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MZVで遊ぼう

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あいさつ

んちゃ!
今回はMZVで色々遊びます。
正直後半の議論は怪しいかも()疑いながら読むくらいが丁度いいと思います。

目次
  • 基本事項の復習
  • 調和積・シャッフル積
  • 一般化
  • 応用
  • 最後に

表示
  • HN:=n=1N1n
  • HM(k1,k2,...,kN):=M>n1>n2>>nN11n1k1n2k2nNkN
  • S(X,Y):={(0,x1,1,...,x|X|,|X|)|k={yk1,yk2,...,ykjk(k1<k2<<kjk),m(k)={0(k=)k1,M(k)={|Y|(k=)kjk,01|X|=Y}

基本事項の復習

MZV

整数k1,k2,...,kNN(1<k1)に対して以下の様な級数を定め、この級数をMultiple Zeta Valueと呼ぶ。
ζ(k1,k2,...,kN):=n1>n2>nN11n1k1n2k2nNkN
なおwt:=k1+k2++kNを重み。
Nを深さという。

深さN,重みwtの異なるMZVの個数をd(N,wt)とおくと下記の様になる。
d(N,wt)=(wt2N1)
また、重みwtの異なるMZVの個数をd(wt)とすると次の様に書ける。
d(wt)=2wt2

[1]
(1)k:=1+1+1+1kの様に定める。すると以下の様にwtN+1は書ける。
wtN1=(1)k12+(1)k21++(1)kN1N
[2]右辺は1+がそれぞれwtN1,N1個ありそれらを並べる個数分だけ表し方がある。
そしてその表し方の分だけ異なるMZVを取る事が出来るので
d(N,wt)=(wt2N1)
[3]
d(wt)=N=1wt1(wt2N1)=(1+1)wt2=2wt2

ζ(k1,k2,...,kN)k1,k2,...,kNN(1<k1)に対して絶対収束する。

[1]
ζ(k1,k2,...,kN)=n1>n2>nN11n1k1n2k2nNkN<n1>n21n12(n3=1n21n3)N1=n1>n21n12(Hn2)N1
[2]
0<Hnlogn=k=1n1kk=1nkk+11xdx=k=1n01(1k1x+k)dx=k=1n01(xk(x+k))dx<k=1n1k201xdx=12k=1n1k2<12ζ(2)<1
ゆえにHn<1+logn
[3]下記の様な(0,)上で定義された関数を考える。
r(0,1]:f(x):=1+logxxr
すると
limxf(x)=limx1+logxxr=limxlogxrrxr=1rlimylogyy=0
ゆえに、r=12(N1)とすると
ζ(k1,k2,...,kN)<n1>n21n12(Hn2)N1=n1>n2o(n212)n12<+

多重対数関数

整数k1,k2,...,kNN(1<k1)に対して以下の様な級数を定め、この級数を多重対数関数と呼ぶ。
Lik1,k2,...,kN(x1,x2,...,xN)=n1>n2>>nNx1n1x1n2xNnNn1k1n2k2nNkN(|xk|<1)

Bernoulli数

下記の母関数により定まる数列{Bn}nN0をBernouli数と呼ぶ。
xex1=n=0Bnxnn!

Bernouli数は{Bn}nN0下記の性質を満たす。
{B0=1B1=121(2N+1)!12(2N)!+n=1NB2n1(2N2n+1)!(2n)!=0

[1]
x=m=1n=0Bnxm+nm!n!=N=1xNn=0N1Bn1(Nn)!n!
[2]係数比較により下記の式が得られる。
{B0=1n=0N1Bn1(Nn)!n!=0
[3]また
xex1+x2=x2ex+1ex1=x2ex2+ex2ex2ex2=x2cothx2=x2cothx2
よりx2cothx2は遇関数である事が分かったので
{B0=1B1=121(2N+1)!12(2N)!+n=1NB2n1(2N2n+1)!(2n)!=0

多項式f(x)x=am重根を持つ為の必要十分条件は下記の様に与えられる。
f(k)(a)=0(k=0,1,2,...,m1)かつf(m)(a)=0

[]f(k)(a)=0(k=0,1,2,...,m1)かつf(m)(a)=0が成り立つとする。
(i)f(a)=0および因数定理よりg0(x)C[x] s.t. f(x)=(xa)g0(x)が成り立つ。
(ii)f(1)(x)=(xa)g0(1)(x)+g0(x)なので、f(1)(a)=g0(a)が得られる。(i)同様に因数定理からg1(x)C[x] s.t. g0(x)=(xa)g1(x)が得られる。
(iii)これを帰納的に繰り返しgm1(x)C[x] s.t. f(x)=(xa)mgm1(x)が得られる。
(iv)最後にf(m)(x)=k=0m1(mk)m!(mk)!(xa)mkgm1(mk)(x)+gm1(x)なので、仮定よりf(m)(a)=gm1(a)0が得られる。この事から因数定理よりgm1(x)xaで割る事は出来ない事が分かる。
(v)以上をまとめると、gm1(x)C[x] s.t. f(x)=(xa)mgm1(x)が得られf(x)x=am重根を持つ事が示された。
[]f(x)x=am重根を持つとするとg(x)C[x](g(a)0) s.t. f(x)=(xa)mg(x)が成り立つ。
ゆえに下記の式が得られるので必要性も示せた。
{f(k)(x)=l=0k(kl)(xa)mlg(l)(x)f(k)(a)=0f(m)(x)=k=0m1(mk)m!(mk)!(xa)mkg(mk)(x)+g(x)f(m)(a)=g(a)0

sinπx=πxn=1(1x2n2)

