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Non-terminating Whippleの変換公式の片方の4F3がDixonの和公式で総和できる場合について

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$$\newcommand{adari}[0]{\mathrm{adari}} \newcommand{adari}[0]{\mathrm{adari}} \newcommand{adgari}[0]{\mathrm{adgari}} \newcommand{al}[0]{\mathrm{al}} \newcommand{amit}[0]{\mathrm{amit}} \newcommand{anit}[0]{\boldsymbol{anit}} \newcommand{anit}[0]{\mathrm{anit}} \newcommand{answamu}[0]{\mathrm{answamu}} \newcommand{anti}[0]{\mathrm{anti}} \newcommand{ari}[0]{\mathrm{ari}} \newcommand{ARI}[0]{\mathrm{ARI}} \newcommand{ARI}[0]{\mathrm{ARI}} \newcommand{arit}[0]{\mathrm{arit}} \newcommand{as}[0]{\mathrm{as}} \newcommand{axi}[0]{\mathrm{axi}} \newcommand{axit}[0]{\mathrm{axit}} \newcommand{ba}[0]{\boldsymbol{a}} \newcommand{bb}[0]{\boldsymbol{b}} \newcommand{bc}[0]{\boldsymbol{c}} \newcommand{bd}[0]{\boldsymbol{d}} \newcommand{be}[0]{\boldsymbol{e}} \newcommand{bk}[0]{\boldsymbol{k}} \newcommand{bl}[0]{\boldsymbol{l}} \newcommand{BQ}[5]{{}_{#1}\psi_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{bw}[0]{\boldsymbol{w}} \newcommand{bx}[0]{\boldsymbol{x}} \newcommand{by}[0]{\boldsymbol{y}} \newcommand{calA}[0]{\mathcal{A}} \newcommand{calS}[0]{\mathcal{S}} \newcommand{CC}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{crash}[0]{\mathrm{crash}} \newcommand{der}[0]{\mathrm{der}} \newcommand{DIFF}[0]{\mathrm{DIFF}} \newcommand{EE}[0]{\mathfrak{E}} \newcommand{Eneg}[0]{\mathfrak{E}\text{-}\mathrm{neg}} \newcommand{Enegpush}[0]{\mathfrak{E}\text{-}\mathrm{negpush}} \newcommand{Epush}[0]{\mathfrak{E}\text{-}\mathrm{push}} \newcommand{es}[0]{\mathfrak{es}} \newcommand{Esena}[0]{\mathfrak{E}\text{-}\mathrm{sena}} \newcommand{ess}[0]{\mathfrak{ess}} \newcommand{Eswap}[0]{\mathfrak{E}\text{-}\swap} \newcommand{Eter}[0]{\mathfrak{E}\text{-}\mathrm{ter}} \newcommand{expari}[0]{\mathrm{expari}} \newcommand{ez}[0]{\mathfrak{ez}} \newcommand{F}[5]{{}_{#1}F_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{fragari}[0]{\mathrm{fragari}} \newcommand{fragira}[0]{\mathrm{fragira}} \newcommand{gami}[0]{\mathrm{gami}} \newcommand{gamit}[0]{\mathrm{gamit}} \newcommand{gani}[0]{\mathrm{gani}} \newcommand{ganit}[0]{\mathrm{ganit}} \newcommand{gantar}[0]{\mathrm{gantar}} \newcommand{gari}[0]{\mathrm{gari}} \newcommand{GARI}[0]{\mathrm{GARI}} \newcommand{GARI}[0]{\mathrm{GARI}} \newcommand{garit}[0]{\mathrm{garit}} \newcommand{gaxi}[0]{\mathrm{gaxi}} \newcommand{gaxit}[0]{\mathrm{gaxit}} \newcommand{gepar}[0]{\mathrm{gepar}} \newcommand{GIFF}[0]{\mathrm{GIFF}} \newcommand{gira}[0]{\mathrm{gira}} \newcommand{girat}[0]{\mathrm{girat}} \newcommand{gush}[0]{\mathrm{gush}} \newcommand{H}[5]{{}_{#1}H_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{He}[0]{\mathfrak{He}} \newcommand{inv}[0]{\mathrm{inv}} \newcommand{invgami}[0]{\mathrm{invgami}} \newcommand{invgani}[0]{\mathrm{invgani}} \newcommand{invgari}[0]{\mathrm{invgari}} \newcommand{invgaxi}[0]{\mathrm{invgaxi}} \newcommand{invgira}[0]{\mathrm{invgira}} \newcommand{invmu}[0]{\mathrm{invmu}} \newcommand{ira}[0]{\mathrm{ira}} \newcommand{irat}[0]{\mathrm{irat}} \newcommand{iwat}[0]{\mathrm{iwat}} \newcommand{lu}[0]{\mathrm{lu}} \newcommand{LU}[0]{\mathrm{LU}} \newcommand{maj}[0]{\mathrm{maj}} \newcommand{mantar}[0]{\mathrm{mantar}} \newcommand{MU}[0]{\mathrm{MU}} \newcommand{neg}[0]{\mathrm{neg}} \newcommand{ol}[0]{\overline} \newcommand{Omantar}[0]{\mathfrak{O}\text{-}\mathrm{mantar}} \newcommand{OO}[0]{\mathfrak{O}} \newcommand{os}[0]{\mathfrak{os}} \newcommand{oss}[0]{\mathfrak{oss}} \newcommand{oz}[0]{\mathfrak{oz}} \newcommand{pari}[0]{\mathrm{pari}} \newcommand{preari}[0]{\mathrm{preari}} \newcommand{preira}[0]{\mathrm{preira}} \newcommand{pus}[0]{\mathrm{pus}} \newcommand{push}[0]{\mathrm{push}} \newcommand{pusnu}[0]{\mathrm{pusnu}} \newcommand{Q}[5]{{}_{#1}\phi_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{QQ}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{ras}[0]{\mathrm{ras}} \newcommand{rash}[0]{\mathrm{rash}} \newcommand{re}[0]{\mathfrak{re}} \newcommand{ro}[0]{\mathfrak{r\ddot{o}}} \newcommand{Se}[0]{\mathfrak{Se}} \newcommand{sh}[0]{\,\text{ш}\,} \newcommand{So}[0]{\mathfrak{S\ddot{o}}} \newcommand{swamu}[0]{\mathrm{swamu}} \newcommand{swap}[0]{\mathrm{swap}} \newcommand{To}[0]{\mathfrak{T\ddot{o}}} \newcommand{ZZ}[0]{\mathbb{Z}} $$

