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現代数学解説
文献あり

Nassrallah-Rahman積分

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前回の記事 と同様に,
w(x;a,b,c,d):=h(x,1)h(x,1)h(x,q)h(x,q)1x2h(x,a)h(x,b)h(x,c)h(x,d)h(x,a):=k=0(12axqk+a2q2k)
とする. Askey-Wilson積分
11w(x;a,b,c,d)dx=2π(abcd;q)(ab,ac,ad,bc,bd,cd,q;q)
で与えられる. その一般化として, 以下はNassrallah-Rahman積分として知られているものである.

Nassrallah-Rahman(1985)

(q,ab,ac,ad,bc,bd,cd;q)2π(abcd;q)11|(Ateiθ;q)(teiθ;q)|2w(x;a,b,c,d)dx=(acdt,Aat,Act,Adt;q)(Aacdt,at,ct,dt;q)8ϕ7[Aacdt/q,qAacdt/q,qAacdt/q,At/b,A,ac,ad,cdAacdt/q,Aacdt/q,abcd,acdt,Aat,Adt,Act;bt]

non-terminating q-Saalschützの和公式
3ϕ2[a,b,ce,f;q]+(q/e,a,b,c,fq/e;q)(e/q,aq/e,bq/e,cq/e,f;q)3ϕ2[aq/e,bq/e,cq/eq2/e,fq/e;q]=(q/e,f/a,f/b,f/c;q)(aq/e,bq/e,cq/e,f;q),abcq=ef
から始める. aA,baeiθ,caeiθ,eEとすると,
3ϕ2[A,aeiθ,aeiθE,Aa2q/E;q]+(q/E,A,aeiθ,aeiθ,Aa2q2/E2;q)(E/q,Aq/E,aqeiθ/E,aqeiθ/E,Aa2q/E;q)3ϕ2[Aq/E,aqeiθ/E,aqeiθ/Eq2/E,Aa2q2/E2;q]=(q/E,a2q/E,Aaqeiθ/E,Aaqeiθ/E;q)(Aq/E,aqeiθ/E,aqeiθ/E,Aa2q/E;q)
両辺にw(x;a,b,c,d)を掛けて[1,1]で積分すると, Askey-Wilson積分より,
113ϕ2[A,aeiθ,aeiθE,Aa2q/E;q]w(x;a,b,c,d)dx=2π(abcd;q)(ab,ac,ad,bc,bd,cd,q;q)4ϕ3[A,ab,ac,adE,Aa2q/E,abcd;q]11(aeiθ,aeiθ;q)(aqeiθ/E,aqeiθ/E;q)3ϕ2[Aq/E,aqeiθ/E,aqeiθ/Eq2/E,Aa2q2/E2;q]w(x;a,b,c,d)dx=113ϕ2[Aq/E,aqeiθ/E,aqeiθ/Eq2/E,Aa2q2/E2;q]w(x;aq/E,b,c,d)dx=2π(abcdq/E;q)(abq/E,acq/E,adq/E,bc,bd,cd,q;q)4ϕ3[Aq/E,abq/E,acq/E,adq/Eq2/E,Aa2q2/E2,abcdq/E;q]
であるから,
(q/E,a2q/E;q)(Aq/E,Aa2q/E;q)11|(Aaqeiθ/E;q)(aqeiθ/E;q)|2w(x;a,b,c,d)dx=2π(abcd;q)(ab,ac,ad,bc,bd,cd,q;q)4ϕ3[A,ab,ac,adE,Aa2q/E,abcd;q]+(q/E,A,Aa2q2/E2;q)(E/q,Aq/E,Aa2q/E;q)2π(abcdq/E;q)(abq/E,acq/E,adq/E,bc,bd,cd,q;q)4ϕ3[Aq/E,abq/E,acq/E,adq/Eq2/E,Aa2q2/E2,abcdq/E;q]=2π(abcd;q)(ab,ac,ad,bc,bd,cd,q;q)4ϕ3[A,ab,ac,adE,Aa2q/E,abcd;q]+2π(abcd;q)(ab,ac,ad,bc,bd,cd,q;q)(q/E,A,Aa2q2/E2;q)(E/q,Aq/E,Aa2q/E;q)(ab,ac,ad,abcdq/E;q)(abcd,abq/E,acq/E,adq/E;q)4ϕ3[Aq/E,abq/E,acq/E,adq/Eq2/E,Aa2q2/E2,abcdq/E;q]
ここで, non-terminating q-Whippleの変換公式 より,
4ϕ3[A,ab,ac,adE,Aa2q/E,abcd;q]+(q/E,A,Aa2q2/E2;q)(E/q,Aq/E,Aa2q/E;q)(ab,ac,ad,abcdq/E;q)(abcd,abq/E,acq/E,adq/E;q)4ϕ3[Aq/E,abq/E,acq/E,adq/Eq2/E,Aa2q2/E2,abcdq/E;q]=(a2cdq/E,Aacq/E,Aadq/E,q/E;q)(Aa2cdq/E,acq/E,adq/E,Aq/E;q)8ϕ7[Aa2cd/E,qAa2cd/E,qAa2cd/E,cd,Aaq/bE,A,ac,adAa2cd/E,Aa2cd/E,Aa2q/E,abcdq,a2cdq/E,Aadq/E,Aacq/E;abqE]
だから, これを代入して,
(ab,ac,ad,bc,bd,cd,q;q)2π(abcd;q)11|(Aaqeiθ/E;q)(aqeiθ/E;q)|2w(x;a,b,c,d)dx=(Aq/E,Aa2q/E;q)(q/E,a2q/E;q)(a2cdq/E,Aacq/E,Aadq/E,q/E;q)(Aa2cdq/E,acq/E,adq/E,Aq/E;q)8ϕ7[Aa2cd/E,qAa2cd/E,qAa2cd/E,cd,Aaq/bE,A,ac,adAa2cd/E,Aa2cd/E,Aa2q/E,abcdq,a2cdq/E,Aadq/E,Aacq/E;abqE]=(Aa2q/E,a2cdq/E,Aacq/E,Aadq/E;q)(a2q/E,Aa2cdq/E,acq/E,adq/E;q)8ϕ7[Aa2cd/E,qAa2cd/E,qAa2cd/E,cd,Aaq/bE,A,ac,adAa2cd/E,Aa2cd/E,Aa2q/E,abcdq,a2cdq/E,Aadq/E,Aacq/E;abqE]
ここで, aq/Etと置き換えて定理を得る.

