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現代数学解説
文献あり

ラマヌジャン・佐藤級数を理解したい(その6、公式集1)

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はじめに

 この記事では 前回の記事 に続いてラマヌジャン・佐藤級数に関する公式の数々をまとめていこうと思います。
 具体的には
Z(τ)=n=0AnX(τ)n
を満たすようなモジュラー形式Zとモジュラー関数Xおよび数列Anの組、それらが満たす微分方程式あるいは漸化式、そしてそこから得られる
12πIm(τ)=n=0An(UnS)Xn
という円周率公式の特殊値についてまとめていきます。
 なお一般のラマヌジャン・佐藤級数のバリエーションは非常に多いため今回の記事ではChan, Cooperで提示されているものに限って紹介することとし、それ以外のものについては次回に回したいと思います。

フォーマット

 以下簡単のためs1=t1=0,s0=t0=1および
(n+1)2sn+1=(an2+an+b)sn+cn2sn1(n+1)3tn+1=(2n+1)(an2+an+a2b)tn(4c+a2)n3tn1
によって定まる数列をそれぞれsn[a,b,c],tn[a,b,c]と表す。
 この記事では以下の形式で公式を紹介していく。

基本関係式

 ある
z=z(τ),x=x(τ)
が存在して
z=n=0sn[a,b,c]xn
が成り立つ。

Levelの関係式

jX(τ)=jY(τ)+2a+a2+4cjY(τ)jY(τ)=1xacx
および
sX(n)=sn[a,b,c](2nn)sY(n)=tn[a,b,c]
とおくと
x(1axcx2)z2=n=0sX(n)jX(τ)n+12=n=0sY(n)jY(τ)n+12
が成り立つ。

 ついでに
qddqlogjY(τ)=n=0sX(n)jX(τ)n,qddqlogx=n=0sY(n)jY(τ)n
が成り立つことも覚えておきたい。特に
qddqlogη(τ)=124E2(τ)
と表せることに注意されたい。

Levelの円周率公式

12πIm(τ)=jX4a16cjX1n=0(2nn)snn+12+λjX(τ)n+12=jY+2a+(a2+4c)jY1n=0tnn+12+μjY(τ)n+12

 ちなみにその2で触れたようにsn,tnの特性方程式
λ2aλc=0,λ2+2aλ+(a2+4c)=0
から上の級数はそれぞれ
|jX(τ)|>2|a+a2+4c|,|jY(τ)|>|a+2c|
において収束することがわかる。
 またこれは級数の収束速度、つまり第N項まで計算したときの誤差が
(2|a+a2+4c||jX(τ)|)N,(|a+2c||jY(τ)|)N
程度であることも意味している。

Level 1

基本関係式

z=E4(τ)4,x=1864(11728j(τ)j(τ))
とおくと
z=n=0sn[432,60,0]xn
が成り立つ。

Level 1の関係式

j(τ)=432j(τ)+j(τ)1728j(τ)j(τ)1728
および
s1A(n)=sn[432,60,0](2nn)=(6n3n)(3nn)(2nn)s1B(n)=tn[432,60,0]=k=0n(6k3k)(3kk)(2kk)(n+knk)(432)nk
とおくと
η(τ)12E4(τ)=n=0s1A(n)j(τ)n+12=n=0s1B(n)j(τ)n+12
が成り立つ。

Level 1の円周率公式

12πIm(τ)=j(τ)1728n=0s1A(n)n+12+λj(τ)n+12=j(τ)+432j(τ)n=0s1B(n)n+12+μj(τ)n+12
これらは|j(τ)|>1728,|j(τ)|>432において収束する。

