^{(N-1)}(x)dx\\ &=&b_{N-1}\{f^{(N-1)}(n)-f^{(N-1)}(m)\}-\int_{0}^{1}B_{N-1}(x)f^{(N-1)}(x)dx\\ &=&b_{N-1}\{f^{(N-1)}(n)-f^{(N-1)}(m)\}-R_{mn}^{(N-1)}\\ &=&b_{N-1}\{f^{(N-1)}(n)-f^{(N-1)}(m)\}-b_{N-2}\{f^{(N-2)}(n)-f^{(N-2)}(m)\}+\cdots+(-1)^{N-2}b_{1}\{f^{(1)}(n)-f^{(1)}(m)\}+(-1)^{N-1}R_{mn}^{1} \end{eqnarray}以上の計算から
\begin{eqnarray} R_{mn}^{1}&=&(-1)^{N}b_{N-1}\{f^{(N-1)}(n)-f^{(N-1)}(m)\}+(-1)^{N-1}b_{N-2}\{f^{(N-2)}(n)-f^{(N-2)}(m)\}+\cdots+b_{1}\{f^{(1)}(n)-f^{(1)}(m)\}+(-1)^{N-1}R_{mn}^{N}\\ &=&\sum_{k=1}^{N-1}(-1)^{k+1}b_{k}\{f^{k}(n)-f^{(k)}(m)\}+(-1)^{N-1}R_{mn}^{N} \end{eqnarray}
B.$B_{N}(x)$を具体的に求める。
(i)まず次のような母関数
\begin{equation} f(x,y)=1+\sum_{N=1}^{\infty}B_{N}(x)y^{N} \end{equation}を定める。
(ii)両辺を$x$で偏微分する。
\begin{eqnarray} \frac{\partial}{\partial x}f(x,y)&=&\sum_{N=1}^{\infty}B^{'}_{N}(x)y^{N}\\ &=&y\{1+\sum_{N=2}^{\infty}B_{N-1}(x)y^{N-1}\}\\ &=&y\{1+\sum_{N=1}^{\infty}B_{N}(x)y^{n}\}\\ &=&yf(x,y) \end{eqnarray}この計算から、ある$y$に関する関数を用いて以下の結果を得る。
\begin{eqnarray} f(x,y)=g(y)e^{yx} \end{eqnarray}
(iii)さらに
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} f(0,y)=1-\frac{1}{2}y+\sum_{N=2}^{\infty}b_{N-1}y^{N}\\ f(1,y)=1+\frac{1}{2}y+\sum_{N=2}^{\infty}b_{N-1}y^{N} \end{array} \right. \end{eqnarray}を用いると次式が得られる。
\begin{equation} g(y)+\frac{1}{2}y=g(y)e^{y}-\frac{1}{2}y \end{equation}この式を用いる事で下記の式を得る。
\begin{equation} g(y)=\frac{y}{e^{y}-1} \end{equation}
(iv)以上の結果をまとめる事で
\begin{equation} f(x,y)=\frac{ye^{xy}}{e^{y}-1} \end{equation}
(v)また以上の計算により$\{b_{N}\}$の母関数は下記の様に書ける事が分かる。
\begin{equation} f(1,y)=\frac{y}{1-e^{-y}}=1+\frac{1}{2}y+\sum_{N=2}^{\infty}b_{N-1}y^{N} \end{equation}
[4]$\{b_{N}\}$の満たす漸化式を求める。
\begin{eqnarray} y&=&(1+\frac{1}{2}y+\sum_{N=2}^{\infty}b_{N-1}y^{N})(1-e^{-y})\\ &=&(\sum_{M=1}^{\infty}\frac{(-1)^{M}}{M!}y^{M})(1+\frac{1}{2}y+\sum_{N=2}^{\infty}b_{N-1}y^{N})\quad(1+\frac{1}{2}y+\sum_{N=2}^{\infty}b_{N-1}y^{N}=\sum_{N=0}^{\infty}c_{N}y^{N})\\ &=&\sum_{M=1}^{\infty}\sum_{N=0}^{\infty}\frac{(-1)^{M-1}}{M!}c_{N}y^{M+N}\quad(M+N=L)\\ &=&\sum_{L=1}^{\infty}\sum_{M=1}^{L}\frac{(-1)^{M-1}}{M!}c_{L-M}y^{L} \end{eqnarray}係数比較により下記の漸化式を得る。
\begin{eqnarray} \sum_{M=1}^{N}\frac{(-1)^{M-1}}{M!}c_{N-M}&=&\frac{(-1)^{N-1}}{N!}+\frac{(-1)^{N-2}}{2(N-1)!}+\sum_{M=1}^{N-2}\frac{(-1)^{M-1}}{M!}b_{N-M-1}\\ &=&\sum_{M=1}^{N-2}\frac{(-1)^{N-M}}{\{N-(M+1)\}!}b_{M}+\frac{(-1)^{N-2}}{2(N-1)!}+\frac{(-1)^{N-1}}{N!}\\ &=&0 \end{eqnarray}
[5]$b_{2n}\cdots=0\quad(n\in\mathbb{N})$を確認する。
\begin{eqnarray} f(1,y)-\frac{1}{2}y&=&y\frac{1+e^{-y}}{2(1-e^{-y})}\\ &=&y\frac{\cosh{\frac{y}{2}}}{\sinh{\frac{y}{2}}} \end{eqnarray}この関数は遇関数なので$y^{2n+1}$の係数は$0$なので[5]の結果が得られる。
[6]$b_{1},b_{3},b_{5}$を試しに計算してみよう。
(i)$b_{1}\quad(N=3)$について
\begin{eqnarray} b_{1}-\frac{1}{4}+\frac{1}{6}&=&b_{1}-\frac{1}{2}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3})\\ &=&b_{1}-\frac{1}{12}\\ &=&0\Rightarrow b_{1}=\frac{1}{12} \end{eqnarray}
(ii)$b_{3}\quad(N=5)$について
\begin{eqnarray} b_{3}+\frac{1}{6}b_{1}-\frac{1}{48}+\frac{1}{120}&=&b_{3}+\frac{1}{12}(\frac{1}{6}-\frac{1}{4}+\frac{1}{10})\\ &=&b_{3}+\frac{1}{12}(-\frac{1}{12}+\frac{1}{10})\\ &=&b_{3}+\frac{1}{24}(-\frac{1}{6}+\frac{1}{5})\\ &=&b_{3}+\frac{1}{24}\frac{1}{30}\\ &=&b_{3}+\frac{1}{720}\\ &=&0\Rightarrow b_{3}=-\frac{1}{720} \end{eqnarray}(iii)$b_{5}\quad(N=7)$について
\begin{eqnarray} b_{5}+\frac{1}{6}b_{3}+\frac{1}{120}b_{1}-\frac{1}{1440}+\frac{1}{5040}&=&b_{5}-\frac{1}{4320}+\frac{1}{1440}-\frac{1}{1440}+\frac{1}{5040}\\ &=&b_{5}-\frac{1}{4320}+\frac{1}{5040}\\ &=&b_{5}+\frac{1}{720}(-\frac{1}{6}+\frac{1}{7})\\ &=&b_{5}-\frac{1}{720\cdot 42}\\ &=&b_{5}-\frac{1}{30240}\\ &=&0\Rightarrow b_{5}=\frac{1}{30240} \end{eqnarray}
を得る。
[6]上記をまとめると
\begin{equation} \sum_{k=m}^{n}f(k)=\int_{m}^{n}f(x)dx+\frac{f(m)+f(n)}{2}+\frac{f^{(1)}(n)-f^{(1)}(m)}{12}-\frac{f^{(3)}{(n)}-f^{(3)}{(m)}}{720}+\frac{f^{(5)}{(n)}-f^{(5)}{(m)}}{30240}+R_{mn}^{7} \end{equation}