厳密な証明ではありません。
[1]sinπxx=nZで1位の零点を持つ。
{sinπn=0(nZ)πcosπn=(1)nπ0(nZ)
補題2よりx=nZで一位の零点を持つ事が分かる。👈本当は補題2が適用できるのか確認する必要がある。
[2][1]から
sinπx=limNCNn=NN(xn)=xlimNCNn=1N(x2n2)
実際にはこの乗積がNで発散しない様にしないといけない。
それらを考慮すると
sinπx=xlimN{CNn=1Nn2}n=1N(x2n21)
両辺をxで割りx0の極限を取ると下記の式が得られるのでCN=(1)Nn=1Nn2
1=limN{CNn=1Nn2}(1)N
これを用いると
sinπx=xn=1(1x2n2)

nN:ζ(2n)=(1)n122n1(2n)!B2nπ2n

[1]
xcothx2=n=1B2n1(2n)!x2n
[2]
2xcothx=n=1B2n22n(2n)!x2n
[3]
2ixcoth(ix)=2ixcosx2isinx=xcotx=n=1(1)nB2n22n(2n)!x2n
[4]cotxは定理3よりx=πnZで一位の極を持つ。その留数を求めると下記の様に計算できる。👈ただし収束性に関して十分に注意せよ。
limxπn(xπn)cotx=limxπn(xπn)cosxsinx=limxπnxπnsin(xπn)cosπncosx=1
[5]
cotx=1x+limNn=1N(1x+πn+1xπn)=1x+2n=1xx2π2n2
[6]
xcotx=1+2n=1x2x2π2n2=12π2n=1x2n2m=0x2mπ2mn2m=1m=02x2m+2π2m+2n=11n2m+2=1m=02x2m+2π2m+2ζ(2m+2)=1m=12x2mπ2mζ(2m)
[7]最後にx2nの係数を比較して証明完了

k1,k2N(k1,k2>1):ζ(k1)ζ(k2)=ζ(k1,k2)+ζ(k2,k1)+ζ(k1+k2)

ζ(k1)ζ(k2)=n1,n211n1k1n2k2=(n1>n21+n2>n11+n1=n21)1n1k1n2k2=ζ(k1,k2)+ζ(k2,k1)+ζ(k1+k2)

ζ(3)=ζ(2,1)

ζ(2,1)=n1>n211n12n2=n1,n211(n1+n2)2n2=n1,n211n1(n1+n2)(1n21n1+n2)=n1,n211n1n2(n1+n2)ζ(2,1)=n1,n211n12(1n21n1+n2)ζ(2,1)=n111n12n2=1n11n3ζ(2,1)=ζ(3)

反復積分

G(a1,a2,...,aN;x):=0xdt11t1a1G(a2,a3,...,aN;t1)

(1)NG({0}k11,1,{0}k21,0,...,{0}kN1,1;x)=Lik1,k2,...,kN(x,x,...,xN)
特にx=1とすると、以下の結果が得られる。
(1)NG({0}k11,1,{0}k21,0,...,{0}kN1,1;1)=ζ(k1,k2,...,kN)

以下{0}n=(0,0,...,0n)の様に定める。
そして次の計算を行っていく。
(1)NG({0}k11,1,{0}k21,0,...,{0}kN1,1;x)=(1)N0xdx1x10x1dx2x20xk2dxk1k110xk1dxkxk1G({0}k21,0,...,{0}kN1,1;xk)
[1]N=1の場合
G({0}k11,1;x)=0xdx1x10x1dx2x20xk2dxk1k110xk1dxkxk1=n=1xnnk1=Lik1(x)
[2]そこで1,2,...,N1まで(1)N1G({0}k11,1,{0}k21,0,...,{0}kN11,1;x)=Lik1,k2,...,kN1(x)が成り立つとする。
[3]
(1)NG({0}k11,1,{0}k21,0,...,{0}kN1,1;x)=0xdx1x10x1dx2x20xk2dxk1k110xk1dxkxk1(1)N1G({0}k21,0,...,{0}kN1,1;xk)=0xdx1x10x1dx2x20xk2dxk1k110xk1dxkxk1(1)N1Lik2,k3,...,kN(xk)=n2,n3,,nN11(n2+n3++nN)k2(n2+n3++nN)k3nNkN(1)0xdx1x10x1dx2x20xk2dxk1k110xk1xkn2+n3++nNdxkxk1=n1,n2,...,nN1xn1+n2++nN(n1+n2++nN)k1(n2+n3++nN)k2nNkN=Lik1,k2,...,kN(x,x,...,xN)