 ちなみに
12+λ=16(1E4(τ)E6(τ)(E2(τ)3πIm(τ)))
と表せることが知られている。

特殊値一覧

 j(τ)τが類数1の虚二次体の元であるとき整数となることが知られている。
τNj(τ)λ+121/π22033288n=0s1A(n)28n+3203n+32N3230311172n=0s1A(n)11n+1(2303)n+124663563242n=0s1A(n)63n+5663n+32725538133162n=0s1A(n)133n+82553n+3271538633n=0(1)ns1A(n)63n+8153n+3211323151544n=0(1)ns1A(n)154n+15323n+32199632534212n=0(1)ns1A(n)342n+25963n+321+N227316033150636n=0(1)ns1A(n)506n+31(31603)n+12439603263541836n=0(1)ns1A(n)5418n+2639603n+3267528031017726170212n=0(1)ns1A(n)261702n+1017752803n+321636403203135914095414013412n=0(1)ns1A(n)545140134n+135914096403203n+32

Level 2

基本関係式

z=θ2(2τ)4+θ3(2τ)4=(η(τ)16η(2τ)8+64η(2τ)16η(τ)8)14x=η(2τ)24η(τ)24+64η(2τ)24
とおくと
z=n=0sn[64,12,0]xn
が成り立つ。

Level 2の関係式

j2A(τ)=(j2B(τ)+64j2B(τ))2j2B(τ)=(η(τ)η(2τ))24
および
s2A(n)=sn[64,12,0](2nn)=(4n2n)(2nn)2s2B(n)=tn[64,12,0]=k=0n(4k2k)(2kk)2(n+knk)(64)nk
とおくと
(η(τ)η(2τ))8η(τ)24+64η(2τ)24=n=0s2A(n)j2A(τ)n+12=n=0s2B(n)j2B(τ)n+12
が成り立つ。

Level 2の円周率公式

12πIm(τ)=j2A(τ)256n=0s2A(n)n+12+λj2A(τ)n+12=j2B(τ)+64j2B(τ)n=0s2B(n)n+12+μj2B(τ)n+12
これらは|j2A(τ)|>256,|j2B(τ)|>64において収束する。

特殊値一覧

τNj2A(τ)λ+121/π23631729n=0s2A(n)7n+1(363)n34821836n=0s2A(n)8n+1482nN/251241102232n=0s2A(n)10n+1124n92843403349n=0s2A(n)40n+3284n11158421928011198n=0s2A(n)280n+1915842n29396411032639022992n=0s2A(n)26390n+11033964n521032018n=0(1)ns2A(n)20n+3210n7632865763n=0(1)ns2A(n)65n+82882n1+N293212328316n=0(1)ns2A(n)28n+3(3212)n13288223260172n=0(1)ns2A(n)260n+232882n25511522416445282n=0(1)ns2A(n)644n+41(511522)n3714112211232146013528n=0(1)ns2A(n)21460n+1123141122n

Level 3

 a(τ) cubic theta function とする。

基本関係式

z=a(τ)=(η(τ)9η(3τ)3+27η(3τ)9η(τ)3)13x=η(3τ)12η(τ)12+27η(3τ)12
とおくと
z=n=0sn[27,6,0]xn
が成り立つ。

Level 3の関係式

j3A(τ)=(j3B(τ)+27j3B(τ))2j3B(τ)=(η(τ)η(3τ))12
および
s3A(n)=sn[27,6,0](2nn)=(3nn)(2nn)2s3B(n)=tn[27,6,0]=k=0n(3kk)(2kk)2(n+knk)(27)nk
とおくと
(η(τ)η(3τ))4η(τ)12+27η(3τ)123=n=0s3A(n)j3A(τ)n+12=n=0s3B(n)j3B(τ)n+12
が成り立つ。

Level 3の円周率公式

12πIm(τ)=j3A(τ)108n=0s3A(n)n+12+λj3A(τ)n+12=j3B(τ)+27j3B(τ)n=0s3B(n)n+12+μj2B(τ)n+12
これらは|j3A(τ)|>108,|j3B(τ)|>27において収束する。

特殊値一覧

τNj3A(τ)λ+121/π2631622n=0s3A(n)6n+163n+32N/3423621542n=0s3A(n)15n+2(236)n+12515343325n=0s3A(n)33n+4153n+329326156n=0(1)ns3A(n)5n+1(326)n+12171237512n=0(1)ns3A(n)51n+7123n+321+N/322551231930n=0(1)ns3A(n)9n+1(5123)n+1241483536152n=0(1)ns3A(n)615n+53483n+32497661316514n=0(1)ns3A(n)165n+13(766)n+12893003827141512n=0(1)ns3A(n)14151n+8273003n+32