零数列の構成

零数列の構成法
[1]数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$に対して定まる総和$S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})$のEuler-Maclaurin展開を求める。
\begin{equation} S_{N}(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})=S(\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}})+\sum_{n=1}^{D-1}\frac{A_{n}}{N^{n}}+O(\frac{1}{N^{D}}) \end{equation}[2]二重級数$\{f_{nm}\}_{n,m\in\mathbb{N}_{0}}$から以下の様な数列$\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$を構成する。
\begin{equation} w_{n}=\sum_{m=0}^{D-2}f_{n,m}B_{m} \end{equation}[3]次に、$\sum_{n=0}^{N-1}w_{n}a_{n}=\delta+\sum_{n=1}^{D-1}\frac{A_{n}}{N^{n}}+O(\frac{1}{N^{D}})$を満たすように漸近展開を行う。
[4]最終的に$a_{n}\neq 0$を満たす最小の$n_{0}$を求めて$w_{n_{0}}\leftarrow w_{n_{0}}-\frac{\delta}{a_{n_{0}}}$とすれば$\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$$D$次の加速度を持つ零数列になる。

Stirlingの公式

Wallisの公式

\begin{equation} \pi=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{2^{2n}(n!)^{4}}{n\{(2n)!\}^{2}} \end{equation}

[0]$I_{n}\coloneqq \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n}{x}dx$とおく。
[1]すると$I_{n}$$n$に関して単調減少。なぜなら、$\forall x\in(0,1):\sin{x}\in(0,1)$なので$\forall n\in\mathbb{N}_{0}:\forall x\in(0,1):0\lt \sin^{n+1}{x}\lt\sin^{n}{x}$
ゆえに、$0\lt I_{n+1}\lt I_{n}$
[2]下記の様に計算ができる
\begin{eqnarray} I_{n}&=&\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n}{x}dx\\ &=&-\sin^{n-1}{x}\cos{x}|_{0}^{\frac{\pi}{2}}+(n-1)\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n-2}{x}\cos^{2}{x}dx\\ &=&(n-1)I_{n-2}-(n-1)I_{n} \end{eqnarray}
\begin{equation} I_{n}=\frac{n-1}{n}I_{n-2} \end{equation}
[3][2]を用いると以下の結果を得る。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} I_{2n}=\frac{2n-1}{2n}\frac{2n-3}{2n-2}\cdots\frac{1}{2}\frac{\pi}{2}=\frac{(2n)!}{2^{2n}(n!)^{2}}\frac{\pi}{2}\\ I_{2n+1}=\frac{2n}{2n+1}\frac{2n-2}{2n-1}\cdots\frac{2}{3}=\frac{2^{2n}(n!)^{2}}{(2n+1)!} \end{array} \right. \end{eqnarray}
[4][1]より$I_{2n+1}\lt I_{2n}\lt I_{2n-1}$とする。すると下記の様に計算できる。
\begin{eqnarray} 1\lt\frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}=n\{\frac{(2n)!}{2^{2n}(n!)^{2}}\}^{2}\pi\lt\frac{1}{1+\frac{1}{2n}} \end{eqnarray}
[5]
\begin{equation} \pi=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{2^{2n}(n!)^{4}}{n\{(2n)!\}^{2}} \end{equation}

Stirlingの公式

\begin{equation} N!\simeq\frac{\sqrt{2\pi N}N^{N}}{e^{N}}+e^{O(\frac{1}{N})} \end{equation}

[1]Euler-Maclaurin展開より下記の様に計算できる。
\begin{eqnarray} \log{N!}&=&\sum_{n=0}^{N-1}\log{(n+1)}\\ &=&\int_{0}^{N-1}\log{(x+1)}dx+\frac{\log{N}}{2}+\frac{\frac{1}{N}-1}{12}+\cdots\\ &=&\log{C}+N\log{N}-N+\frac{\log{N}}{2}+O(\frac{1}{N})\\ &=&\log{(CN^{N+\frac{1}{2}}e^{-N})}+O(\frac{1}{N}) \end{eqnarray}
[2]上記の計算により
\begin{equation} C=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{N!e^{N}}{N^{N+\frac{1}{2}}} \end{equation}
[3]定数$C$についてはWallisの公式より下記の様に計算できる。
\begin{eqnarray} \sqrt{\pi}&=&\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{2^{2n}(n!)^{2}}{n^{\frac{1}{2}}\{(2n)!\}}\\ &=&\frac{1}{\sqrt{2}}\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n!e^{n}}{n^{n+\frac{1}{2}}}\frac{n!e^{n}}{n^{n+\frac{1}{2}}}\frac{(2n)^{2n+\frac{1}{2}}}{(2n)!}\\ &=&\frac{C}{\sqrt{2}} \end{eqnarray}
[4]ゆえに$C=\sqrt{2\pi}$が得られるので、最終的に以下の式が証明された。
\begin{equation} N!=\frac{\sqrt{2\pi N}N^{N}}{e^{N}}+e^{O(\frac{1}{N})} \end{equation}

中央二項係数に関するStirlingの公式

\begin{equation} \begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}\simeq \frac{4^{n}}{\sqrt{\pi n}} \end{equation}

\begin{eqnarray} \begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}&=&\frac{(2n)!}{n!n!}\\ &=&\frac{\sqrt{4\pi n}(2n)^{2n}}{e^{2n}}\frac{e^{n}}{\sqrt{2\pi n}n^{n}}\frac{e^{n}}{\sqrt{2\pi n}n^{n}}\\ &=&\frac{4^{n}}{\sqrt{\pi n}} \end{eqnarray}

応用1

$f(x)=\frac{1}{(x+1)^{2}}$とおくと、$\forall n\in\mathbb{N}_{0}:f^{(n)}(x)=\frac{(-1)^{n}(n+1)!}{(x+1)^{n+2}}$とするとEuler-Maclaurin展開により
\begin{equation} \sum_{n=0}^{N-1}\frac{1}{(n+1)^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}-\frac{1}{N}+\frac{1}{2N^{2}}+O(\frac{1}{N^{3}}) \end{equation}
と書けます。この事を用いて3次の加速度を持つ零数列を求めてください。