wを明示的に書くと,
(q,ab,ac,ad,bc,bd,cd;q)2π(abcd;q)11|(e2iθ,Ateiθ;q)(aeiθ,beiθ,ceiθ,deiθ,teiθ;q)|2dx1x2=(acdt,Aat,Act,Adt;q)(Aacdt,at,ct,dt;q)8ϕ7[Aacdt/q,qAacdt/q,qAacdt/q,At/b,A,ac,ad,cdAacdt/q,Aacdt/q,abcd,acdt,Aat,Adt,Act;bt]
となる. さらに, Atfとすると,
(q,ab,ac,ad,bc,bd,cd;q)2π(abcd;q)11|(e2iθ,feiθ;q)(aeiθ,beiθ,ceiθ,deiθ,teiθ;q)|2dx1x2=(acdt,af,cf,df;q)(acdf,at,ct,dt;q)8ϕ7[acdf/q,qacdf/q,qacdf/q,f/b,f/t,ac,ad,cdacdf/q,acdf/q,abcd,acdt,af,df,cf;bt]
となる. 右辺のq超幾何級数がa,c,dに関して対称であることと, b,tに関して対称であることに着目し, db,bsと文字を置き換えると
(q,ab,ac,bc;q)2π11|(e2iθ,feiθ;q)(aeiθ,beiθ,ceiθ,seiθ,teiθ;q)|2dx1x2=(abcs,abct,af,bf,cf;q)(abcf,as,bs,cs,at,bt,ct;q)8ϕ7[abcf/q,qabcf/q,qabcf/q,f/s,f/t,ab,ac,bcabcf/q,abcf/q,abcs,abct,af,bf,cf;st]
と書くことができ, より覚えやすくなると思う.