調和積・シャッフル積

h=Q<x,y>Q係数x,y変数の非可換多項式環。
また、h1=Q+hy,h0=Q+xhyとする。
そしてQ線形関数Z:h0Rを次の様に定める。
{Z(1)=1Z(xk11yxk21yxkN1y)=ζ(k1,k2,...,kN)

👆今までと違って、MZVを代数的に取り扱える様にする意図があります。
ちなみにMZVの重さ、深さはそれぞれ単項式xk11yxk21yxkN1yyの次数が対応する様になります。

xy,x2y2,xyx5yxyh0によって定まるMZVを求めてください。

[1]Z(xy)=ζ(2)
[2]Z(x2y2)=ζ(3,1,1)
[3]Z(xyx5yxy)=ζ(2,6,2)

h1=Q+Q{jzk1jzk2jzkljy|zkij=xkij1y,kijN}の様に書ける。

有理数か終端がyである様なx,yを並べた項のQ線形結合全体がh1である事を考えれば明らか。

以下の計算規則
ζ(k)ζ(l)=ζ(k,l)+ζ(l,k)+ζ(k+l)
を一般化して取り扱うために、下記の演算を導入します。
発散する場合も同一の規則に従うのでh1に積を導入します。

調和積

調和積:h1×h1h1を下記の様に定める。
w,w1,w2,w3,zk,zlh1:{w1=1w=wzkw1zlw2=zk(w1zlw2)+zl(zkw1w2)+zkzl(w1w2)(w1+w2)w3=w1w3+w1w3w1(w2+w3)=w1w2+w1w3

調和積は可換

帰納法を用いて示す。
まず、語w1,w2yに関する次数をd1,d2とする。
[1](d1,d2)=(1,1)の場合:
この場合はw1=zk1,w2=zl1となる様な自然数k1,l1を取る事が出来る。
これを用いて計算を行う。
w1w2=(zk11zl11)=zk1(1zl11)+zl1(zk111)+zk1+l1(11)=zk1zl1+zl1zk1+zk1+l1=zl1zk1+zk1zl1+zl1+k1=zl1(1zk1)+zk1(zl111)+zl1+k1(11)=w2w1
[2](d1,d2)(1,1)の場合
(A)d1を固定しd2+1の場合を考える。
{w1=zk1zk2zkd2w2=zl1zl2zld2zld2+1
w1w2=zk1(zk2zkd2zl1zl2zld2zld2+1)+zl1(zk1zk2zkd2zl2zld2zld2+1)+()=zk1zk2(zk3zkd2zl1zl2zld2zld2+1)+zl1zl2(zk1zk2zkd2zl3zld2zld2+1+()=z1z2+z2z1+()=z2z1+z1z2+()=w2w1
(B)d2を固定しd1+1の場合も同様の計算をすればいい。
[3]最終的に帰納法の仮定より証明完了。

調和積は結合法則を持つ

帰納法を用いて示す。
まず、語w1,w2,w3yに関する次数をd1,d2,d3とする。
[1](d1,d2,d3)=(1,1,1)の場合:
(wkwl)wm=(zkzl)zm={zkzl+zlzk+zk+l}zm=zkzlzm1+zlzkzm1+zk+lzm=zk(zlzm1)+zm(zkzl1)+zk+m(zl1)+zl(zkzm1)+zm(zlzk1)+zl+mzk+zk+lzm+zmzk+l+zk+l+m=zkzlzm+zkzmzl+zkzl+m+zmzkzl+zk+mzl+zlzkzm+zlzmzk+zlzk+m+zmzlzk+zl+mzk+zk+lzm+zmzk+l+zk+l+m
wk(wlwm)=zk(zlzm)=zk(zlzm+zmzl+zl+m)=zk1zlzm+zk1zmzl+zk1zl+m1=zk(1zlzm)+zl(zk1zm)+zk+l(1zm)+zk(1zmzl)+zm(zk1zl)+zk+m(1zl)+zk(1zl+m1)+zl+m(zk11)+zk+l+m(11)=zkzlzm+zlzkzm+zlzmzk+zlzk+m+zk+lzm+zkzmzl+zmzkzl+zmzlzk+zmzk+l+zk+mzl+zkzl+m+zl+mzk+zk+l+m
[2](d1,d2,d3)(1,1,1)まで成り立つと仮定
{w1=zk1w1w2=zl1w2w3=zm1w3
d2,d3を固定してd1+1とした場合
(w1w2)w3={zk1(w1zl1w2)+zl1(zk1w1w2)+zk1+l1w1w2}zm1w3=zk1{(w1zl1w2)zm1w3}+zl1(zk1w1w2)zm1w3+zk1+l1{(w1w2)zm1w3}👈=zl1(zk1w1w2)zm1w3+()=zl1zl2(zk1w1w2)zm1w3+()=zl1zl2zld2(zk1w11)zm1w3+()=zl1zl2zld2{zk1w1(1zm1w3)}+()👈=w1(w2w3)
他のd2,d3に対しても同様に計算すればいい。