[1]まず以下の様に二重数列を置いてみます。
\begin{eqnarray} f_{nm}=256^{n}\frac{A_{m}(n+1)^{m}}{(n+1)^{4}\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}^{4}} \end{eqnarray}
[2]
\begin{eqnarray} w_{n}&=&256^{n+1}\frac{A_{2}(n+1)^{2}+A_{1}(n+1)+A_{0}}{(n+1)^{4}\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}^{4}} \end{eqnarray}
[3]Stirlingの公式を用いると十分大きな$N$に対して下記の様に書ける。
\begin{eqnarray} \sum_{n=0}^{N-1}\frac{w_{n}}{(n+1)^{2}}&=&\sum_{n=0}^{N-1}256^{n+1}\frac{A_{2}(n+1)^{2}+A_{1}(n+1)+A_{0}}{(n+1)^{6}\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}^{4}}\\ &\simeq&\sum_{n=0}^{N-1}256^{n+1}\frac{A_{2}(n+1)^{2}+A_{1}(n+1)+A_{0}}{(n+1)^{6}(\frac{4^{n+1}}{\sqrt{\pi(n+1)}})^{4}}\\ &=&\pi^{2}\sum_{n=0}^{N-1}\frac{A_{2}(n+1)^{2}+A_{1}(n+1)+A_{0}}{(n+1)^{4}}\\ &=&A_{2}\pi^{2}\sum_{n=0}^{N-1}\frac{1}{(n+1)^{2}}+A_{1}\pi^{2}\sum_{n=0}^{N-1}\frac{1}{(n+1)^{3}}+A_{0}\pi^{2}\sum_{n=0}^{N-1}\frac{1}{(n+1)^{4}} \end{eqnarray}
[4]そこで、以下の様に記号を定める$f_{k}(x)=\frac{1}{(x+1)^{4-k}}$
\begin{eqnarray} f^{(n)}(x)=(-1)^{n}\frac{(4-k)_{n}}{(x+1)^{4-k+n}}\\ \end{eqnarray}
ゆえに
\begin{eqnarray} \sum_{n=0}^{N-1}\frac{1}{(n+1)^{4-k}}=\zeta(4-k)-\frac{1}{(3-k)N^{3-k}}+\frac{1}{2N^{4-k}}-\frac{4-k}{12N^{5-k}}+O(\frac{1}{N^{7-k}})\quad(k=0,1,2) \end{eqnarray}
[5][3][4]より次の様に計算できる。
\begin{eqnarray} \sum_{n=0}^{N-1}\frac{w_{n}}{(n+1)^{2}}&=&A_{2}\pi^{2}\zeta(2)+A_{1}\pi^{2}\zeta(3)+A_{0}\pi^{2}\zeta(4)\\ &-&\frac{A_{2}\pi^{2}}{N}\\ &+&(\frac{A_{2}\pi^{2}}{2}-\frac{A_{1}\pi^{2}}{2})\frac{1}{N^{2}}+O(\frac{1}{N^{3}}) \end{eqnarray}
[6][5]より
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} A_{2}=\frac{1}{\pi^{2}}\\ A_{1}=0\\ A_{0}=-\frac{\zeta(2)}{\pi^{2}\zeta(4)} \end{array} \right. \end{eqnarray}
ゆえに$4$次の加速度を持つ数列は下記の様に書ける。
\begin{equation} \sum_{n=0}^{\infty}256^{n+1}\frac{\pi^{2}(n+1)^{2}-15}{\pi^{4}(n+1)^{6}\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}^{4}}=\delta=-0.243004\cdots \end{equation}
👆$\sum_{n=0}^{N-1}256^{n+1}\frac{\pi^{2}(n+1)^{2}-15}{\pi^{4}(n+1)^{6}\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}^{4}}+1/N-\frac{1}{2N^{2}}=\delta+O(\frac{1}{N^{3}})$により計算しています。
この問題を完全に解くには上記級数の真の値を求めないといけません。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} w_{0}=\frac{16\pi^{2}-240}{\pi^{4}}-\delta\\ w_{n}=256^{n+1}\frac{\pi^{2}(n+1)^{2}-15}{\pi^{4}(n+1)^{4}\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}^{4}} \end{array} \right. \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \exists \delta\in\mathbb{R}\ s.t.\ 1-\frac{16\pi^{2}-240}{\pi^{4}}+\delta+\sum_{n=2}^{N}\{1-256^{n}\frac{\pi^{2}n^{2}-15}{\pi^{4}n^{4}\begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}^{4}}\}\frac{1}{n^{2}}=\zeta(2)+O(\frac{1}{N^{3}}) \end{eqnarray}
因みに$\delta$は次の様に書ける。
\begin{equation} \delta\coloneqq\sum_{n=1}^{\infty}256^{n}\frac{\pi^{2}n^{2}-15}{\pi^{4}n^{6}\begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}^{4}} \end{equation}

超幾何関数に関する公式

中央二項係数の逆数のべきを含む和による級数ってかっこいいですよね?
この様な級数をガンマ関数や対数関数などを使ってビシッと答えれてたらキターンって感じです!
ではその様な計算が出来るよう公式を作成しましょう。

下記の様な$p,q\in\mathbb{N}_{0}(p\leq q)$によって定まる級数$S(p,q)\coloneqq\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{p}\begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}^{q}}$は超幾何関数により次の様に書ける。
\begin{equation} S(p,q)=\frac{1}{2^{q}}{}_{q+1}F_{q}(\{1\}^{p+1},\{2\}^{q-p};\{\frac{3}{2}\}^{q};\frac{1}{4^{q}}) \end{equation}

[1]$t_{n}\coloneqq\frac{1}{n^{p}\begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}^{q}}$とおく。
[2]$t_{n}$は超幾何項。
\begin{eqnarray} \frac{t_{n+1}}{t_{n}}&=&\frac{n^{p}\begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}^{q}}{(n+1)^{p}\begin{pmatrix}2n+2\\n+1\end{pmatrix}^{q}}\\ &=&\frac{n^{p}(n+1)^{2q}}{(n+1)^{p}(2n+2)^{q}(2n+1)^{q}}\\ &=&\frac{n^{p}(n+1)^{q-p}}{2^{q}(2n+1)^{q}}\\ &=&\frac{n^{p}(n+1)^{q-p}}{2^{2q+1}(n+\frac{1}{2})^{q}} \end{eqnarray}
[3]ゆえに
\begin{eqnarray} t_{n}&=&\frac{(n-1)^{p}n^{q-p}}{2^{2q+1}(n-\frac{1}{2})^{q}}t_{n-1}\\ &=&\frac{(1)^{p}_{n-1}(2)^{q-p}_{n-1}}{2^{2q(n-1)}(\frac{3}{2})^{q}_{n-1}}t_{1}\\ &=&\frac{(1)^{p}_{n-1}(2)^{q-p}_{n-1}}{2^{q(2n-1)}(\frac{3}{2})^{q}_{n-1}} \end{eqnarray}
[4]以上の事を代入すると
\begin{eqnarray} S(p,q)&=&\sum_{n=1}^{\infty}t_{n}\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(1)^{p}_{n}(2)^{q-p}_{n}}{2^{q(2n+1)}(\frac{3}{2})^{q}_{n}}\\ &=&\frac{1}{2^{q}}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(1)^{p+1}_{n}(2)^{q-p}_{n}}{(\frac{3}{2})^{q}_{n}}\frac{1}{n!4^{qn}}\\ &=&\frac{1}{2^{q}}{}_{q+1}F_{q}(\{1\}^{p+1},\{2\}^{q-p};\{\frac{3}{2}\}^{q};\frac{1}{4^{q}}) \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \forall n\in\mathbb{N}_{0}:\forall a\in\mathbb{C}:\left\{ \begin{array}{l} (a)_{2n}=2^{2n}(\frac{a}{2})_{n}(\frac{a+1}{2})_{n}\\ (a)_{2n+1}=2^{2n}a(\frac{a+1}{2})_{n}(\frac{a}{2}+1)_{n} \end{array} \right. \end{eqnarray}

実際に計算すればよい。
\begin{eqnarray} (a)_{2n}&=&a(a+1)(a+2)\cdots(a+2n-2)(a+2n-1)\\ &=&a(a+2)(a+4)\cdots(a+2n-2)(a+1)(a+3)\cdots(a+2n-1)\\ &=&2^{2n}\frac{a}{2}(\frac{a}{2}+1)(\frac{a}{2}+2)\cdots(\frac{a}{2}+n-1)(\frac{a}{2}+\frac{1}{2})(\frac{a}{2}+\frac{1}{2}+1)\cdots(\frac{a}{2}+\frac{1}{2}+n-1)\\ &=&2^{2n}(\frac{a}{2})_{n}(\frac{a+1}{2})_{n} \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} (a)_{2n+1}=2^{2n}a(\frac{a+1}{2})_{n}(\frac{a}{2}+1)_{n} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \forall n\in\mathbb{N}_{0}:\forall a\in\mathbb{C}:\left\{ \begin{array}{l} (a)_{3n}=3^{3n}(\frac{a}{3})_{n}(\frac{a+1}{3})_{n}(\frac{a+2}{3})_{n}\\ (a)_{3n+1}=3^{n}a(\frac{a+1}{3})_{n}(\frac{a+2}{3})_{n}(\frac{a}{3}+1)_{n}\\ (a)_{3n+2}=3^{n}a(a+1)(\frac{a+2}{3})_{n}(\frac{a}{3}+1)_{n}(\frac{a+1}{3}+1)_{n} \end{array} \right. \end{eqnarray}

