2

二重ゼータ値の重み付き和公式の級数証明

157
0
$$\newcommand{abs}[1]{\left |#1\right |} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{Fourier}[2]{\mathcal{F}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Hartley}[2]{\mathcal{H}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Hilbert}[2]{\mathcal{Hil}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{inttrans}[3]{\mathcal{#1}_{#2}\left [#3\right ]} \newcommand{invtrans}[3]{\mathcal{#1}^{-1}_{#2}\left [#3\right ]} \newcommand{Laplace}[2]{\mathcal{L}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Li}[0]{\operatorname{Li}} \newcommand{Mellin}[2]{\mathcal{M}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{ord}[0]{\operatorname{ord}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{Res}[1]{\underset{#1}{\operatorname{Res}}} \newcommand{tLaplace}[2]{\mathcal{B}_{#1}\left [#2\right ]} \newcommand{Weierstrass}[2]{\mathcal{W}_{#1}\left [#2\right ]} $$

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

この記事を高評価した人

高評価したユーザはいません

この記事に送られたバッジ

バッジはありません。

投稿者

便利
便利
247
37366
引き算が苦手です

コメント

他の人のコメント

コメントはありません。
読み込み中...
読み込み中