調和積:h1×h1h1の演算が入っているh1h1とする。
また、部分集合h0(h1)に対して同様の調和積を継承させその様なh0h0とする。
このとき、積に関してZ:h0Rは同型射になる。

[1]
{w1=zk1w2=zl1
Z(w1w2)=Z(zk1zl1+zl1zk1+zk1+l1)=Z(zk1zl1)+Z(zl1zk1)+Z(zk1+l1)=ζ(k1,l1)+ζ(l1,k1)+ζ(k1+l1)=ζ(k1)ζ(l1)=Z(k1)Z(l1)
[2]
{w1=zk1zk2zkMw2=zl1zl2zlN
Z(w1w2)=Z(zk1(zk2zkMzl1zl2zlN))+Z(zl1(zk2zkMzl1zl2zlN))+Z(zk1zl1(zk2zkMzl2zlN))👈Z
[3]次に
{S(X,Y):={(0x11|X1|xN|X|)|k={yk1,yk2,...,ykjk(k1<k2<<kjk),m(k)={0(k=)k1(otherwise),M(k)={|Y|(k=)kjk(otherwise),M(k)<m(k+1),01|X|=Y}T(S(X,Y)):={z11z22|Z|1z|Z||k={>xkkxk+1ykyk+1=>}Mk=(mk,mk+1,...,mM)Nk=(nk,nk+1,...,nN)
の様に定める。
Z(w1)Z(w2)=m1>m2>>mM11m1k1m2k2mMkMn1>n2>>nN11n1l1n2l2nNlN=(m1>T(S(M2,N1))+n1T(S(M1,N2))+m1=n1T(S(M2,N2)))1m1k1m2k2mMkMn1l1n2l2nNlN=Z(zk1w1w2)+Z(zl1w1w2)+Z(zk1+l1w1w2)=Z(w1w2)

ζ(k,l)={ζ(3,{1}k2)(l=1)ζ(2,{1}l1,2,{1}k2)(l=2,3,...)

ζ(k,l)=G({0}k1,1,{0}l1,1;1)=01dx1x10x1dx2x20xk1dxk1xk0xkdxk+1xk+10xk+1dxk+2xk+20xk+l1dxk+l1xk+l=01dxk+l1xk+lxk+l1dxk+l1xk+l1xk+11dxk1xkxk1dxk1xk1xk11dxk2xk2x21dx1x1=01dyk+lyk+l0yk+ldyk+l11yk+l10yk+1dykyk0ykdyk11yk10yk1dyk21yk20y2dy11y1=G(0,{1}l1,0,{1}k1)={ζ(3,{1}k2)(l=1)ζ(2,{1}l1,2,{1}k2)(l=2,3,...)

ζ(2)2=2ζ(2,2)+4ζ(3,1)

[1]
ζ(2)2=G(0,1;1)2=01dx1x10x1dx21x201dx3x30x3dx41x4=1x1x201x3x40dx1x1dx21x2dx3x3dx41x4
[2]
{S(X,Y):={(0,x1,1,...,x|X|,|X|)|k={yk1,yk2,...,ykjk(k1<k2<<kjk),m(k)={0(k=)k1,M(k)={|Y|(k=)kjk,01|X|=Y}T(S(X,Y)):={1z1z2,...z|Z|0|(z1,z2,...,z|Z|)S(X,Y)}
の様に置く。
特にX=(x1,x2),Y=(x3,x4)とすると
T(S(X,Y))={1x3x4x1x20,1x1x3x4x20,1x1x2x3x40,1x3x1x4x20,1x3x1x2x40,1x1x3x2x40}
以下vT(S(X,Y))=vT(S(X,Y))vの様に記号を定めると
ζ(2)2=vT(S(X,Y))dx1x1dx21x2dx3x3dx41x4=01dx3x30x3dx41x40x4dx1x10x1dx21x2+01dx1x10x1dx3x30x3dx41x40x4dx21x2+01dx1x10x1dx21x20x2dx3x30x3dx41x4+01dx3x30x3dx1x10x1dx41x40x4dx21x2+01dx3x30x3dx1x10x1dx21x20x2dx41x4+01dx1x10x1dx3x30x3dx21x20x2dx41x4=ζ(2,2)+ζ(3,1)+ζ(2,2)+ζ(3,1)+ζ(3,1)+ζ(3,1)=2ζ(2,2)+4ζ(3,1)

上記計算は調和積の場合において不等式をだけに制限したものと完全に一致する事が分かると思います。この計算を一般化し代数的に取り扱えるようにするために下記のシャッフル積を導入致します。