これも実際に計算すればいい。
\begin{eqnarray} (a)_{3n}&=&a(a+3)(a+6)\cdots(a+3n-3)(a+1)(a+4)\cdots(a+3n-2)(a+2)(a+5)\cdots(a+3n-1)\\ &=&3^{3n}\frac{a}{3}(\frac{a}{3}+1)(\frac{a}{3}+2)\cdots(\frac{a}{3}+n-1)\frac{a+1}{3}(\frac{a+1}{3}+1)\cdots(\frac{a+1}{n}+n-1)\frac{a+2}{3}(\frac{a+2}{3}+1)\cdots(\frac{a+2}{3}+n-1)\\ &=&3^{3n}(\frac{a}{3})_{n}(\frac{a+1}{3})_{n}(\frac{a+2}{3})_{n} \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} (a)_{3n+1}=3^{n}a(\frac{a+1}{3})_{n}(\frac{a+2}{3})_{n}(\frac{a}{3}+1)_{n} \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} (a)_{3n+2}=3^{n}a(a+1)(\frac{a+2}{3})_{n}(\frac{a}{3}+1)_{n}(\frac{a+1}{3}+1)_{n} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} {}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};z)+{}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};-z)=2{}_{2p}F_{2q+1}(\frac{a_{1}}{2},\frac{a_{1}+1}{2},\frac{a_{2}}{2},\frac{a_{2}+1}{2},...,\frac{a_{p}}{2},\frac{a_{p}+1}{2};\frac{b_{1}}{2},\frac{b_{1}+1}{2},\frac{b_{2}}{2},\frac{b_{2}+1}{2},...,\frac{b_{q}}{2},\frac{b_{q}+1}{2},\frac{1}{2};(2^{p-q-1}z)^{2})\\ {}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};z)-{}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};-z)=2\frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{p}}{b_{1}b_{2}\cdots b_{q}}z{}_{2p}F_{2q+1}(\frac{a_{1}+1}{2},\frac{a_{1}+2}{2},\frac{a_{2}+1}{2},\frac{a_{2}+2}{2},...,\frac{a_{p}+1}{2},\frac{a_{p}+2}{2};\frac{b_{1}+1}{2},\frac{b_{1}+2}{2},\frac{b_{2}+1}{2},\frac{b_{2}+2}{2},...,\frac{b_{q}+1}{2},\frac{b_{q}+2}{2},\frac{3}{2};(2^{p-q-1}z)^{2}) \end{array} \right. \end{eqnarray}

[1]
\begin{eqnarray} {}_{p}F_{q+1}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};z)+{}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};-z)&=&2\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(a_{1})_{2n}(a_{2})_{2n}\cdots(a_{p})_{2n}}{(b_{1})_{2n}(b_{2})_{2n}\cdots(b_{q})_{2n}}\frac{z^{2n}}{(2n)!}\\ &=&2\sum_{n=0}^{\infty}2^{2(p-q)}\frac{(\frac{a_{1}}{2})_{n}(\frac{a_{1}+1}{2})_{n}(\frac{a_{2}}{2})_{n}(\frac{a_{2}+1}{2})_{n}\cdots(\frac{a_{p}}{2})_{n}(\frac{a_{p}+1}{2})_{n}}{(\frac{b_{1}}{2})_{n}(\frac{b_{1}+1}{2})_{n}(\frac{b_{2}}{2})_{n}(\frac{a_{b}+1}{2})_{n}\cdots(\frac{b_{q}}{2})_{n}(\frac{b_{q}+1}{2})_{n}}\frac{z^{2n}}{2^{2n}(\frac{1}{2})_{n}n!}\\ &=&2{}_{2p}F_{2q+1}(\frac{a_{1}}{2},\frac{a_{1}+1}{2},\frac{a_{2}}{2},\frac{a_{2}+1}{2},...,\frac{a_{p}}{2},\frac{a_{p}+1}{2};\frac{b_{1}}{2},\frac{b_{1}+1}{2},\frac{b_{2}}{2},\frac{b_{2}+1}{2},...,\frac{b_{q}}{2},\frac{b_{q}+1}{2},\frac{1}{2};(2^{p-q-1}z)^{2}) \end{eqnarray}
[2]
\begin{eqnarray} {}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};z)-{}_{p}F_{q}(a_{1},a_{2},...,a_{p};b_{1},b_{2},...,b_{q};-z)&=&2\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(a_{1})_{2n+1}(a_{2})_{2n+1}\cdots(a_{p})_{2n+1}}{(b_{1})_{2n+1}(b_{2})_{2n+1}\cdots(b_{q})_{2n+1}}\frac{z^{2n+1}}{(2n+1)!}\\ &=&2z\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(a_{1})_{2n+1}(a_{2})_{2n+1}\cdots(a_{p})_{2n+1}}{(b_{1})_{2n+1}(b_{2})_{2n+1}\cdots(b_{q})_{2n+1}}\frac{z^{2n}}{2^{2n}(\frac{3}{2})_{n}n!}\\ &=&2z\sum_{n=0}^{\infty}2^{2(p-q)n}\frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{p}(\frac{a_{1}+1}{2})_{n}(\frac{a_{1}}{2}+1)_{n}(\frac{a_{2}+1}{2})_{n}(\frac{a_{2}}{2}+1)_{n}\cdots(\frac{a_{p}+1}{2})_{n}(\frac{a_{p}}{2}+1)_{n}}{b_{1}b_{2}\cdots b_{q}(\frac{b_{1}+1}{2})_{n}(\frac{b_{1}}{2}+1)_{n}(\frac{b_{2}+1}{2})_{n}(\frac{b_{2}}{2}+1)_{n}\cdots(\frac{b_{q}+1}{2})_{n}(\frac{b_{q}}{2}+1)_{n}(\frac{3}{2})_{n}}\frac{1}{n!}(\frac{z}{2})^{2n}\\ &=&2\frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{p}}{b_{1}b_{2}\cdots b_{q}}z\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{a_{1}+1}{2})_{n}(\frac{a_{1}}{2}+1)_{n}(\frac{a_{2}+1}{2})_{n}(\frac{a_{2}}{2}+1)_{n}\cdots(\frac{a_{p}+1}{2})_{n}(\frac{a_{p}}{2}+1)_{n}}{(\frac{b_{1}+1}{2})_{n}(\frac{b_{1}}{2}+1)_{n}(\frac{b_{2}+1}{2})_{n}(\frac{b_{2}}{2}+1)_{n}\cdots(\frac{b_{q}+1}{2})_{n}(\frac{b_{q}}{2}+1)_{n}(\frac{3}{2})_{n}}\frac{1}{n!}(2^{p-q-1}z)^{2n}\\ &=&2\frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{p}}{b_{1}b_{2}\cdots b_{q}}z{}_{2p}F_{2q+1}(\frac{a_{1}+1}{2},\frac{a_{1}+2}{2},\frac{a_{2}+1}{2},\frac{a_{2}+2}{2},...,\frac{a_{p}+1}{2},\frac{a_{p}+2}{2};\frac{b_{1}+1}{2},\frac{b_{1}+2}{2},\frac{b_{2}+1}{2},\frac{b_{2}+2}{2},...,\frac{b_{q}+1}{2},\frac{b_{q}+2}{2},\frac{3}{2};(2^{p-q-1}z)^{2}) \end{eqnarray}

