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現代数学解説
文献あり

BaileyによるCayley-Orr型の定理

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BaileyによっていくつかのCayley-Orr型の定理が示されている.

Bailey(1935)

2F1[a,ba+b+12;x]2F1[12+ca,12+cb2cab+12;x]=0n(c+12)n(2cab+12)nxnk=0n(2a,2b,c)kk!(a+b+12,2c)k(c+12ab)nk(nk)!

Bailey(1935)

2F1[b,cbc+12;x]2F1[a+12,ca+12c+12;x]=0n(a+b+12)n(c+12)nxnk=0n(2a,2b,c)kk!(a+b+12,2c)k(c+12ab)nk(nk)!

定理1, 定理2の証明

係数を比較して, それぞれ示すべき等式は,
4F3[2a,2b,c,n2c,a+b+12,12n+a+bc;1]=(c+12a,c+12b)n(c+12,c+12ab)n4F3[a,b,12+a+b2cn,n12+acn,12+bcn,a+b+12;1]
と,
4F3[2a,2b,c,n2c,a+b+12,12n+a+bc;1]=(a+12,c+12a)n(a+b+12,c+12ab)n4F3[b,cb,12nc,nc+12,12an,12+acn;1]
である. まず, Whippleの変換公式 より,
4F3[a,b,12+a+b2cn,n12+acn,12+bcn,a+b+12;1]=(a+12,c+12)n(a+b+12,c+12b)n4F3[b,cb,12nc,nc+12,12an,12+acn;1]
であるから, 1つ目の式と2つ目の式は同値である. よって, 1つ目の式を示す. Whippleの変換公式より,
4F3[2a,2b,c,n2c,a+b+12,12n+a+bc;1]=(2c2a,12+ab+c)n(2c,12ab+c)n4F3[2a,12+a+bc,12+ab,n12+ab+c,12+a+b,1n+2a2c;1]
次に WhippleのNearly-poised変換公式 より,
4F3[2a,12+a+bc,12+ab,n12+ab+c,12+a+b,1n+2a2c;1]=(2c)n(2c2a)n4F3[2a,12+a+bc,12+ab,n12+ab+c,12+a+b,1n+2a2c;1]
最後に, Whippleの4F3変換公式 より,
4F3[2a,12+a+bc,12+ab,n12+ab+c,12+a+b,1n+2a2c;1]=(12+ca,12+cb)n(c+12,c+12+ab)n4F3[a,b,12+a+b2cn,n12+acn,12+bcn,a+b+12;1]
これらを合わせて, 示すべき等式が得られる.

Bailey(1935)

2F1[a,ba+b+12;x]2F1[ca,cb2cab+12;x]=0n(c)n(2cab+12)nxnk=0n(2a,2b,c+12)kk!(2c,a+b+12)k(cab)nk(nk)!

示すべき等式は,
4F3[2a,2b,c+12,n2c,a+b+12,1n+a+bc;1]=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,12+a+b2cn,na+b+12,1n+ac,1n+bc;1]
である. ここで,
4F3[2a,2b,c12,n2c1,a+b+12,1+a+bcn;1]=0k(2a,2b,c+12,n)kk!(2c,a+b+12,1+a+bcn)k(1k2k+2c1)=4F3[2a,2b,c+12,n2c,a+b+12,1+a+bcn;1]+abnc(a+b+12)(1+a+bcn)4F3[2a+1,2b+1,c+12,1n2c+1,a+b+32,2+a+bcn;1]
よって, 定理1を用いると,
4F3[2a,2b,c+12,n2c,a+b+12,1+a+bcn;1]=4F3[2a,2b,c12,n2c1,a+b+12,1+a+bcn;1]abnc(a+b+12)(1+a+bcn)4F3[2a+1,2b+1,c+12,1n2c+1,a+b+32,2+a+bcn;1]=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,32+a+b2cn,n1n+ac,1n+bc,a+b+12;1]abnc(a+b+12)(1+a+bcn)(ca+12,cb+12)n1(c+1,cab)n14F3[a+12,b+12,32+a+b2cn,1n32n+ac,32n+bc,a+b+32;1]
ここで, Whippleの変換公式 より,
4F3[a+12,b+12,32+a+b2cn,1n32n+ac,32n+bc,a+b+32;1]=(ca,cb)n1(ca+12,cb+12)n14F3[a+1,b+1,32+a+b2cn,1n2n+ab,2n+ac,a+b+32;1]
を用いると,
(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,32+a+b2cn,n1n+ac,1n+bc,a+b+12;1]abnc(a+b+12)(1+a+bcn)(ca+12,cb+12)n1(c+1,cab)n14F3[a+12,b+12,32+a+b2cn,1n32n+ac,32n+bc,a+b+32;1]=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,32+a+b2cn,n1n+ac,1n+bc,a+b+12;1]+abna+b+12(ca,cb)n1(c,cab)n4F3[a+1,b+1,32+a+b2cn,1n2n+ab,2n+ac,a+b+32;1]=(ca,cb)n(c,cab)n0k(a,b,32+a+b2cn,n)kk!(1n+ac,1n+bc,a+b+12)k(1kk+12+a+b2cn)=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,12+a+b2cn,n1n+ac,1n+bc,a+b+12;1]
となって示すべき等式が得られた.

Nearly-poised変換公式がこのように応用できるのはかなり興味深いと思う.

参考文献

[1]
W. N. Bailey, Some Theorems Concerning Products of Hypergeometric Series, Proc, London Math. Soc., 1935, 377-384
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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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