シャッフル積

二項演算:h×hhを下記の様に定めシャッフル積と呼ぶ。
{wh:w1=1w=wui{x,y},wih(i=1,2):(u1w1)(u2w2)=u1(w1u2w2)+u2(u1w1w2)

👆定理14においてu1=x1は,u2=x3としてみたら意味が分かると思います。

シャッフル積は結合法則、可換性を満たす。
また、積に関してZ:h0Rは同型射になる。

証明は、調和積と同じなので省略。

シャッフル積を用いて下記の公式を証明せよ。
ζ(2)2=2ζ(2,2)+4ζ(3,1)

z2z2=xyxy=x(yxy)+x(xyy)=x{y(1xy)+x(y1y)}+x{x(yy1)+y(xy1)}=xyxy+2x2y2+2x2y2+xyxy=2xyxy+4x2y2
Z(z2z2)=2Z(xyxy)+4Z(x2y2)=2ζ(2,2)+4ζ(3,1)=Z(z2)2=ζ(2)2

有限複シャッフル関係式

w1,w2h0:Z(w1w2)=Z(w1w2)

これはZ積そして積に対して同型なので
Z(w1w2)=Z(w1)Z(w2)=Z(w1z2)

ζ(3,1)=π4360

[1]
z2z2=z21z21=z2(1z21)+z2(z211)+z4(11)=2z2z2+z4=2xyxy+x3y
[2]
z2z2=2xyxy+4x2y2
[3][1],[2]を用いると
ζ(2)2=Z(z2z2)=Z(2xyxy+x3y)=2Z(xyxy)+Z(x3y)=2ζ(2,2)+ζ(4)=2ζ(2,2)+4ζ(3,1)=Z(2xyxy+4x2y2)=Z(z2z2)
[4]以上の計算より
ζ(3,1)=14ζ(4)=1413B4π4=112130π4=π4360

一般化

上記の理論は別にMZVだけに制限する必要はありません。
調和積は総和と不等式の性質。
シャッフル積は積分と不等式の性質から来ている。
そこで下記の様なMZVを一般化した級数を考えてみよう。

pochhammer記号

下記の様な記号を定義する。
n,NN:α=(α1α2αN)RN:(α)n=k=1Nl=1n(αk+l1)

一般化MZV

ただし、αi=(α11α12αini)Rsi,βi=(βi1βi2βimi)Rti(i=1,2,...,N)はそれぞれ任意の有限次元実ベクトル、K,L,N,s1,s2,...,sK,t1,t2,...,tL,k1,k2,...,kNは自然数。ただし、k1>1とする。
ζ((α1α2αNβ1β2βN);k1,k2,...,kN)=n1>n2>>nN1(α1)n11(α2)n21(αN)nN1(β1)n11(β2)n21(βN)nN11n1k1n2k2nNkN

NN:αR:CR s.t. (α)N=C(N+α1)N+α12eN+O(1N)

[1]
f(x)=log(x+α1)とおく。するとEuler-Maclaurinの定理より
log(α)N=n=1Nlog(n+α1)=1Nlog(x+α1)+f(N)+f(1)2+f(N)+f(1)12f(3)(N)f(3)(1)720+=(N+α1)log(N+α1)N+1+log(N+α1)+logα2+1N+α11α122(N+α1)31α3720+=logC+log(N+α1)N+α1N+12log(N+α1)+O(1N)=logC(N+α1)N+α12eN+O(1N)
[2]
(α)N=C(N+α1)N+α12eN+O(1N)

一般化MZVが絶対収束するための十分条件は
i{1,2,...,N}:sitjj=1silog|N+αij1|j=1tilog|N+βij1|

[1]|(α1)n1(α2)n2(αN)nN(β1)n1(β2)n2(βL)nN|n1,n2,...,nNo(nir)(0r<1,i=1,2,...,N)となる条件を探す。
|(α1)n1(α2)n2(αN)nN(β1)n1(β2)n2(βL)nN|=|i=1Nj=1si(aij)nij=1ti(bij)ni|=|i=1Nj=1siC(N+αij1)ni+αij12enij=1tiC(N+βij1)ni+βij12eni|=CiN(siti)ei=1N(siti)nii=1Nj=1si|(N+αij1)ni+αij12|j=1ti|(N+βij1)ni+βij12|=CiN(siti)ei=1N(siti)nii=1Nj=1si|N+αij1|ni+Re(αij)12j=1ti|N+βij1|ni+Re(βij)12
[2]
logi=1Nj=1si|N+αij1|ni+Re(αij)12j=1ti|N+βij1|ni+Re(βij)12i=1Nj=1si{ni+Re(αij12)}log|N+αij1|i=1Nj=1ti{ni+Re(βij12)}log|N+βij1|
[3]n1,n2,...,nNに依存する部分だけが問題なのでその部分だけを抜き出して考えると
i=1Nni{(siti)+j=1silog|N+αij1|j=1tilog|N+βij1|}0
[4]上記不等式を整理すると与えられた不等式が得られる。
sitjj=1silog|N+αij1|j=1tilog|N+βij1|
[5]以上の計算結果を用いると、|(α1)n11(α2)n21(αN)nN1(β1)n11(β2)n21(βL)nN1|は上に有界なのでMR(0<M) s.t. |(α1)n11(α2)n21(αN)nN1(β1)n11(β2)n21(βL)nN1|<Mが成り立つ。これを用いて計算すると一般化されたMZVは絶対収束する事が示された。
|ζ((α1α2αKβ1β2βL);k1,k2,...,kN)|n1>n2>>nN1|(α1)n11(α2)n21(αN)nN1(β1)n11(β2)n21(βL)nN1|1n1k1n2k2nNkNMn1>n2>>nN11n1k1n2k2nNkN<Mζ(2,1,1,...,1N1)