楕一種円積分

\begin{equation} \forall k\in[0,1]:K(k)\coloneqq \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{d\theta}{\sqrt{1-k^{2}\sin^{2}{\theta}}} \end{equation}

\begin{equation} K(k)=\frac{\pi}{2}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;k^{2}) \end{equation}

[1]$f(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x}}$とおくと$f^{(n)}(x)=\frac{(\frac{1}{2})_{n}}{(1-x)^{\frac{2n+1}{2}}}$なので
\begin{equation} f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_{n}}{n!}x^{n} \end{equation}
[2]ゆえにこれを用いると
\begin{eqnarray} K(k)&=&\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_{n}}{n!}k^{2n}\sin^{2n}{\theta}d\theta\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_{n}}{n!}k^{2n}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2n}{\theta}d\theta\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_{n}}{n!}k^{2n}\frac{(\frac{1}{2})_{n}}{n!}\frac{\pi}{2}\\ &=&\frac{\pi}{2}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;k^{2}) \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} K(k)+K(ik)=\pi{}_{4}F_{3}(\frac{1}{4},\frac{1}{4},\frac{3}{4},\frac{3}{4};\frac{1}{2},1,\frac{1}{2};k^{4})\\ K(k)-K(ik)=\frac{\pi}{4}k^{2}{}_{4}F_{3}(\frac{3}{4},\frac{3}{4},\frac{5}{4},\frac{5}{4};1,\frac{3}{2}\frac{3}{2};k^{4}) \end{array} \right. \end{eqnarray}

\begin{equation} K(\frac{1}{\sqrt{2}})=\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{4\sqrt{\pi}} \end{equation}

\begin{eqnarray} K(\frac{1}{\sqrt{2}})&=&\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{d\theta}{\sqrt{1-\frac{1}{2}\sin^{2}{\theta}}}\\ &=&\sqrt{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{d\theta}{\sqrt{2-\sin^{2}{\theta}}}\quad(\sin{\theta}=x)\\ &=&\sqrt{2}\int_{0}^{1}\frac{dx}{\sqrt{(1-x^{2})(2-x^{2})}}\quad(x^2=y)\\ &=&\frac{1}{\sqrt{2}}\int_{0}^{1}\frac{dy}{\sqrt{y(1-y)(2-y)}}\quad(1-y=z)\\ &=&\frac{1}{\sqrt{2}}\int_{0}^{1}\frac{dz}{\sqrt{z(1-z)(1+z)}}\\ &=&\frac{1}{\sqrt{2}}\int_{0}^{1}\frac{dz}{\sqrt{z(1-z^{2})}}\\ &=&\frac{1}{2\sqrt{2}}\int_{0}^{1}\frac{dw}{w^{\frac{3}{4}}(1-w)^{\frac{1}{2}}}\\ &=&\frac{1}{2\sqrt{2}}B(\frac{1}{4},\frac{1}{2})\\ &=&\frac{\Gamma(\frac{1}{4})\Gamma(\frac{1}{2})}{2\sqrt{2}\Gamma(\frac{3}{4})}\\ &=&\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}\sqrt{\pi}}{2\sqrt{2}\Gamma(\frac{1}{4})\Gamma(1-\frac{1}{4})}\\ &=&\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{4\sqrt{\pi}} \end{eqnarray}

\begin{equation} K(i\frac{1}{\sqrt{2}})=\frac{\pi}{\sqrt{6}}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;\frac{1}{3}) \end{equation}

\begin{eqnarray} K(i\frac{1}{\sqrt{2}})&=&\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{d\theta}{\sqrt{1+\frac{1}{2}\sin^{2}{\theta}}}\\ &=&\sqrt{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{d\theta}{\sqrt{2+\sin^{2}{\theta}}}\quad(\sin{\theta}=x)\\ &=&\sqrt{2}\int_{0}^{1}\frac{dx}{\sqrt{(1-x^{2})(2+x^{2})}}\quad(x^{2}=y)\\ &=&\frac{1}{\sqrt{2}}\int_{0}^{1}\frac{dy}{\sqrt{y(1-y)(2+y)}}\quad(y=1-z)\\ &=&\frac{1}{\sqrt{2}}\int_{0}^{1}\frac{dz}{\sqrt{z(1-z)(3-z)}}\\ &=&\frac{1}{\sqrt{6}}\int_{0}^{1}z^{\frac{1}{2}-1}(1-z)^{\frac{1}{2}-1}(1-\frac{1}{3}z)^{-\frac{1}{2}}dz\\ &=&\frac{1}{\sqrt{6}}\frac{\Gamma(\frac{1}{2})\Gamma(\frac{1}{2})}{\Gamma(1)}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;\frac{1}{3})\\ &=&\frac{\pi}{\sqrt{6}}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;\frac{1}{3}) \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} {}_{4}F_{3}(\frac{1}{4},\frac{1}{4},\frac{3}{4},\frac{3}{4};\frac{1}{2},1,\frac{1}{2};\frac{1}{4})=\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{4\pi\sqrt{\pi}}+\frac{1}{\sqrt{6}}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;\frac{1}{3})\\ {}_{4}F_{3}(\frac{3}{4},\frac{3}{4},\frac{5}{4},\frac{5}{4};1,\frac{3}{2},\frac{3}{2};\frac{1}{4})=\frac{2\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{\pi\sqrt{\pi}}-4\sqrt{\frac{2}{3}}{}_{2}F_{1}(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;\frac{1}{3}) \end{array} \right. \end{eqnarray}

\begin{equation} -\log{(1-x)}=x{}_{2}F_{1}(1,1;2;x) \end{equation}

[1]
\begin{eqnarray} \frac{d^{n}}{dx^{n}}\log{(1-x)}&=&-\frac{(n-1)!}{(1-x)^{n}} \end{eqnarray}
[2]
\begin{eqnarray} -\log{(1-x)}&=&\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}x^{n}\\ &=&\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(n-1)!(n-1)!}{n!}\frac{x^{n}}{(n-1)!}\\ &=&x\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n!n!}{(n+1)!}\frac{x^{n}}{n!}\\ &=&x{}_{2}F_{1}(1,1;2;x) \end{eqnarray}

$\psi(\alpha,\beta,\gamma,z)=\int_{0}^{1}x^{\alpha-1}(1-x)^{\beta-1}(1-zx)^{-\gamma}dx$とすると以下の様に書ける。
\begin{equation} \psi(\alpha,\beta,\gamma,z)=\frac{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}{\Gamma(\alpha+\beta)}{}_{2}F_{1}(\alpha,\gamma;\alpha+\beta;z) \end{equation}

\begin{eqnarray} \psi(\alpha,\beta,\gamma,z)&=&\int_{0}^{1}x^{\alpha-1}(1-x)^{\beta-1}(1-zx)^{-\gamma}dx\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\gamma)_{n}}{n!}z^{n}\int_{0}^{1}x^{\alpha+n-1}(1-x)^{\beta-1}dx\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\gamma)_{n}}{n!}z^{n}\frac{\Gamma(\alpha+n)\Gamma(\beta)}{\Gamma(\alpha+\beta+n)}\\ &=&\frac{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}{\Gamma(\alpha+\beta)}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\alpha)_{n}(\gamma)_{n}}{(\alpha+\beta)_{n}}\frac{z^{n}}{n!}\\ &=&\frac{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}{\Gamma(\alpha+\beta)}{}_{2}F_{1}(\alpha,\gamma;\alpha+\beta;z) \end{eqnarray}