Level 4

基本関係式

z=θ3(2τ)2=η(2τ)10(η(τ)η(4τ))4 x=η(4τ)8η(τ)8+16η(4τ)8=(η(τ)η(4τ)2η(τ)3)8
とおくと
z=n=0sn[16,4,0]xn
が成り立つ。

Level 4の関係式

j4A(τ)=(j4B(τ)+16j4B(τ))2=(eπi24η(2τ+12)η(2τ))24j4B(τ)=(η(τ)η(4τ))8
および
s4A(n)=sn[16,4,0](2nn)=(2nn)3s4B(n)=tn[16,4,0]=k=0n(2kk)3(n+knk)(16)nk
とおくと
(η(τ)η(4τ)η(2τ))4=n=0s4A(n)j4A(τ)n+12=n=0s4B(n)j4B(τ)n+12
が成り立つ。

Level 4の円周率公式

12πIm(τ)=j4A(τ)64n=0s4A(n)n+12+λj4A(τ)n+12=j4B(τ)+16j4B(τ)n=0s4B(n)n+12+μj4B(τ)n+12
これらは|j4A(τ)|>64,|j4B(τ)|>16において収束する。

特殊値一覧

τNj4A(τ)λ+121/πN/232816n=0s4A(n)6n+128n+27212542n=0s4A(n)42n+5212n+41+N222614n=0(1)ns4A(n)4n+126n+1429162n=0(1)ns4A(n)6n+129n+2

Level 5

基本関係式

 q=e2πiτとし
z=n=1(1qn)2((1q5n4)(1q5n1))5x=(q15n=1(1q5n4)(1q5n1)(1q5n3)(1q5n2))5
とおくと
z=n=0sn[11,3,1]xn
が成り立つ。

Level 5の関係式

j5A(τ)=j5B(τ)+22+125j5B(τ) j5B(τ)=(η(τ)η(5τ))6
および
s5A(n)=sn[11,3,1](2nn)=(2nn)k=0n(nk)2(n+kk)s5B(n)=tn[11,3,1]=k=0n(1)nk(nk)3(4n5k3n)
とおくと
(η(τ)η(5τ))2=n=0s5A(n)j5A(τ)n+12=n=0s5B(n)j5B(τ)n+12
が成り立つ。

Level 5の円周率公式

12πIm(τ)=j5A4416j5A1n=0s5A(n)n+12+λj5A(τ)n+12=j5B+22+125j5B1n=0s5B(n)n+12+μj5B(τ)n+12
これらは|j5A(τ)|>2(11+55)=44.36, |j5B(τ)|>55=11.18において収束する。

特殊値一覧

τNj5A(τ)λ+121/πN/52721543n=0s5A(n)5n+172n+123147211107n=0s5A(n)11n+2147n+121+N/52238282919013n=0(1)ns5A(n)190n+29828n+1247152287168259n=0(1)ns5A(n)682n+7115228n+12

Level 6

 以下簡単のため[n]=η(nτ)とおく。

基本関係式

zB=[1]6[6][2]3[3]2xB=[2][6]5[1]5[3]zC=[2]6[3][1]3[6]2xC=([1][6]2[2]2[3])4zD=[2][3]6[1]2[6]3xD=([1][6]3[2][3]3)3
とおくと
zB=n=0sn[17,6,72]xBnzC=n=0sn[10,3,9]xCnzD=n=0sn[7,2,8]xDn
が成り立つ。