連結積(by YANA)

ベクトルα=(α1α2αm)Rm,β=(β1β2βm)Rmに対して以下の様な積を考える。
αβ:=(α1α2αmβ1β2βn)Rm+n

NN:niN:αiRni(i=1,2,...,N):i=1Nαi:=(i=1N1αi)αN

下記の式を証明せよ。
ζ2((α1β1),2)=2ζ((α1α1β1β1),2,2)+ζ((α1α1β1β1),4)

ζ2((α1β1),2)=n11(α1)n11(β1)n111n12n11(α1)n21(β1)n211n22=(n1>n21+n2>n11+n1=n2=1)(α1)n11(β1)n111n12(α1)n21(β1)n211n22=2ζ((α1α1β1β1),2,2)+ζ((α1α1β1β1),4)

ζ((α1β1),2)ζ((α2β2),2)=ζ((α1α2β1β2),2,2)+ζ((α2α1β2β1),2,2)+ζ((α1α2β1β2),4)

ζ((α1β1),2)ζ((α2β2),2)=n11(α1)n11(β1)n111n12n11(α2)n21(β2)n211n22=(n1>n21+n2>n11+n2=n11)(α1)n11(β1)n111n12(α2)n21(β2)n211n22=ζ((α1α2β1β2),2,2)+ζ((α2α1β2β1),2,2)+ζ((α1α2β1β2),4)

Iは連続体濃度を持つ添え字集合とする。そして次の様な非可換環を考える。y:=Q+Q{iIxαi,βiki1y|kiN,αiRsi/si,βiRti/ti}を考える。
またその部分集合y1:=Q+hyh0(α,β):=Q+xα,βhyを定める。
ただし、は次の様な同値関係
xnydefσ:RnRnσ(y)=x}

Q線形写像Y:yRを次の様に定める。
Y(i{1,2,...,N}xαi,βiki1y)=ζ((α1α2αNβ1β2βN),k1,k2,...,kN)

調和積

二項演算y1×y1y1を下記の様に定める。
{wh1:1w=w=w1zα,βk1=xα,βk11y,zγ,δk2=xγ,δk21,Z,Wy1:zα,βk1Zzγ,δk2W=zα,βk1(Zzγ,δk2W)+zγ,δk2(zα,βk1ZW)+zαγ,βδk1+k2ZW

上記の意味を具体例で確認しよう。

実験
今定義した調和積を最も簡単な場合に適用してみよう。
すると次の様な計算が出来る。
xα,βk11yxβ,γk21y=xα,βk11yxβ,γk21y+xβ,γk21yxα,βk11y+xαγ,βδk1+k21yこれは次の計算に対応している事が分かる。
ζ((αβ),k1)ζ((γδ),k2)=n11n11(α)n1(γ)n2(β)n1(δ)n21n1k1n2k2=(n1>n21+n2>n11+n2=n11)(α)n1(γ)n2(β)n1(δ)n21n1k1n2k2=ζ((αγβδ),k1,k2)+ζ((γαδβ),k2,k1)+ζ((αγβδ),k1+k2)