Rahman(1986)

12π11|(e2iθ,abcsteiθ;q)(aeiθ,beiθ,ceiθ,seiθ,teiθ;q)|2dx1x2=(abcs,abct,abst,acst,bcst;q)(q,ab,ac,bc,as,bs,cs,at,bt,ct,st;q),x=cosθ

f=abcstとして, Nassrallah-Rahman積分より,
12π11|(e2iθ,feiθ;q)(aeiθ,beiθ,ceiθ,seiθ,teiθ;q)|2dx1x2=1(q,ab,ac,bc;q)(abcs,abct,af,bf,cf;q)(abcf,as,bs,cs,at,bt,ct;q)6ϕ5[abcf/q,qabcf/q,qabcf/q,ab,ac,bcabcf/q,abcf/q,af,bf,cf;st]
ここで, Rogersの6ϕ5和公式 より,
6ϕ5[abcf/q,qabcf/q,qabcf/q,ab,ac,bcabcf/q,abcf/q,af,bf,cf;st]=(abcf,f/a,f/b,f/c;q)(af,bf,cf,f/abc;q)
であるから, これを代入して,
12π11|(e2iθ,feiθ;q)(aeiθ,beiθ,ceiθ,seiθ,teiθ;q)|2dx1x2=1(q,ab,ac,bc;q)(abcs,abct,af,bf,cf;q)(abcf,as,bs,cs,at,bt,ct;q)(abcf,f/a,f/b,f/c;q)(af,bf,cf,f/abc;q)=(abcs,abct,abst,acst,bcst;q)(q,ab,ac,bc,as,bs,cs,at,bt,ct,st;q)
となって定理が示される.

これは, 総乗の記法を用いると,
12π11|(e2iθ,t1t2t3t4t5eiθ;q)i=15(tieiθ;q)|2dx1x2=i=15(t1t2t3t4t5/ti;q)(q;q)1ij5(titj;q)
と美しく書くことができる. これはAskey-Wilson積分の一般化であり, 実際にt5=0とするとAskey-Wilson積分に一致する.

古典極限

定理1の古典極限は以下のようになる.

Γ(a+b+c+d)2πΓ(a+b)Γ(a+c)Γ(a+d)Γ(b+c)Γ(b+d)Γ(c+d) 0|Γ(a+ix)Γ(b+ix)Γ(c+ix)Γ(d+ix)Γ(t+ix)Γ(2ix)Γ(A+t+ix)|2dx=Γ(A+a+c+d+t)Γ(a+t)Γ(c+t)Γ(d+t)Γ(a+c+d+t)Γ(A+a+t)Γ(A+c+t)Γ(A+d+t)7F6[A+a+c+d+t1,1+A+a+c+d+t12,A+tb,A,a+c,a+d,c+dA+a+c+d+t12,a+b+c+d,a+c+d+t,A+a+t,A+d+t,A+c+t;1]

先ほどのように整理すると,
12πΓ(a+b)Γ(a+c)Γ(b+c)0|Γ(a+ix)Γ(b+ix)Γ(c+ix)Γ(d+ix)Γ(t+ix)Γ(2ix)Γ(f+ix)|2dx=Γ(a+b+c+f)Γ(a+s)Γ(b+s)Γ(c+s)Γ(a+t)Γ(b+t)Γ(c+t)Γ(a+b+c+s)Γ(a+b+c+t)Γ(a+f)Γ(b+f)Γ(c+f)7F6[a+b+c+f1,1+a+b+c+f12,fs,ft,a+b,a+c,b+ca+b+c+f12,a+b+c+s,a+b+c+t,a+f,b+f,c+f;1]
と書くことができる.

定理2の古典極限は以下のようになる.

12π0|Γ(a+ix)Γ(b+ix)Γ(c+ix)Γ(s+ix)Γ(t+ix)Γ(2ix)Γ(a+b+c+s+t+ix)|2dx=Γ(a+b)Γ(a+c)Γ(b+c)Γ(a+s)Γ(b+s)Γ(c+s)Γ(a+t)Γ(b+t)Γ(c+t)Γ(s+t)Γ(a+b+c+s)Γ(a+b+c+t)Γ(a+b+s+t)Γ(a+c+s+t)Γ(b+c+s+t)

参考文献

[1]
B. Nassrallah, M. Rahman, Projection formulas, a reproducing kernel and a generating function for $q$-Wilson polynomials, SIAM J. Math. Anal., 1985, 186–197.
[2]
M. Rahman, An integral representation of a 10φ9 and continuous bi-orthogonal 10φ9 rational functions., Canad. J. Math., 1986, 605-618
投稿日:422
更新日:422
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Wataru
Wataru
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超幾何関数, 直交関数, 多重ゼータ値などに興味があります

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