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現代数学解説
文献あり

Carlitzによる二重超幾何級数の和公式

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以下は, Carlitzによって1967年に示された公式である.

Carlitz(1967)

0m,n(a)m(a)n(b)m+n(c)m(c)nm!n!(b)m(b)n(c+c)m+n=Γ(ca)Γ(ca)Γ(b)Γ(baa)Γ(c+c)Γ(c+caa)Γ(ba)Γ(ba)Γ(c)Γ(c)
が左辺の和が絶対収束するとき, 成立する.

Vandermondeの恒等式より,
(b)m+n(b)m(b)n=0k(m,n)kk!(b)k
であるから,
0m,n(a)m(a)n(b)m+n(c)m(c)nm!n!(b)m(b)n(c+c)m+n=0m,n(a)m(a)n(c)m(c)nm!n!(c+c)m+n0k(m,n)kk!(b)k=0m,n,k(a)m(a)n(c)m(c)nk!(b)k(mk)!(nk)!(c+c)m+n=0k(a)k(a)k(c)kk!(b)k0m(a+k)m(c)m+km!(c+c)m+2k0n(a+k)n(c+k)nn!(c+c+2k+m)n
ここで, Gaussの超幾何定理より,
0n(a+k)n(c+k)nn!(c+c+2k+m)n=Γ(c+c+2k+m)Γ(ca+m)Γ(c+ca+k+m)Γ(c+k+m)=Γ(c+c)Γ(ca)Γ(c+ca)Γ(c)(c+c)m+2k(ca)m(c+ca)m+k(c)m+k
だから,
0k(a)k(a)k(c)kk!(b)k0m(a+k)m(c)m+km!(c+c)m+2k0n(a+k)n(c+k)nn!(c+c+2k+m)n=Γ(c+c)Γ(ca)Γ(c+ca)Γ(c)0k(a)k(a)k(c)kk!(b)k0m(a+k)mm!(ca)m(c+ca)m+k
である. 再びGaussの超幾何定理より,
0m(a+k)mm!(ca)m(c+ca)m+k=1(c+ca)kΓ(c+ca+k)Γ(ca)Γ(c+caa)Γ(c+k)=Γ(c+ca)Γ(ca)Γ(c+caa)Γ(c)(c)k
だから,
Γ(c+c)Γ(ca)Γ(c+ca)Γ(c)0k(a)k(a)k(c)kk!(b)k0m(a+k)mm!(ca)m(c+ca)m+k=Γ(c+c)Γ(ca)Γ(ca)Γ(c)Γ(c)Γ(c+caa)0k(a)k(a)kk!(b)k
最後にGaussの超幾何定理より
0k(a)k(a)kk!(b)k=Γ(b)Γ(baa)Γ(ba)Γ(ba)
であるから定理を得る.

二重超幾何級数の和公式がVandermondeの恒等式やGaussの超幾何定理のような2F1の和公式を組合わせるだけで得られるのは面白いと思う.

参考文献

[1]
L. Carlitz, A summation theorem for double hypergeometric series., Rend. Sem. Mat. Univ. Padova, 1967, 230–233
投稿日:122
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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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