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現代数学解説
文献あり

Watsonの3F2和公式

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$$\newcommand{bk}[0]{\boldsymbol{k}} \newcommand{bl}[0]{\boldsymbol{l}} \newcommand{calA}[0]{\mathcal{A}} \newcommand{calS}[0]{\mathcal{S}} \newcommand{CC}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{F}[5]{{}_{#1}F_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{ol}[0]{\overline} \newcommand{Q}[5]{{}_{#1}\phi_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{QQ}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{ZZ}[0]{\mathbb{Z}} $$

以下はWatsonによって1925年に示された公式である.

Watsonの${}_3F_2$和公式

\begin{align} \sum_{0\leq n}\frac{(a,b,c)_n}{n!\left(\frac{a+b+1}2,2c\right)_n}&=\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2\right)\Gamma\left(c+\frac 12\right)\Gamma\left(c+\frac{1-a-b}2\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2\right)\Gamma\left(c+\frac{1-a}2\right)\Gamma\left(c+\frac{1-b}2\right)} \end{align}

まず, Gaussの超幾何定理より,
\begin{align} \frac{(c)_n}{(2c)_n}&=2^{-n}\sum_{0\leq k}\frac{\left(-\frac n2,\frac{1-n}2\right)_k}{k!\left(c+\frac 12\right)_k}\\ &=\sum_{0\leq k}\frac{n!}{2^{n+2k}k!\left(c+\frac 12\right)_k(n-2k)!} \end{align}
であるから,
\begin{align} \sum_{0\leq n}\frac{(a,b,c)_n}{n!\left(\frac{a+b+1}2,2c\right)_n}&=\sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{n!\left(\frac{a+b+1}2\right)_n}\sum_{0\leq k}\frac{n!}{2^{n+2k}k!\left(c+\frac 12\right)_k(n-2k)!}\\ &=\sum_{0\leq k}\frac{1}{2^{2k}k!\left(c+\frac 12\right)_k}\sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{2^n\left(\frac{a+b+1}2\right)_n(n-2k)!}\\ \end{align}
ここで, Gaussによる公式
\begin{align} \sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{2^nn!\left(\frac{a+b+1}2\right)_n}&=\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2\right)} \end{align}
を用いて,

\begin{align} \sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{2^n\left(\frac{a+b+1}2\right)_n(n-2k)!}&=\frac{(a,b)_{2k}}{2^{2k}\left(\frac{a+b+1}2\right)_{2k}}\sum_{0\leq n}\frac{(a+2k,b+2k)_n}{2^nn!\left(\frac{a+b+1}2+2k\right)_n}\\ &=\frac{(a,b)_{2k}}{2^{2k}\left(\frac{a+b+1}2\right)_{2k}}\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2+2k\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2+k\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2+k\right)}\\ &=\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2\right)}\frac{(a,b)_{2k}}{2^{2k}\left(\frac{a+1}2,\frac{b+1}2\right)_k}\\ &=\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2\right)}2^{2k}\left(\frac a2,\frac b2\right)_{k} \end{align}
だから,
\begin{align} \sum_{0\leq k}\frac{1}{2^{2k}k!\left(c+\frac 12\right)_k}\sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{2^n\left(\frac{a+b+1}2\right)_n(n-2k)!}&=\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2\right)}\sum_{0\leq k}\frac{\left(\frac a2,\frac b2\right)_{k}}{k!\left(c+\frac 12\right)_k} \end{align}
ここで, Gaussの超幾何定理から
\begin{align} \sum_{0\leq k}\frac{\left(\frac a2,\frac b2\right)_{k}}{k!\left(c+\frac 12\right)_k}&=\frac{\Gamma\left(c+\frac 12\right)\Gamma\left(c+\frac{1-a-b}2\right)}{\Gamma\left(c+\frac{1-a}2\right)\Gamma\left(c+\frac{1-b}2\right)} \end{align}
であるから定理を得る.

証明途中に用いたGaussによる公式
\begin{align} \sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{2^nn!\left(\frac{a+b+1}2\right)_n}&=\frac{\Gamma\left(\frac 12\right)\Gamma\left(\frac{a+b+1}2\right)}{\Gamma\left(\frac{a+1}2\right)\Gamma\left(\frac{b+1}2\right)} \end{align}
はWatsonの和公式において$c\to\infty$とした特別な場合として含まれているというところが面白いと思う.

参考文献

[1]
A. Rathie, R. Paris, A new proof of Watson's theorem for the series 3F2(1), Appl. Math. Sci., 2009, 161-164
投稿日:122
更新日:311
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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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