今回は, non-terminating Whippleの変換公式
\begin{align} &\F76{a,1+\frac a2,b,c,d,e,f}{\frac a2,1+a-b,1+a-c,1+a-d,1+a-e,1+a-f}1\\ &=\frac{\Gamma(1+a-d)\Gamma(1+a-e)\Gamma(1+a-f)\Gamma(1+a-d-e-f)}{\Gamma(1+a)\Gamma(1+a-d-e)\Gamma(1+a-d-f)\Gamma(1+a-e-f)}\F43{1+a-b-c,d,e,f}{1+a-b,1+a-c,d+e+f-a}{1}\\ &\qquad+\frac{\Gamma(1+a-b)\Gamma(1+a-c)\Gamma(1+a-d)\Gamma(1+a-e)\Gamma(1+a-f)\Gamma(d+e+f-a-1)\Gamma(2+2a-b-c-d-e-f)}{\Gamma(d)\Gamma(e)\Gamma(f)\Gamma(1+a)\Gamma(1+a-b-c)\Gamma(2+2a-b-d-e-f)\Gamma(2+2a-c-d-e-f)}\\ &\qquad\qquad\cdot \F43{2+2a-b-c-d-e-f,1+a-d-e,1+a-d-f,1+a-e-f}{2+2a-b-d-e-f,2+2a-c-d-e-f,2+a-d-e-f}1 \end{align}
の片方の${}_4F_3$がDixonの和公式で総和できる場合についてまとめたいと思う. ${}_7F_6$の二項変換公式があることを考えれば, 右辺の第2項の${}_4F_3$がDixonの和公式で総和できる場合のみを考えれば十分である.

