ここでは, Watsonによる${}_8\phi_7$の変換公式
\begin{align}
&\Q87{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,d,e,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq/d,aq/e,aq^{n+1}}{\frac{a^2q^{2+n}}{bcde}}\\
&=\frac{(aq,aq/de;q)_n}{(aq/d,aq/e;q)_n}\Q43{aq/bc,d,e,q^{-n}}{aq/b,aq/c,deq^{-n}/a}{q}
\end{align}
を示す. これはWhippleによる${}_7F_6$の変換公式
\begin{align}
&\F76{a,1+\frac a2,b,c,d,e,-n}{\frac a2,1+a-b,1+a-c,1+a-d,1+a-e,1+a+n}{1}\\
&=\frac{(1+a,1+a-d-e)_n}{(1+a-d,1+a-e)_n}\F43{1+a-b-c,d,e,-n}{1+a-b,1+a-c,d+e-a-n}{1}
\end{align}
の$q$類似である.
\begin{align} \Q{r+4}{r+3}{a,b,c,a_1,\dots,a_r,q^{-n}}{aq/b,aq/c,b_1,\dots,b_{r+1}}{x}&=\sum_{k=0}^n\frac{(aq/bc,a_1,\dots,a_r,q^{-n};q)_k(a;q)_{2k}}{(aq/b,aq/c,b_1,\dots,b_{r+1},q;q)_{k}}q^{-\binom k2}\left(-\frac{bcx}{aq}\right)^k\\ &\qquad\qquad\cdot\,\Q{r+2}{r+1}{aq^{2k},a_1q^k,\dots,a_rq^k,q^{k-n}}{b_1q^k,\dots,b_{r+1}q^k}{\frac {bcx}{aq^{k+1}}} \end{align}
$q$-Saalschützの和公式
より,
\begin{align}
\frac{(b,c;q)_n}{(aq/b,aq/c;q)_n}&=\left(\frac{bc}{aq}\right)^n\Q32{aq/bc,aq^n,q^{-n}}{aq/b,aq/c}{q}
\end{align}
であるから,
\begin{align}
&\Q{r+4}{r+3}{a,b,c,a_1,\dots,a_r,q^{-n}}{aq/b,aq/c,b_1,\dots,b_{r+1}}{x}\\
&=\sum_{k=0}^n\frac{(a,a_1,\dots,a_r,q^{-n};q)_k}{(b_1,\dots,b_{r+1},q;q)_k}\left(\frac{bcx}{aq}\right)^k\sum_{j=0}^k\frac{(aq/bc,aq^k,q^{-k};q)_j}{(aq/b,aq/c,q;q)_j}q^j\\
&=\sum_{j=0}^n\frac{(aq/bc;q)_j}{(aq/b,aq/c,q;q)_j}q^j\sum_{k=j}^n\frac{(a,a_1,\dots,a_r,q^{-n};q)_k}{(b_1,\dots,b_{r+1},q;q)_k}(aq^k,q^{-k};q)_j\left(\frac{bcx}{aq}\right)^k\\
&=\sum_{j=0}^n\frac{(aq/bc;q)_j}{(aq/b,aq/c,q;q)_j}q^j\sum_{k=j}^n\frac{(a_1,\dots,a_r,q^{-n};q)_k}{(b_1,\dots,b_{r+1};q)_k}\frac{(a;q)_{k+j}}{(q;q)_{k-j}}(-1)^jq^{\binom j2-kj}\left(\frac{bcx}{aq}\right)^k\\
&=\sum_{j=0}^n\frac{(aq/bc;q)_j}{(aq/b,aq/c,q;q)_j}q^{-\binom j2}\left(-\frac{bcx}{aq}\right)^j\sum_{k=0}^{n-j}\frac{(a_1,\dots,a_r,q^{-n};q)_{k+j}}{(b_1,\dots,b_{r+1};q)_{k+j}}\frac{(a;q)_{k+2j}}{(q;q)_{k}}\left(\frac{bcx}{aq^{j+1}}\right)^k\\
&=\sum_{j=0}^n\frac{(aq/bc,a_1,\dots,a_r,q^{-n};q)_j(a;q)_{2j}}{(aq/b,aq/c,b_1,\dots,b_{r+1},q;q)_j}q^{-\binom j2}\left(-\frac{bcx}{aq}\right)^j\sum_{k=0}^{n-j}\frac{(aq^{2j},a_1q^j,\dots,a_rq^j,q^{j-n};q)_{k}}{(b_1q^j,\dots,b_{r+1}q^j,q;q)_{k}}\left(\frac{bcx}{aq^{j+1}}\right)^k
\end{align}
となって示される.