Level 6の関係式

j6A(τ)=(j6B(τ)1j6B(τ))2=(j6C(τ)+8j6C(τ))2=(j6D(τ)+9j6D(τ))24j6B(τ)=([2][3][1][6])12j6C(τ)=([1][3][2][6])6j6D(τ)=([1][2][3][6])4j6E(τ)=([2][3]3[1][6]3)3=1xD
および
αB(n)=sn[17,6,72](2nn)=(2nn)k=0n(nk)(8)nkj=0k(kj)3αC(n)=sn[10,3,9](2nn)=(2nn)k=0n(nk)2(2kk)αD(n)=sn[7,2,8](2nn)=(2nn)k=0n(nk)3s6B(n)=tn[17,6,72]=k=0n(nk)2(n+kk)2s6C(n)=tn[10,3,9]=(1)nk=0n(nk)2(2n2knk)(2kk)s6D(n)=tn[7,2,8]=k=0n(n+kn)(n3k)(3k2k)(2kk)(3)n3k
とおくと
[1][2][3][6]=n=0αB(n)(j6A(τ)32)n+12=n=0αC(n)(j6A(τ)+4)n+12=n=0αD(n)(j6A(τ))n+12=n=0s6B(n)j6B(τ)n+12=n=0s6C(n)j6C(τ)n+12=n=0s6D(n)j6D(τ)n+12
が成り立つ。

Level 6の円周率公式

12πIm(τ)=(j6A(τ)+4)j6A(τ)j6A(τ)32n=0αB(n)n+12+λB(j6A(τ)32)n+12=j6A(τ)(j6A(τ)32)j6A(τ)+4n=0αC(n)n+12+λC(j6A(τ)+4)n+12=(j6A(τ)32)(j6A(τ)+4)j6A(τ)n=0αD(n)n+12+λD(j6A(τ))n+12=j6A(τ)32n=0s6B(n)n+12+μBj6B(τ)n+12=j6A(τ)+4n=0s6C(n)n+12+μCj6C(τ)n+12=j6A(τ)n=0s6D(n)n+12+μDj6D(τ)n+12
これらは
|j6A(τ)32|>36|j6B(τ)|>17+122=33.97|j6A(τ)+4|>36|j6C(τ)|>16|j6A(τ)|>32|j6D(τ)|>9
において収束する。

 ちなみに
=(j6A(τ)+4)j6A(τ)j6A(τ)32λB=j6A(τ)(j6A(τ)32)j6A(τ)+4λC=(j6A(τ)32)(j6A(τ)+4)j6A(τ)λD=j6A(τ)32μB=j6A(τ)+4μC=j6A(τ)μD
が成り立つ。

特殊値一覧

 流石に面倒なので1/πの項は省略する。
τNj6A(τ)λB+12λC+12λD+12250収束範囲外152939631031615N/65320151380167896117017139013104002412210765111021739200737708999520535613160収束範囲外収束範囲外549435274157112171356291+N/32114008557401799192704865253197610985531243041071085223922568585855911236002580835960525873604014903207621

Level 8

基本関係式

z=[2]10([1][4])4,x=[1]4[4]2[8]4[2]10
とおくと
z=n=0sn[12,4,32]xn
が成り立つ。

Level 8の関係式

j8A(τ)=(j8B(τ)+4j8B(τ))2=j2A(2τ)j8B(τ)=([1][4]2[2]2[8])8
および
s8A(n)=sn[12,4,32](2nn)=(2nn)k=0n(n2k)(2kk)24n2ks8B(n)=tn[12,4,32]=(1)nk=0n(nk)2(2kn)2
とおくと
([2][4])2=n=0s8A(n)(j8A(τ)+16)n+12=n=0s8B(n)j8B(τ)n+12(=n=0s4A(n)j2B(2τ)n+12)
が成り立つ。

12πIm(τ)=j8A(τ)(j8A(τ)16)j8A(τ)+16n=0s8A(n)n+12+λ(j8A(τ)+16)n+12=j8A(τ)+16n=0s4A(n)n+12+μj2B(2τ)n+12
これらは|j8A(τ)|>32, |j8B(τ)|>4(3+22)=23.31において収束する。