\begin{equation} \forall n\in\mathbb{N}_{0}:\forall N\in\mathbb{N}:(\frac{1}{N})_{n}(\frac{2}{N})_{n}\cdots(\frac{N-1}{N})_{n}=\frac{(nN)!}{n!N^{nN}} \end{equation}

\begin{eqnarray} (\frac{1}{N})_{n}(\frac{2}{N})_{n}\cdots(\frac{N-1}{N})_{n}&=&\frac{1}{N}\frac{2}{N}\cdots\frac{N-1}{N}\frac{N+1}{N}\frac{N+2}{N}\cdots\frac{2N-1}{N}\cdots\frac{(n-1)N+1}{N}\frac{(n-1)N+2}{N}\cdots\frac{nN-1}{N}\\ &=&\frac{(nN)!}{n!N^{nN}} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \forall N\in\mathbb{N}:\exists Q,R\in\mathbb{N}_{0}(0\lt R\lt N)\ s.t.\ \color{red}(\frac{QN+R}{N})_{n}(\frac{QN+R+1}{N})_{n}\cdots(\frac{QN+N-1}{N})_{n}\color{PineGreen}(\frac{(Q+1)N+1}{N})_{n}\cdots(\frac{(Q+1)N+R-1}{N})_{n}\color{black}=\frac{Q!\{(Q+n)N+R-1\}!}{(Q+n)!(QN+R-1)!N^{nN}} \end{eqnarray}

[1]$R=1$とした場合。
\begin{eqnarray} (\frac{QN+1}{N})_{n}(\frac{QN+2}{N})_{n}\cdots(\frac{QN+N-1}{N})_{n}&=&\frac{QN+1}{N}\frac{QN+2}{N}\cdots\frac{QN+N-1}{N}\frac{QN+N+1}{N}\frac{QN+N+2}{N}\cdots\frac{QN+N+N-1}{N}\cdots\frac{(Q+n-1)N+1}{N}\frac{(Q+n-1)N+2}{N}\cdots\frac{(n+Q)N-1}{N}\\ &=&\frac{Q!\{(Q+n)N\}!}{(Q+n)!(QN)!N^{nN}} \end{eqnarray}
[2]$R\neq 1$とした場合。
\begin{eqnarray} \color{red}(\frac{QN+R}{N})_{n}(\frac{QN+R+1}{N})_{n}\cdots(\frac{QN+N-1}{N})_{n}\color{PineGreen}(\frac{(Q+1)N+1}{N})_{n}\cdots(\frac{(Q+1)N+R-1}{N})_{n}&=&\color{red}\frac{QN+R}{N}\frac{QN+R+1}{N}\cdots\frac{QN+N-1}{N}\color{PineGreen}\frac{(Q+1)N+1}{N}\frac{(Q+1)N+2}{N}\cdots\frac{(Q+1)N+R-1}{N}\color{red}\frac{(Q+1)N+R}{N}\frac{(Q+1)N+R+1}{N}\cdots\frac{(Q+1)N+N-1}{N}\color{PineGreen}\frac{(Q+2)N+1}{N}\cdots\frac{(Q+2)N+R-1}{N}\color{red}\frac{(Q+n-1)N+R}{N}\frac{(Q+n-1)N+R+1}{N}\cdots\frac{(Q+n-1)N+N-1}{N}\color{PineGreen}\frac{(Q+n)N+1}{N}\cdots\frac{(Q+n)N+R-1}{N}\\ &=&\frac{Q!\{(Q+n)N+R-1\}!}{(Q+n)!(QN+R-1)!N^{nN}}\\ \end{eqnarray}

  1. $(\frac{1}{2})_{n}=\frac{(2n)!}{n!2^{2n}}$
  2. $(\frac{3}{2})_{n}=\frac{\{2(n+1)\}!}{(n+1)!n2^{2n}}$
  3. $(\frac{1}{4})_{n}(\frac{2}{4})_{n}(\frac{3}{4})_{n}=\frac{(4n)!}{n!4^{4n}}$
  4. $(\frac{2}{4})_{n}(\frac{3}{4})_{n}(\frac{5}{4})_{n}=\frac{(4n+1)!}{n!4^{4n}}$
上記の式を用いると
\begin{eqnarray} \frac{(\frac{1}{4})_{n}(\frac{1}{4})_{n}(\frac{3}{4})_{n}(\frac{3}{4})_{n}}{(\frac{1}{2})_{n}(\frac{1}{2})_{n}}&=&\frac{\{(4n)!\}^{2}}{(n!)^{2}4^{8n}}\frac{(n!)^{4}2^{8n}}{\{(2n)!\}^{4}}\\ &=&\frac{\{(4n)!\}^{2}(n!)^{2}}{4^{4n}\{(2n)!\}^{4}}\\ &=&\frac{\{(4n)!\}^{2}(n!)^{2}}{4^{4n}\{(2n)!\}^{4}}\\ &=&\frac{\{(4n)!\}^{2}(n!)^{2}}{\{(2n)!\}^{4}}\frac{1}{256^{n}} \end{eqnarray}
ゆえに、
\begin{eqnarray} {}_{4}F_{3}(\frac{1}{4},\frac{1}{4},\frac{3}{4},\frac{3}{4};\frac{1}{2},1,\frac{1}{2};\frac{1}{4})&=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\{(4n)!\}^{2}}{\{(2n)!\}^{4}}\frac{1}{1024^{n}}\\ &=&\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{4\pi\sqrt{\pi}}+\frac{1}{\sqrt{6}}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\{(2n)!\}^{2}}{2^{4n}(n!)^{3}}\frac{1}{3^{n}}\\ &=&\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{4\pi\sqrt{\pi}}+\frac{1}{\sqrt{6}}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\{(2n)!\}^{2}}{(n!)^{3}}\frac{1}{48^{n}} \end{eqnarray}
同様に
\begin{eqnarray} \frac{(\frac{3}{4})_{n}(\frac{3}{4})_{n}(\frac{5}{4})_{n}(\frac{5}{4})_{n}}{(\frac{3}{2})_{n}(\frac{3}{2})_{n}}&=&\frac{\{(4n+1)!\}^{2}}{(n!)^{2}4^{8n}}\frac{(n!)^{2}2^{4n}}{\{(2n)!\}^{2}}\frac{\{(n+1)!\}^{2}n2^{4n}}{[\{2(n+1)\}!]^{2}}\\ &=&\frac{(4n+1)^{2}\{(4n)!\}^{2}(n!)^{2}n}{4^{4n+1}(2n+1)^{2}\{(2n)!\}^{4}} \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} {}_{4}F_{3}(\frac{3}{4},\frac{3}{4},\frac{5}{4},\frac{5}{4};1,\frac{3}{2},\frac{3}{2};\frac{1}{4})&=&\frac{1}{4}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(4n+1)^{2}\{(4n)!\}^{2}n}{(2n+1)^{2}\{(2n)!\}^{4}}\frac{1}{1024^{n}}\\ &=&\frac{2\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{\pi\sqrt{\pi}}-4\sqrt{\frac{2}{3}}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\{(2n)!\}^{2}}{(n!)^{3}}\frac{1}{48^{n}} \end{eqnarray}

応用2

Watsonの補題

積分可能な関数$f:\mathbb{R}_{+}\rightarrow\mathbb{C}$が次の性質を満たすとする。
(1)$\exists a\gt 0\ s.t.\ |f(t)|=O(e^{at})$
(2)$f(t)\simeq\sum_{m=0}^{\infty}c_{m}t^{a_{m}}$ただし、$\{a_{m}\}_{m\in\mathbb{N_{0}}}$は単調増加な数列
この時、次の積分:$I_{n}=\int_{0}^{\infty}e^{-nt}f(t)dt$を定めると、次の様に書ける。
\begin{equation} I_{n}\simeq\sum_{m=0}^{\infty}c_{m}\frac{\Gamma(a_{m}+1)}{n^{a_{m}+1}} \end{equation}