まず, non-terminating Whippleの変換公式
\begin{align} c=a-b, d=1+a+b-2f, e=1+2a-b-2f \end{align}
とした場合, 右辺第2項の${}_4F_3$
\begin{align} \F32{4f-2a-1,f-b,b-a+f}{b-2a+3f,3f-a-b}1 \end{align}
となり, Dixonの和公式で総和できる. 得られる結果は以下のようになる.

\begin{align} &\F76{a,1+\frac a2,b,a-b,1+a+b-2f,1+2a-b-2f,f}{\frac a2,1+a-b,b+1,2f-b,b-a+2f,1+a-f}{1}\\ &=\frac{\Gamma(2f-b)\Gamma(b-a+2f)\Gamma(1+a-f)\Gamma(3f-2a-1)}{\Gamma(a+1)\Gamma(4f-2a-1)\Gamma(f-b)\Gamma(b-a+f)}\\ &\qquad\cdot\F43{1,a+b-2f+1,2a-b-2f+1,f}{1+a-b,b+1,2a-3f+2}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma(1+a-b)\Gamma(b+1)\Gamma(2f-b)\Gamma(2f+b-a)\Gamma(1+a-f)}{\Gamma(1+a+b-2f)\Gamma(1+2a-b-2f)\Gamma(f)\Gamma(a+1)}\\ &\qquad\cdot\frac{\Gamma(1+2a-3f)\Gamma(3f-2a)\Gamma\left(\frac 12+2f-a\right)\Gamma\left(\frac 12\right)}{\Gamma(4f-2a)\Gamma\left(\frac 12+b-a+f\right)\Gamma\left(\frac 12+f-b\right)\Gamma(2f-a)} \end{align}

次に, non-terminating Whippleの変換公式において$f=1, d=a+b-1, e=a+c-1$とすると, 右辺第2項の${}_4F_3$
\begin{align} \F32{3-2b-2c,1-b,1-c}{3-b-2c,3-2b-c}1 \end{align}
となり, Dixonの和公式で総和できる. 得られる結果は以下のようになる.

\begin{align} &\F65{1+\frac a2,b,c,a+b-1,a+c-1,1}{\frac a2,1+a-b,1+a-c,2-b,2-c}1\\ &=\frac{(1-b)(1-c)}{a(2-a-b-c)}\F43{1+a-b-c,a+b-1,a+c-1,1}{1+a-b,1+a-c,a+b+c-1}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma(1+a-b)\Gamma(1+a-c)\Gamma(2-b)\Gamma(2-c)\Gamma(a+b+c-2)}{a(3-2b-2c)\Gamma(a+b-1)\Gamma(a+c-1)\Gamma(a-b-c+1)}\\ &\qquad\cdot\frac{\Gamma\left(\frac 52-b-c\right)\Gamma\left(\frac 12\right)}{\Gamma\left(\frac 32-b\right)\Gamma\left(\frac 32-c\right)\Gamma(2-b-c)} \end{align}

これは$b,c$に関して対称で, ${}_4F_3$の係数が有理関数になっていて綺麗である.

次に, non-terminating Whippleの変換公式において, $f=1,d=1+a-2b,e=a-\frac c2$とすると, 右辺第2項の${}_4F_3$
\begin{align} \F32{2b-1,b-\frac c2,\frac c2}{b+\frac c2,2b-\frac c2}1 \end{align}
となり, Dixonの和公式で総和できる. 得られる結果は以下のようになる.

\begin{align} &\F65{1+\frac a2,b,c,1+a-2b,a-\frac c2,1}{\frac a2,1+a-b,1+a-c,2b,1+\frac c2}1\\ &=\frac{c(2b-1)}{a(4b+c-2a-2)}\F43{1+a-b-c,1+a-2b,a-\frac c2,1}{1+a-b,1+a-c,2+a-2b-\frac c2}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma(1+a-b)\Gamma(1+a-c)\Gamma\left(1+\frac c2\right)\Gamma\left(1+a-2b-\frac c2\right)}{a\Gamma(1+a-2b)\Gamma\left(a-\frac c2\right)\Gamma(1+a-b-c)}\\ &\qquad\cdot\frac{\Gamma\left(b-\frac c2\right)\Gamma\left(b+\frac 12\right)\Gamma\left(\frac 12\right)}{\Gamma\left(\frac{c+1}2\right)\Gamma\left(b-\frac c2+\frac 12\right)\Gamma(b)} \end{align}

左辺も${}_4F_3$で表される場合

以下, さらに左辺も${}_4F_3$で表される場合を導出する. まず, 命題2において$a=2b$とすると以下を得る.

\begin{align} &\F43{1,c,2b+c-1,3b-1}{2b-c+1,2-c,2-b}{1}\\ &=-\frac{(b-1)(c-1)}{2b(3b+c-2)}\F43{1,1+b-c,2b+c-1,3b-1}{b+1,2b-c+1,3b+c-1}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma(b)\Gamma(1+2b-c)\Gamma(2-b)\Gamma(2-c)\Gamma(3b+c-2)\Gamma\left(\frac 52-b-c\right)}{2(3-2b-2c)\Gamma(3b-1)\Gamma(2b+c-1)\Gamma(b-c+1)\Gamma\left(\frac 32-b\right)\Gamma\left(\frac 32-c\right)\Gamma(2-b-c)} \end{align}