調和積は可換、結合律を満たす。また、Y積に関して同型射を成す。

[1]調和積は可換
まず一般化されたMZVの定義よりζ((αγβδ),k)=ζ((βαδβ),k)である事に注意する。
つまりは可換ではないが、一般化されたMZVでは可換に振る舞うという事である。
以上の事を用いる。
[1A]以下z1,z2yyの次数d1,d2により帰納法を用いて示す。
(d1,d2)=(1,1)の場合:z1=xα,βk11y,z2=xβ,γk21yと書けるので以下の様に計算できる。
xα,βk11yxβ,γk21y=xα,βk11yxβ,γk21y+xβ,γk21yxα,βk11y+xαγ,βδk1+k21y=xβ,γk21yxα,βk11y+xα,βk11yxβ,γk21y+xγα,δβk1+k21y=xβ,γk21yxα,βk11y
[1-B]
(d1,d2)の場合まで成り立つと仮定する。そして(d1+1,d2)でも成り立つ事を示す。
まず、z1=i=1d1+1zαi,βik21,z2=i=1d2zγi,δik21の様に置く。
すると下記の様に計算できる。
z1z2=zα1,β1k11(i=2d1+1zαi,βik21,z2)+zγ1,δ1k11(z1i=2d2zγi,δik21)+()=zα1,β1k11zα2,β2k21(i=3d1+1zαi,βik21,z2)+zγ1,δ1k11zγ2,δ2k21(z1i=3d2xγi,δiki1y)+()==z1z2+z2z1+()
[1-C](d1,d2+1)の場合も同様の計算を行えばよいので可換性に関しては証明完了。
[2]結合律:
[2-A]zα1,β1k1,zα2,β2k2,zα3,β3k3
zα1,β1k1(zα2,β2k2zα3,β3k3)=zα1,β1k1(zα2,β2k2zα3,β3k3+zα3,β3k3zα2,β2k2+zα2α3,β2β3k2+k3)=zα1,β1k11zα2,β2k2zα3,β3k3+zα1,β1k11zα3,β3k3zα2,β2k2+zα1,β1k1zα2α3,β2β3k2+k3+zα2α3,β2β3k2+k3zα1,β1k1+zα1α2α3,β1β2β3k1+k2+k3=zα1,β1k1zα2,β2k2zα3,β3k3+zα2,β2k2(zα1,β1k11zα3,β3k3)+zα1α2,β1β2k1+k2zα3,β3k3+zα1,β1k1zα3,β3k3zα2,β2k3+zα3,β3k3(zα1,β1k11zα2,β2k2)+zα1α3,β1β3k1+k3zα2,β2k2+zα1,β1k1zα2α3,β2β3k2+k3+zα2α3,β2β3k2+k3zα1,β1k1+zα1α2α3,β1β2β3k1+k2+k3=zα1,β1k1zα2,β2k2zα3,β3k3+zα2,β2k2zα1,β1k1zα3,β3k3+zα2,β2k2zα3,β3k3zα1,β1k1+zα2,β2k2zα1α3,β1β3k1+k3+zα1α2,β1β2k1+k2zα3,β3k3+zα1,β1k1zα3,β3k3zα2,β2k2+zα3,β3k3zα1,β1k1zα2,β2k2+zα3,β3k3zα2,β2k2zα1,β1k1+zα3,β3k3zα1α2,β1β2k1+k2+zα1α3,β1β3k1+k3zα2,β2k2+zα1,β1k1zα2α3,β2β3k2+k3+zα2α3,β2β3k2+k3zα1,β1k1+zα1α2α3,β1β2β3k1+k2+k3
(zα1,β1k1zα2β2k2)zα3,β3k3=(zα1,β1k1zα2,β2k2+zα2,β2k2zα1,β1k1+zα1α2,β1α2k1+k2)zα3,β3k31=zα1,β1k1(zα2β2k2zα3,β3k31)+zα3,β3k3(zα1,β1k1zα2,β2k21)+zα1α3,β1β3k1+k3zα2,β2k2+zα2,β2k2(zα1,β1k1zα3,β3k31)+zα3,β3k3(zα2,β2k2zα1,β1k11)+zα3,β3k3zα2,β2k2zα2,β2k1+zα2α3,β2β3k2+k3zα1,β1+zα1α2,β1α2k1+k2zα3,β3k3+zα3,β3k3zα1α2,β1α2k1+k2+zα1α2α3,β1β2β3k1+k2+k3=zα1,β1k1zα2,β2k2zα3,β3k3+zα1,β1k1zα3,β3k3zα2,β2k2+zα1,β1k1zα2α3,β2β3k2+k3+zα3,β3k3zα1,β1k1zα2,β2k2+zα1α3,β1β3k1+k3zα2,β2k2+zα2,β2k2zα1,β1k1zα3,β3k3+zα2,β2k2zα3,β3k3zα1,β1k1+zα2,β2k2zα1α3,β1β3k1+k3+zα3,β3k3zα2,β2k2zα1,β1k1+zα2α3,β2β3k2+k3zα1,β1k1+zα1α2,β1α2k1+k2zα3,β3k3+zα3,β3k3zα1α2,β1α2k1+k2+zα1α2α3,β1β2β3k1+k2+k3
[2-B](d1,d2,d3)=(1,1,1)の場合は正しい事が分かったので、(d1,d2,d3)(1,1,1)まで正しいと仮定して通常のMZV同様の計算を行えばよい。
[3]まず、zα1,β1k1,zα2,β2k2,zα3,β3k3の場合は上記実験結果から成り立つ事が分かる。
後はMZV同様帰納法を用いて証明できるので省略する。

区間[0,1]で積分可能な関数を変数に持つ関数
G(f1,f2,...,fN;x)=0xdtf1(t)G(f2,...,fN;t)

G(f1,f2,...,fN;x)=G(fN(1x),fN1(1x),...,f1(1x);x)