(1)の条件により、$|a|\lt n$の様にとる。すると
\begin{equation} \exists C\in\mathbb{R}_{+}\ s.t.\ |f(t)|\leq Ce^{at}\lt Ce^{nt} \end{equation}
ゆえに
\begin{eqnarray} |\int_{0}^{\infty}f(x)e^{-nx}dx|&\leq&\int_{0}^{\infty}|f(x)|e^{-nx}dx\\ &\lt&C\int_{0}^{\infty}e^{ax}e^{-nx}dx\\ &=&C\int_{0}^{\infty}e^{-(n-a)x}dx\\ &=&\frac{C}{n-a}\lt+\infty \end{eqnarray}
絶対収束する。
次にその様な自然数$n$を取ります。
\begin{eqnarray} I_{n}&=&\int_{0}^{\infty}f(x)e^{-nx}dx\\ &\simeq&\int_{0}^{\infty}\sum_{m=0}^{\infty}c_{m}x^{a_{m}}e^{-nx}dx\quad(nx=y)\\ &=&\sum_{m=0}^{\infty}\frac{c_{m}}{n^{a_{m+1}}}\int_{0}^{\infty}x^{a_{m+1-1}}e^{-x}dx\\ &=&\sum_{m=0}^{\infty}c_{m}\frac{\Gamma(a_{m}+1)}{n^{a_{m+1}}} \end{eqnarray}

Abelの総和公式1

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}},\{b_{n}\}_{n\in\mathbb{N}}$に対して次の様な式が成り立つ。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} A_{n}\coloneqq\sum_{m=1}^{n}a_{m}\\ \sum_{n=1}^{N}a_{n}b_{n}=A_{N}b_{N}+\sum_{n=1}^{N-1}A_{n}(b_{n}-b_{n+1}) \end{array} \right. \end{eqnarray}

下の図を参照すればよい。

Abelの総和法 Abelの総和法

Abelの総和公式2

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}}$と微分可能な関数$f\in C^{1}(0,x)$に対して以下の式が成り立つ。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} A(x)\coloneqq\sum_{0\leq n\leq \lfloor x\rfloor}a_{n}\\ \sum_{0\leq n\leq x}a_{n}f(n)=A(\lfloor x\rfloor)f(\lfloor x\rfloor)-\int_{0}^{\lfloor x\rfloor}A(y)f^{'}(y)dy \end{array} \right. \end{eqnarray}

[1]右辺の積分について少し考察すれば分かる。
\begin{eqnarray} \int_{0}^{\lfloor x\rfloor}A(y)f^{'}(y)dy&=&\sum_{k=1}^{\lfloor x\rfloor}\int_{k-1}^{k}A(y)f^{'}(y)dy\\ &=&\sum_{k=1}^{\lfloor x\rfloor}\lim_{\epsilon\rightarrow0+0}\int_{k-1}^{k-\epsilon}A(y)f^{'}(y)dy\\ &=&\sum_{k=1}^{\lfloor x\rfloor}A(k-1)\lim_{\epsilon\rightarrow0+0}\int_{k-1}^{k-\epsilon}f^{'}(y)dy\\ &=&\sum_{k=1}^{\lfloor x\rfloor}A(k-1)\lim_{\epsilon\rightarrow0+0}\{f(k-\epsilon)-f(k-1)\}\\ &=&\sum_{k=1}^{\lfloor x\rfloor}A(k-1)\{f(k)-f(k-1)\} \end{eqnarray}
[2]$f(k)=b_{k}$とおくと、Abelの総和と一致する事が分かるので証明終了。

積分可能な関数$f:\mathbb{R}_{+}\rightarrow\mathbb{C}$が次の性質を満たすとする。
$\exists a\gt 0\ s.t.\ |f(t)|=O(e^{at})$
すると次の様な積分変換を定義することが出来る。
\begin{equation} \forall a\lt Re(s):\mathcal{L}[f](s)=\int_{0}^{\infty}f(x)e^{-sx}dx \end{equation}
すると次の積分変換により元に戻る。
\begin{equation} \mathcal{L}^{-1}[F](x)=\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}F(s)e^{sx}ds \end{equation}

逆Laplace変換 逆Laplace変換

解析的表示$f(z)=\sum_{n=0}^{\infty}a_{n}z^{n}$が存在する場合のみ示す。
[1]仮定より、Laplace変換は常に定義出来なおかつ、それは絶対収束しますので次の様な計算が出来る。
\begin{eqnarray} \mathcal{L}[f](s)&=&\int_{0}^{\infty}f(z)e^{-sz}dz\\ &=&\int_{0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}a_{n}z^{n}e^{-sz}dz\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}a_{n}\int_{0}^{\infty}z^{n}e^{-sz}dz\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_{n}n!}{s^{n+1}} \end{eqnarray}
[2]この得られた級数について以下の計算を行います。
\begin{eqnarray} \mathcal{L}^{-1}[f](z)&=&\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_{n}n!}{s^{n+1}}e^{sz}ds+\int_{\Gamma}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_{n}n!}{s^{n+1}}e^{sz}ds\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}\frac{a_{n}n!}{s^{n+1}}\sum_{m=0}^{\infty}\frac{s^{m}z^{m}}{m!}ds\\ &=&\sum_{m=0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_{n}n!z^{m}}{m!}\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}\frac{1}{s^{n-m+1}}ds\\ &=&\sum_{m=0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_{n}n!z^{m}}{m!}\delta_{n,m}\\ &=&\sum_{n=0}^{\infty}a_{n}z^{n}\\ &=&f(z) \end{eqnarray}

Perronの公式

数列$\{a_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$により定まる二つの級数を考える。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} f(s)\coloneqq\sum_{n=1}^{\infty}\frac{a_{n}}{n^{s}}\\ A(x)\coloneqq \sum_{1\leq n\leq \lfloor x\rfloor}a_{n} \end{array} \right. \end{eqnarray}
すると以下の式が成り立つ。
\begin{equation} A(\log{x})=\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}f(s)\frac{x^{s}}{s}ds \end{equation}

[1]Abelの総和法により、任意の微分可能な関数$\varphi\in C^{1}(1,x)$に対して以下の式が成り立つ。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} A(x)=\sum_{1\leq n\leq \lfloor x\rfloor}a_{n}\\ \sum_{1\leq n\leq \lfloor x\rfloor}a_{n}\varphi(n)=A(\lfloor x\rfloor)\varphi(\lfloor x\rfloor)-\int_{1}^{\lfloor x\rfloor}A(t)\varphi^{'}(t)dt \end{array} \right. \end{eqnarray}
[2]$\varphi(x)\coloneqq x^{-s}$とおく。すると下記の様に書き直せる。
\begin{eqnarray} \sum_{1\leq n\leq \lfloor x\rfloor}\frac{a_{n}}{n^{s}}=\frac{A(\lfloor x\rfloor)}{\lfloor x \rfloor^{s}}+s\int_{1}^{\lfloor x\rfloor}\frac{A(t)}{t^{s+1}}dt \end{eqnarray}
[3]$x\rightarrow\infty$とする。すると以下の式が成り立つ。
\begin{eqnarray} f(s)&=&s\int_{1}^{\infty}\frac{A(t)}{t^{s+1}}dt\quad(t=e^{\tau})\\ &=&s\int_{0}^{\infty}A(\tau)e^{-s\tau}d\tau \end{eqnarray}
[4]ゆえに
\begin{equation} \frac{f(s)}{s}=\int_{0}^{\infty}A(\tau)e^{-s\tau}d\tau\equiv\mathcal{L}[A(\tau)](s) \end{equation}
[5][4]の右辺はLaplace変換なのでLaplace変換の逆変換を行う事で
\begin{equation} A(x)=\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}\frac{f(s)}{s}e^{sx}ds \end{equation}
最後に$x=\log{y}$の様に置き換えて
\begin{equation} A(\log{y})=\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}\frac{f(s)}{s}y^{s}ds \end{equation}