この定理1を繰り返し適用することによって, 少しずつ一般的な公式を得ていくという流れになる.
$n$を非負整数とするとき,
\begin{align}
\Q43{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1}}{q^n}&=\delta_{n,0}
\end{align}
が成り立つ.
定理1より,
\begin{align}
\Q43{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1}}{q^n}&=\sum_{k=0}^n\frac{(-q^{-1},q^{-n};q)_k(a;q)_{2k}}{(\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1},q;q)_k}q^{-\binom k2}q^{(n+1)k}\Q21{aq^{2k},q^{k-n}}{aq^{n+k+1}}{-q^{n+1-k}}
\end{align}
ここで,
Bailey-Daumの和公式
\begin{align}
\Q21{a,b}{aq/b}{-\frac qb}&=\frac{(-q;q)_{\infty}(aq,aq^2/b^2;q^2)_{\infty}}{(aq/b,-q/b;q)_{\infty}}
\end{align}
を用いると,
\begin{align}
\Q21{aq^{2k},q^{k-n}}{aq^{n+k+1}}{-q^{n+1-k}}&=\frac{(-q;q)_{\infty}(aq^{2k+1},aq^{2n+2};q^2)_{\infty}}{(aq^{n+k+1},-q^{n-k+1};q)_{\infty}}
\end{align}
であるから,
\begin{align}
\Q43{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1}}{q^n}&=\sum_{k=0}^n\frac{(-q^{-1},q^{-n};q)_k(a;q)_{2k}}{(\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1},q;q)_k}q^{-\binom k2}q^{(n+1)k}\frac{(-q;q)_{\infty}(aq^{2k+1},aq^{2n+2};q^2)_{\infty}}{(aq^{n+k+1},-q^{n-k+1};q)_{\infty}}\\
&=\frac{(aq^{2n+2};q)_{\infty}}{(aq;q)_{\infty}}\sum_{k=0}^n\frac{(-q^{-1},-q^{-n};q)_k(aq;q^2)_k(aq^{2k+1};q^2)_{\infty}(aq;q)_{n+k}(-q;q)_{n-k}}{(aq^{n+1},q;q)_k}q^{(n+1)k-\binom k2}\\
&=\frac{(aq^{2n+2},aq;q^2)_{\infty}(aq,-q;q)_n}{(aq;q)_{\infty}}\sum_{k=0}^n\frac{(-q^{-1},q^{-n};q)_k}{(-q^{-n};q)_k}q^k
\end{align}
ここで,
$q$-Vandermondeの恒等式
, $0< n$のとき,
\begin{align}
\sum_{k=0}^n\frac{(-q^{-1},q^{-n};q)_k}{(-q^{-n};q)_k}q^k&=\frac{(q^{1-n};q)_n}{(-q^{-n};q)_n}(-q^{-1})^n=0
\end{align}
であり, $n=0$のとき,
\begin{align}
\Q43{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1}}{q^n}=1
\end{align}
であるから補題を得る.
結果がシンプルな割に上の補題の証明にはBailey-Daumの和公式や$q$-Vandermondeの恒等式が用いられている. よりシンプルな証明が与えられそうである. (追記:シンプルな証明が与えられたので最後に追記した.)
$n$を非負整数とするとき,
\begin{align}
\Q65{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq^{n+1}}{\frac{aq^{n+1}}{bc}}&=\frac{(aq,aq/bc;q)_n}{(aq/b,aq/c;q)_n}
\end{align}
が成り立つ.
定理1より,
\begin{align}
\Q65{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq^{n+1}}{\frac{aq^{n+1}}{bc}}&=\sum_{k=0}^n\frac{(aq/bc,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n};q)_k(a;q)_{2k}}{(aq/b,aq/c,\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1},q;q)_k}q^{-\binom k2}(-q^n)^k\\
&\qquad\qquad\cdot \Q43{aq^{2k},\sqrt aq^{k+1},-\sqrt aq^{k+1},q^{k-n}}{\sqrt aq^k,-\sqrt aq^k,aq^{n+k+1}}{q^{n-k}}
\end{align}
補題2より,
\begin{align}
\Q43{aq^{2k},\sqrt aq^{k+1},-\sqrt aq^{k+1},q^{k-n}}{\sqrt aq^k,-\sqrt aq^k,aq^{n+k+1}}{q^{n-k}}&=\delta_{n,k}
\end{align}
だから,
\begin{align}
\Q65{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq^{n+1}}{\frac{aq^{n+1}}{bc}}&=\frac{(aq/bc,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n};q)_n(a;q)_{2n}}{(aq/b,aq/c,\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1},q;q)_n}q^{-\binom n2}(-q^n)^n\\
&=\frac{(aq,aq/bc;q)_n}{(aq/b,aq/c;q)_n}
\end{align}
となって補題を得る.
