以下は, Carlitzによって1967年に示された公式である.
∑0≤m,n(a)m(a′)n(b)m+n(c)m(c′)nm!n!(b)m(b)n(c+c′)m+n=Γ(c−a′)Γ(c′−a)Γ(b)Γ(b−a−a′)Γ(c+c′)Γ(c+c′−a−a′)Γ(b−a)Γ(b−a′)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=∑0≤k(−m,−n)kk!(b)kであるから,∑0≤m,n(a)m(a′)n(b)m+n(c)m(c′)nm!n!(b)m(b)n(c+c′)m+n=∑0≤m,n(a)m(a′)n(c)m(c′)nm!n!(c+c′)m+n∑0≤k(−m,−n)kk!(b)k=∑0≤m,n,k(a)m(a′)n(c)m(c′)nk!(b)k(m−k)!(n−k)!(c+c′)m+n=∑0≤k(a)k(a′)k(c′)kk!(b)k∑0≤m(a+k)m(c)m+km!(c+c′)m+2k∑0≤n(a′+k)n(c′+k)nn!(c+c′+2k+m)nここで, Gaussの超幾何定理より,∑0≤n(a′+k)n(c′+k)nn!(c+c′+2k+m)n=Γ(c+c′+2k+m)Γ(c−a′+m)Γ(c+c′−a+k+m)Γ(c+k+m)=Γ(c+c′)Γ(c−a′)Γ(c+c′−a′)Γ(c)(c+c′)m+2k(c−a′)m(c+c′−a′)m+k(c)m+kだから,∑0≤k(a)k(a′)k(c′)kk!(b)k∑0≤m(a+k)m(c)m+km!(c+c′)m+2k∑0≤n(a′+k)n(c′+k)nn!(c+c′+2k+m)n=Γ(c+c′)Γ(c−a′)Γ(c+c′−a′)Γ(c)∑0≤k(a)k(a′)k(c′)kk!(b)k∑0≤m(a+k)mm!(c−a′)m(c+c′−a′)m+kである. 再びGaussの超幾何定理より,∑0≤m(a+k)mm!(c−a′)m(c+c′−a′)m+k=1(c+c′−a′)kΓ(c+c′−a+k)Γ(c−a)Γ(c+c′−a−a′)Γ(c′+k)=Γ(c+c′−a)Γ(c′−a)Γ(c+c′−a−a′)Γ(c′)(c′)kだから,Γ(c+c′)Γ(c−a′)Γ(c+c′−a′)Γ(c)∑0≤k(a)k(a′)k(c′)kk!(b)k∑0≤m(a+k)mm!(c−a′)m(c+c′−a′)m+k=Γ(c+c′)Γ(c−a′)Γ(c′−a)Γ(c)Γ(c′)Γ(c+c′−a−a′)∑0≤k(a)k(a′)kk!(b)k最後にGaussの超幾何定理より∑0≤k(a)k(a′)kk!(b)k=Γ(b)Γ(b−a−a′)Γ(b−a)Γ(b−a′)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.
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