応用1では適当に数列を選んで三次の加速度を持つ零数列を構成出来ましたが...
しかし、$\sum_{n=0}^{\infty}w_{n}a_{n}$の値が不明であり実用に足らなかったです。
ですが、今なら超幾何関数に関する公式を幾つか考え、特に楕円積分の特殊値を求めました。これらの値は既に分かっているものですから、この様な数列の一次結合を用いて級数の加速を行う事が出来るかもしれません。
僕はその様な期待を胸に計算を進めてきたのですがここで残念なお知らせ。
少なくとも、今回求めた楕円関数の特殊値、$log2$,$\sqrt{2}$の一次結合により構成した$w_{n}$では$3$次の加速度を持つ零数列を構成出来ないようです。
ただ、構成できない事を証明するのも案外有益なのではないかと思い一つ例をの載せます。
良かったらこの例にチャレンジしてみてください。

$f(x)=\frac{1}{(x+1)^{2}}$とおくと、$\forall n\in\mathbb{N}_{0}:f^{(n)}(x)=\frac{(-1)^{n}(n+1)!}{(x+1)^{n+2}}$とするとEuler-Maclaurin展開により
\begin{equation} \sum_{n=0}^{N-1}\frac{1}{(n+1)^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}-\frac{1}{N}+\frac{1}{2N^{2}}+O(\frac{1}{N^{3}}) \end{equation}
と書けます。この事を用いて3次の加速度を持つ零数列$\{w_{n}\}_{n\in\mathbb{N}_{0}}$を作りたいとします。
しかし、下記の数列の$\mathbb{C}$係数の一次結合をどのようにとっても3次の加速度を持つ零数列を構成できない事を証明してください。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} f_{n0}=\frac{\{\{2(n+1)\}!\}^{2}(n+1)^{2}}{\{(n+1)!\}^{3}32^{n+1}}\\ f_{n1}=(-1)^{n}(n+1)\\ f_{n2}=\frac{\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}(n+1)^{2}}{2^{2(n+1)}(n+1)!}\frac{1}{2^{n+1}} \end{array} \right. \end{eqnarray}

[1]まず以下の様に適当な係数$A,B,C$を用いて下記の様な数列を作成する。
\begin{equation} w_{n}=A\frac{\{\{2(n+1)\}!\}^{2}(n+1)^{2}}{\{(n+1)!\}^{3}32^{n+1}}+B(-1)^{n}(n+1)+C\frac{\begin{pmatrix}2(n+1)\\n+1\end{pmatrix}(n+1)^{2}}{2^{2(n+1)}(n+1)!}\frac{1}{2^{n+1}} \end{equation}
[2]以下の式が成り立つ様$A,B,C$を定める。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} \sum_{n=0}^{N-1}\frac{w_{n}}{(n+1)^{2}}=\delta-\frac{1}{N}+\frac{1}{2N^{2}}+O(\frac{1}{N^{3}})\\ \sum_{n=0}^{\infty}\frac{w_{n}}{(n+1)^{2}}=A\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^{2}}{2\pi\sqrt{\pi}}+B\log{2}+C\sqrt{2} \end{array} \right. \end{eqnarray}
漸近表示を求める。
[3]
\begin{eqnarray} \frac{\{(2n)!\}^{2}}{(n!)^{3}32^{n}}&=&\frac{2\pi(2n)^{2n+1}}{e^{4n}}\frac{e^{3n}}{2\pi\sqrt{2\pi}n^{3n+\frac{3}{2}}32^{n}}\\ &=&\frac{1}{e}\sqrt{\frac{2}{\pi}}\frac{2^{2n}}{n^{n+\frac{1}{2}}32^{n}}\\ &=&\frac{1}{e}\sqrt{\frac{2}{\pi}}\frac{1}{n^{n+\frac{1}{2}}8^{n}} \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \frac{\begin{pmatrix}2n\\n\end{pmatrix}}{2^{3n}n!}&=&\frac{4^{n}}{2^{3n}\sqrt{\pi n}}\frac{e^{n}}{\sqrt{2\pi}n^{n+\frac{1}{2}}}\\ &=&\frac{1}{\pi\sqrt{2}}\frac{e^{n}}{n^{n+1}2^{n}} \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \sum_{n=1}^{N}\frac{w_{n-1}}{n^{2}}&\simeq&A\frac{1}{e}\sqrt{\frac{2}{\pi}}\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^{n+\frac{1}{2}}8^{n}}+B\sum_{n=1}^{N}\frac{(-1)^{n-1}}{n}+C\frac{1}{\pi\sqrt{2}}\sum_{n=1}^{N}\frac{e^{n}}{n^{n+1}2^{n}} \end{eqnarray}
[4]そこで以下の様な記号を定める。
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} f(p,q;x)\coloneqq\frac{1}{x^{x+p}q^{x}}\\ \psi(x)\coloneqq x(\log{x}+\log{q})+p\log{x}\\ S(p,q;f)(N)\coloneqq\sum_{n=1}^{N}f(p,q;n)\\ F(p,q;s)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{f(p,q;n)}{n^{s}} \end{array} \right. \end{eqnarray}
[5]Perronの公式を用いる。
\begin{eqnarray} S(p,q;f)(\lfloor\log{N}\rfloor)&=&\frac{1}{2\pi i}\int_{c-i\infty}^{c+i\infty}F(p,q;s)\frac{N^{s}}{s}ds \end{eqnarray}
$s=0$の留数について
\begin{equation} \frac{F(p,q;s)N^{s}}{s}=\frac{1}{s}F(p,q;s)e^{s\log{N}} \end{equation}
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} F(p,q;s)=F(p,q;0)+sF^{'}(p,q;0)+O(s^{2})\\ e^{s\log{N}}=1+s\log{N}+O(s^{2}) \end{array} \right. \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \frac{F(p,q;s)N^{s}}{s}&=&\frac{1}{s}\{F(p,q;0)+sF^{'}(p,q;0)+O(s^{2})\}\{1+s\log{N}+O(s^{2})\}\\ &=&\frac{F(p,q;0)}{s}+F(p,q;0)\log{N}+F^{'}(p,q;0)+O(s) \end{eqnarray}
以上の計算により
\begin{eqnarray} Res_{s=0}\frac{F(p,q;s)N^{s}}{s}&=&F(0)\\ &=&\sum_{n=1}^{\infty}f(p,q;n) \end{eqnarray}
すなわち
\begin{equation} \forall R\in\mathbb{R}_{+}:S(p,q,f)(\lfloor\log{N}\rfloor)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{n+p}q^{n}}+O(N^{R}) \end{equation}
[6]つまり、与えられた数列$f_{n0},f_{n1},f_{n2}$$\mathbb{C}$係数の一次結合をどのようにとっても3次の加速度を持つ零数列を構成できない事が証明できました。

最後に

今回の記事は零数列を足す事で、級数の収束速度を上げる方法について書きました。
途中超幾何関数の公式について書いたり脱線もしましたが、そういった部分も楽しんで頂けていたら嬉しいです。
零数列に関しても思いつき次第どんどん書いていきますので引き続きよろしくお願いいたします。

投稿日:514
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