特殊値一覧

τNj8A(τ)λ+121/π34816n=0s8A(n)6n+164n+1251221622n=0s8A(n)6n+1160n+12N/8928217325n=0s8A(n)7n+1800n+121115846146215n=0s8A(n)462n+611600n+1229396219323106213n=0s8A(n)2310n+193156832n+12512273022n=0(1)ns8A(n)30n+7128n+121+N/2292821170216n=0(1)ns8A(n)70n+11768n+121115842316547n=0(1)ns8A(n)165n+231568n+122939622081248823270n=0(1)ns8A(n)24882n+2081156800n+12

Level 9

基本関係式

z=η(τ)3η(3τ),x=(η(9τ)η(τ))3
とおくと
z=n=0sn[9,3,27]xn
が成り立つ。

Level 9の関係式

j9A(τ)=j9B(τ)627j9B(τ)=j(3τ)3j9B(τ)=(η(3τ)2η(τ)η(9τ))6
および
s9A(n)=sn[9,3,27](2nn)=(2nn)k=0n(nk)(nkk)(n2kk)(3)n3ks9B(n)=tn[9,3,27]=k=0n(nk)2j=0k(nj)(kj)(k+jn)
とおくと
η(3τ)4=n=0s3A(n)(j9A(τ)12)n+12=n=0s3B(n)j9B(τ)n+12
が成り立つ。

Level 9の円周率公式

12πIm(τ)=j9A(τ)2+12j9A(τ)+144j9A(τ)12n=0s3A(n)n+12+λ(j9A(τ)12)n+12=j9A(τ)12n=0s3B(n)n+12+μj9B(τ)n+12
これらは|j9A(τ)|>123=20.78, |j9B(τ)|>3(3+23)=19.39において収束する。

特殊値一覧

τNj9A(τ)λ+121/πN/346627423n=0s9A(n)7n+254n+1272552613329n=0s9A(n)133n+26243n+127152713n=0(1)ns9A(n)7n+227n+12113231413n=0(1)ns9A(n)14n+344n+121+N/32199673813n=0(1)ns9A(n)38n+7108n+12439608560219n=0(1)ns9A(n)602n+85972n+126752804814154121n=0(1)ns9A(n)4154n+4815292n+12163640320588317866381231n=0(1)ns9A(n)786638n+58831640332n+12

索引

 最後に数列から関係式のレベルを逆引きしたいとき用の表(その2からのコピペ)を置いておきます。
(a,b,c)sntn1(432,60,0)(6n3n)(3nn)k=0nsn(2kk)(n+knk)(a)nk2(64,12,0)(4n2n)(2nn)k=0nsn(2kk)(n+knk)(a)nk3(27,6,0)(3nn)(2nn)k=0nsn(2kk)(n+knk)(a)nk4(16,4,0)(2nn)2(1)nk=0n(2kk)2(2n2knk)5(11,3,1)k=0n(nk)2(n+kk)k=0n(1)nk(nk)3(4n5k3n)6B(17,6,72)k=0n(nk)(8)nkj=0k(kj)3k=0n(nk)2(n+kk)26C(10,3,9)k=0n(nk)2(2kk)(1)nk=0n(nk)2(2n2knk)(2kk)6D(7,2,8)k=0n(nk)3k=0n(n+kn)(n3k)(3k2k)(2kk)(3)n3k8(12,4,32)k=0n(n2k)(2kk)24n2k(1)nk=0n(nk)2(2kn)29(9,3,27)k=0n(nk)(nkk)(n2kk)(3)n3kk=0n(nk)2j=0k(nj)(kj)(k+jn)

参考文献

[1]
H. H. Chan, S. Cooper, Rational analogues of Ramanujan’s series for 1/π, Math. Proc. Cambridge Phil. Soc., 2012, 361-383
投稿日:20231226
更新日:20231226
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子葉
子葉
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主に複素解析、代数学、数論を学んでおります。 私の経験上、その証明が簡単に探しても見つからない、英語の文献を漁らないと載ってない、なんて定理の解説を主にやっていきます。 同じ経験をしている人の助けになれば。最近は自分用のノートになっている節があります。

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