非負整数$n$に対して
\begin{align}
\Q87{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,d,e,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq/d,aq/e,aq^{n+1}}{\frac{a^2q^{2+n}}{bcde}}&=\frac{(aq,aq/de;q)_n}{(aq/d,aq/e;q)_n}\Q43{aq/bc,d,e,q^{-n}}{aq/b,aq/c,deq^{-n}/a}{q}
\end{align}
が成り立つ.
定理1より,
\begin{align}
&\Q87{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,d,e,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq/d,aq/e,aq^{n+1}}{\frac{a^2q^{2+n}}{bcde}}\\
&=\sum_{k=0}^n\frac{(aq/bc,\sqrt aq,-\sqrt aq,d,e,q^{-n};q)_k(a;q)_{2k}}{(aq/b,aq/c,\sqrt a,-\sqrt a,aq/d,aq/e,aq^{n+1},q;q)_k}q^{-\binom k2}\left(\frac{aq^{n+1}}{de}\right)^k\\
&\qquad\qquad \cdot\, \Q65{aq^{2k},\sqrt aq^{k+1},-\sqrt aq^{k+1},dq^k,eq^k,q^{k-n}}{\sqrt aq^k,-\sqrt aq^k,aq^{k+1}/d,aq^{k+1}/e,aq^{n+k+1}}{\frac{aq^{n-k+1}}{de}}
\end{align}
ここで, 補題3より,
\begin{align}
&\Q65{aq^{2k},\sqrt aq^{k+1},-\sqrt aq^{k+1},dq^k,eq^k,q^{k-n}}{\sqrt aq^k,-\sqrt aq^k,aq^{k+1}/d,aq^{k+1}/e,aq^{n+k+1}}{\frac{aq^{n-k+1}}{de}}\\
&=\frac{(aq^{2k+1},aq/de;q)_{n-k}}{(aq^{k+1}/d,aq^{k+1}/e;q)_{n-k}}\\
&=\frac{(aq;q)_{n+k}}{(aq;q)_{2k}}\frac{(aq/d,aq/e;q)_k}{(aq/d,aq/e;q)_n}\frac{(aq/de;q)_n}{(deq^{-n}/a;q)_k}\left(-\frac{de}a\right )^kq^{\binom k2-nk}\\
&=\frac{(aq,aq/de;q)_n}{(aq/d,aq/e;q)_n}\frac{(aq/d,aq/e,aq^{n+1};q)_k}{(aq;q)_{2k}(deq^{-n}/a;q)_k}\left(-\frac{de}{aq^n}\right)^kq^{\binom k2}
\end{align}
より,
\begin{align}
&\Q87{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b,c,d,e,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b,aq/c,aq/d,aq/e,aq^{n+1}}{\frac{a^2q^{2+n}}{bcde}}\\
&=\frac{(aq,aq/de;q)_n}{(aq/d,aq/e;q)_n}\sum_{k=0}^n\frac{(aq/bc,d,e,q^{-n};q)_k}{(aq/b,aq/c,deq^{-n}/a,q;q)_k}q^k
\end{align}
となって定理が示される.
補題2は以下のようにシンプルに証明できる. $|b|>1$のとき,
\begin{align}
1-aq^{2k}=\frac{(1-q^k)(1-aq^k/b)-(1-aq^k)(1-bq^k)b^{-1}}{1-b^{-1}}
\end{align}
であるから, 望遠鏡和により
\begin{align}
\Q43{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,b}{\sqrt a,-\sqrt a,aq/b}{\frac 1b}&=\frac 1{(1-a)(1-b^{-1})}\sum_{0\leq k}\left(\frac{(a,b;q)_k}{(q,aq/b;q)_{k-1}}b^{-k}-\frac{(a,b;q)_{k+1}}{(q,aq/b;q)_k}b^{-k-1}\right)\\
&=0
\end{align}
となる. $b=1$のとき左辺が$1$になることは明らかである. よって, $n$を非負整数とするとき,
\begin{align}
\Q43{a,\sqrt aq,-\sqrt aq,q^{-n}}{\sqrt a,-\sqrt a,aq^{n+1}}{q^n}&=\delta_{n,0}
\end{align}
が成り立つ.