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二重ゼータ値の重み付き和公式の級数証明

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$$\newcommand{abs}[1]{\left |#1\right |} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{Fourier}[2]{\mathcal{F}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Hartley}[2]{\mathcal{H}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Hilbert}[2]{\mathcal{Hil}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{inttrans}[3]{\mathcal{#1}_{#2}\left [#3\right ]} \newcommand{invtrans}[3]{\mathcal{#1}^{-1}_{#2}\left [#3\right ]} \newcommand{Laplace}[2]{\mathcal{L}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Li}[0]{\operatorname{Li}} \newcommand{Mellin}[2]{\mathcal{M}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{ord}[0]{\operatorname{ord}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{Res}[1]{\underset{#1}{\operatorname{Res}}} \newcommand{tLaplace}[2]{\mathcal{B}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Weierstrass}[2]{\mathcal{W}_{#1}\left [#2\right ]} $$

二重ゼータ値,二重ゼータスター値を以下で定義します。

正整数$k$$2$以上の整数$l$に対して
$$ \begin {aligned} \zeta (k,l)&:=\sum _{0< n< m}\frac {1}{n^{k}m^{l}}\\ \zeta ^{\star }(k,l)&:=\sum _{0< n\leq m}\frac {1}{n^{k}m^{l}} \end {aligned} $$

このとき重み付き和公式と呼ばれる以下の等式の級数証明を思い付いたので、書きます。(恐らくは有名な証明でしょう)

重み付き和公式

$$ \begin {aligned} \sum _{l=1}^{k-1}2^l\zeta (k-l,l+1)&=\frac {k+2}2\zeta (k+1) \end {aligned} $$

以下の二重ゼータ値の和公式(証明)は認めるものとします。

和公式

$$ \begin {aligned} \sum _{l=1}^{k-1}\zeta (k-l,l+1)&=\zeta (k+1) \end {aligned} $$

では証明です。
以下の等式変形を考えます。
$$ \begin {aligned} &2\sum _{0< n< m}\frac {1}{n-x}\left (\frac {1}{m-x}-\frac {1}{m-2x}\right )\\ &=2\sum _{0< n,m}\frac {1}{n-x}\left (\frac {1}{n+m-x}-\frac {1}{n+m-2x}\right )\\ &=\sum _{0< n,m}\left (\frac {1}{n-x}+\frac {1}{m-x}\right )\left (\frac {1}{n+m-x}-\frac {1}{n+m-2x}\right )\\ &=\sum _{0< n< m}\frac {-x}{(n-x)(m-x)(n+m-x)}\\ &=\sum _{0< n,m}\left (\frac {1}n-\frac {1}{n-x}\right )\left (\frac {1}{m-x}-\frac {1}{n+m-x}\right )\\ &=\sum _{0< m\leq n}\left (\frac {1}n-\frac {1}{n-x}\right )\frac {1}{m-x} \end {aligned} $$
最後の変形は、$m$について望遠鏡和を使っています。
さて、ここまで変形できたらあとは$x$の冪級数の係数を比較するだけです!
最左辺は
$$ \begin {aligned} &2\sum _{0< n< m}\frac {1}{n-x}\left (\frac {1}{m-x}-\frac {1}{m-2x}\right )\\ &=2\sum _{0< k,l}\sum _{0< n< m}\frac {x^{k-1}}{n^{k}}\frac {(1-2^{l-1})x^{l-1}}{m^l}\\ &=2\sum _{0< k,l}x^{k+l-1}(1-2^{l})\zeta (k,l+1)\\ &=2\sum _{1< k}x^{k-1}\sum _{l=1}^{k-1}(1-2^{l})\zeta (k-l,l+1)\\ &=\sum _{1< k}\left (2\zeta (k+1)-2\sum _{l=1}^{k-1}2^{l}\zeta (k-l,l+1)\right )x^{k-1} \end {aligned} $$
最右辺は
$$ \begin {aligned} &\sum _{0< m\leq n}\frac {1}{m-x}\left (\frac {1}{n}-\frac {1}{n-x}\right )\\ &=\sum _{0< k,l}\sum _{0< m\leq n}\frac {x^{k-1}}{m^{k}}\frac {-x^{l}}{n^{l+1}}\\ &=-\sum _{0< k,l}x^{k+l-1}\zeta (k,l+1)\\ &=-\sum _{1< k}x^{k-1}\sum _{l=1}^{k-1}\zeta ^{\star}(k-l,l+1)\\ &=-\sum _{1< k}x^{k-1}\sum _{l=1}^{k-1}\left (\zeta (k+1)+\zeta (k-l,l+1)\right )\\ &=-\sum _{1< k}k\zeta (k+1)x^{k-1} \end {aligned} $$
ですから、$x^{k-1}$の係数を比較して
$$ \begin {aligned} -k\zeta (k+1)&=2\zeta (k+1)-2\sum _{l=1}^{k-1}2^l\zeta (k-l,l+1)\\ \sum _{l=1}^{k-1}2^l\zeta (k-l,l+1) &=\frac {k+2}2\zeta (k+1)\quad \boxed{} \end {aligned} $$

投稿日:2022620

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