次に, 命題2において$a=2-2b$とすると以下を得る.

\begin{align} &\F43{1,b,c,1-2b+c}{3-3b,3-2b-c,2-c}1\\ &=\frac{1-c}{2(b-c)}\F43{1,3-3b-c,1-2b+c,1-b}{3-3b,3-2b-c,1-b+c}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma(3-3b)\Gamma(3-2b-c)\Gamma(2-c)\Gamma(c-b)\Gamma\left(\frac 52-b-c\right)}{2(3-2b-2c)\Gamma(1-2b+c)\Gamma(3-3b-c)\Gamma\left(\frac 32-b\right)\Gamma\left(\frac 32-c\right)\Gamma(2-b-c)} \end{align}

次に, 命題3において$a=2b$とすると以下を得る.

\begin{align} &\F43{1,1,c,2b-\frac c2}{2b-c+1,2b,1+\frac c2}1\\ &=\frac{c(2b-1)}{2b(c-2)}\F43{1,1,1+b-c,2b-\frac c2}{b+1,1+2b-c,2-\frac c2}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma(1+2b-c)\Gamma\left(1+\frac c2\right)\Gamma\left(1-\frac c2\right)\Gamma\left(b-\frac c2\right)\Gamma\left(b+\frac 12\right)}{2\Gamma\left(2b-\frac c2\right)\Gamma(1+b-c)\Gamma\left(\frac{c+1}2\right)\Gamma\left(b+\frac{1-c}2\right)} \end{align}

次に, 命題3において$a=2c$とすると以下を得る.

\begin{align} &\F43{1,b,1-2b+2c,\frac{3c}2}{1-b+2c,2b,1+\frac c2}1\\ &=\frac{2b-1}{2(4b-3c-2)}\F43{1,1-b+c,1-2b+2c,\frac{3c}2}{1-b+2c,c+1,2-2b+\frac{3c}2}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma(1-b+2c)\Gamma(c)\Gamma\left(1+\frac c2\right)\Gamma\left(1-2b+\frac{3c}2\right)\Gamma\left(b-\frac c2\right)\Gamma\left(b+\frac 12\right)}{2\Gamma(1-2b+2c)\Gamma\left(\frac{3c}2\right)\Gamma(1-b+c)\Gamma\left(\frac{c+1}2\right)\Gamma\left(b+\frac{1-c}2\right)\Gamma(b)} \end{align}

次に, 命題3において$a=4b-2$とすると以下を得る.

\begin{align} &\F43{1,b,c,4b-\frac c2-2}{3b-1,4b-c-1,1+\frac c2}1\\ &=-\frac{c}{2(4b-c-2)}\F43{1,3b-c-1,2b-1,4b-\frac c2-2}{3b-1,4b-c-1,2b-\frac c2}1\\ &\qquad+\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma(3b-1)\Gamma(4b-c-1)\Gamma\left(1+\frac c2\right)\Gamma\left(2b-\frac c2-1\right)\Gamma\left(b-\frac c2\right)\Gamma\left(b+\frac 12\right)}{2\Gamma(2b)\Gamma\left(4b-\frac c2-2\right)\Gamma(3b-c-1)\Gamma\left(\frac{c+1}2\right)\Gamma\left(b+\frac{1-c}2\right)\Gamma(b)} \end{align}

単項の${}_4F_3$の和公式

命題7において, $b=\frac{c+1}2$とすると両辺に同じ${}_4F_3$が現れ, 整理すると以下が得られる.

\begin{align} \F43{1,\frac{c+1}2,c,\frac{3c}2}{\frac{3c+1}2,c+1,1+\frac c2}1&=\frac{\pi c^2}{12}\frac{\Gamma\left(\frac{3c+1}2\right)\Gamma\left(\frac c2\right)^3}{\Gamma\left(\frac{3c}2\right)\Gamma\left(\frac{c+1}2\right)^3} \end{align}

これは前の記事( ガンマ関数で表せる二項係数の4乗が付いた級数2 )で求めた$c=\frac 12$の場合を一般化している.

投稿日:1日前
更新日:1日前
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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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