G(f1,f2,...,fN;x)=0xdx1f1(x1)0x1dx2f2(x2)0xN1dxN1f1(xN)dxN=01dxNf(xN)xN1dxN1fN1(xN1)x21dx1f1(x1)=01dyNf(1yN)0yNdyN1fN1(1yN1)0y2dy1f1(1y1)=G(fN(1x),fN1(1x),...,f1(1x);x)

n=0(2nn)22n1(n+1)2=4(1log2)

G(1x,11x;x)=01dx1x10x1dx21x2=n=0(2nn)2n01dx1x10x1dx2x2n=n=0(2nn)22n1(n+1)2=G(1x,11x;x)=01dx2x20x2dx11x1=n=01n+101dx2x2n+12=n=01(n+1)(n+32)=n=11n(n+12)=2n=1(1n22n+1)=2limN{2+2HN2logN2H2N+2log(2N)22N+1+2logN2log(2N)}=4(1log2)

fi(x)=si+1Fti(αi1,αi2,...,αisi,1;βi1,βi2,...,βisi;x)とすると
G({1x}k11,f1,...,{1x}kN1,fN;1)=ζ((α1α2αNβ1β2βN);k1,k2,...,kN)

MZVの場合と同様の計算を行うだけなので省略。

シャッフル積

シャッフル積:y×yyを下記の様に定める。
{wy:w1=w=1wu1,u2{xα,β|α,βk=1Rk}{y}:Z,Wy:u1Zu2W=u1(Zu2W)+u2(u1ZW)

シャッフル積に関しても通常のMZV同様、結合律、可換律を満たし、そしてY積に関して同型となる。

MZVと同様なので省略。

応用

n=0xn(2nn)=44x+12x(4x4x)32arctanx4x(|x|<4)

n=0xn(2nn)=n=0xnΓ(n+1)Γ(n+1)Γ(2n+1)=1+n=1xnnB(n,n+1)=1+n=0xnn01tn1(1t)ndt=1+01xt(1t)dtt{1xt(1t)}2=1+x01(1t)dt{x(t12)2+1x4}2=1+1x01(1t)dt{(t12)2+4x4x}2=1+1x(4x4x)24x4xx4xx4x124xxu(u2+1)2du(u=tanθ)=1+1x(4x4x)320arctanx4xcos2θdθ=1+1x(4x4x)3212{arctanx4x+12sin(2arctanx4x)}=1+1x(4x4x)3212{arctanx4x+x4x1+x4x}=1+12x(4x4x)32arctanx4x+x(4x)8x(4x4x)32=1+12x(4x4x)32arctanx4x+x4x=44x+12x(4x4x)32arctanx4x

n=1xnn(2nn)=4x4xarctanx4x

n=1xnn(2nn)=n=1xnΓ(n)Γ(n+1)Γ(2n+1)=n=1xn01tn1(1t)ndt=01xt(1t)dtt{1xt(1t)}=01x(1t)dt{x(t12)2+4x4}=01(1t)dt{(t12)2+4x4x}=1212(12u)du(u2+4x4x)=121212duu2+4x4x=4x4x0arctanx4xdθ=4x4xarctanx4x

定理25を用いるとx=1とした時
n=11n(2nn)=π33
これを用いると
π227=n=11n2(2nn)2+2n1>n211n1n2(2n1n1)(2n2n2)

ζ((α1α2β1β2),k1+k2)=2{ζ((α1α2β1β2),k1,k2)+{ζ((α2α1β2β1),k2,k1)}

[1]調和積
xα1,β1k11yxα2,β2k21y=xα1,β1k11yxα2,β2k21y+xα2,β2k21yxα1,β1k11y+xα1α1,β1β1k1+k21y
[2]シャッフル積
xα1,β1k11yxα2,β2k21y=xα1,βk11(y1xα2,β2k21y)+xα2,β2k21(xα1,β1k11yy1)=xα1,β1k11y(1xα2,β2k21y)+xα1,β1k11xα2,β2k21(y1y1)+xα2,β2k21xα1,β1k11(yy1)+xα2,β2k21y(xα1,β1y1)=xα1,β1k11yxα2,β2k21y+2xα1,β1k11xα2,β2k21y2+2xα2,β2k21xα1,β1k11y2+xα2,β2k21yxα1,β1k11y
[3]Y(xα1,β1k11yxα2,β2k21y)=Y(xα1,β1k11yxα2,β2k21y)を用いると
ζ((α1α2β1β2),k1+k2)=2{ζ((α1α2β1β2),k1,k2)+{ζ((α2α1β2β1),k2,k1)}

最後に

今回は前半部分ではMZVで色々遊び、
後半部分では、MZVの一般化を試みました。
本記事で最も重要な事は不等式の組み合わせを代数的に取り扱えるように調和積・シャッフル積を考えたことです。
この調和積・シャッフル積の構造を壊さない様にパラメータを増やせばいくらでも一般化出来ると思います。
それではばいちゃ!

投稿日:15日前
更新日:14日前
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  1. あいさつ
  2. 基本事項の復習
  3. 調和積・シャッフル積
  4. 一般化
  5. 応用
  6. 最後に