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現代数学解説
文献あり

超幾何関数の積2

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左辺の項が2つに分かれるタイプの結果として, 以下の公式がある.

Preece(1924)

1F1[ab;x]1F1[1+ab2b;x]=2F3[a+1b2,b+12a12,b+12,3b2;x24]+(2ab)(1b)b(2b)x2F3[1+ab2,1+b2a1+b2,2b2,32;x24]

1F1[ab;x]1F1[1+ab2b;x]=0nxnk=0n(a)kk!(b)k(1+ab)nk(nk)!(2b)nk(1)nk=0n(1+ab)nn!(2b)n(x)n3F2[bn1,a,nban,b;1]
ここで, Dixonの和公式より,
3F2[a,b,n1+ab,1+a+n;1]=(1+a,1+a2b)n(1+a2,1+ab)n
であるから, abn1,baとして,
3F2[bn1,a,nban,b;1]=(bn,bn+12a)n(bn+12,ban)n=(1b,bn+12a)n(bn+12,1+ab)n
n=2kのとき,
(1b,bn+12a)nn!(bn+12,2b)n=(1b,b+12ak)2k(1,b+12k,2b)2k=(b+12a,1b2+a)k4k(1,12,b+12,3b2)k
n=2k+1のとき,
(1b,bn+12a)nn!(bn+12,2b)n=(1b,b2ak)2k+1(1,b2k,2b)2k+1=(1b)(b2a)b(2b)(2b)2k(b2ak,b2a+1)k(2,3b)2k(b2k,b2+1)k=(1b)(b2a)b(2b)(1+ab2,b2a+1)k4k(1,32,2b2,b2+1)k
となるから, 定理を得る.

上の等式は, 微分方程式を用いることによってより見通しの良い証明を得ることもできる.

xxaとして, aとすると以下の系を得る.

0F1[b;x]0F1[2b;x]=0F3[12,b+12,3b2;x24]+2(1b)b(2b)x0F3[32,1+b2,2b2;x24]

収束半径が0の級数

以下の定理に現れる級数は収束半径が0であるが, 形式的べき級数の間の等式として成立する.

Bailey(1928)

2F0[a,b;x]2F0[a,b;x]=4F1[a,b,a+b2,a+b+12a+b;4x2]

左辺は奇数次の項がないので,
2F0[a,b;x]2F0[a,b;x]=0nx2nk=02n(a,b)kk!(a,b)2nk(2nk)!(1)k=0n(a,b)2n(2n)!x2n3F2[2n,a,b12na,12nb;1]
ここで, Dixonの恒等式より,
3F2[2n,a,b12na,12nb;1]=(1)nΓ(12na)Γ(12nb)Γ(1nab)Γ(1na)Γ(1nb)Γ(12nab)(2n)!n!=(a,b)n(a+b,1)2n(a,b)2n(a+b,1)n
であるから, これを代入して定理を得る.

Bailey(1928)

2F0[a,1a;x]2F0[b,1b;x]=4F1[1+ab2,1a+b2,a+b2,2ab212;4x2](ab)(a+b1)x4F1[2+ab2,2a+b2,a+b+12,3ab232;4x2]

2F0[a,1a;x]2F0[b,1b;x]=0n(x)nk=0n(a,1a)kk!(b,1b)nk(nk)!(1)k=0n(b,1b)nn!(x)n3F2[a,1a,n1nb,bn;1]
ここで, Whippleの和公式 より,
3F2[a,1a,n1nb,bn;1]=22n+1πΓ(1nb)Γ(bn)Γ(1nb+a2)Γ(bn+a2)Γ(2nba2)Γ(1+bna2)
である. n=2kのとき,
22n+1πΓ(1nb)Γ(bn)Γ(1nb+a2)Γ(bn+a2)Γ(2nba2)Γ(1+bna2)=24k+1πΓ(12kb)Γ(b2k)Γ(1b+a2k)Γ(b+a2k)Γ(2ba2k)Γ(1+ba2k)=24k+1πΓ(1b)Γ(b)Γ(1b+a2)Γ(b+a2)Γ(2ba2)Γ(1+ba2)(1b,b)2k(1b+a2,b+a2,2ba2,1+ba2)k=24k(1b+a2,b+a2,2ba2,1+ba2)k(1b,b)2k
n=2k+1のとき,
22n+1πΓ(1nb)Γ(bn)Γ(1nb+a2)Γ(bn+a2)Γ(2nba2)Γ(1+bna2)=24k+3πΓ(2kb)Γ(b2k1)Γ(b+a2k)Γ(b+a12k)Γ(1ba2k)Γ(ba2k)=(a+b+1)(ab)24k+1πΓ(1b)Γ(b)Γ(2b+a2)Γ(b+a+12)Γ(1ba2)Γ(ba2)(2a+b2,3ab2,1+a+b2,2+ab2)k(1b,b)2k+1=(a+b+1)(ab)24k(2a+b2,3ab2,1+a+b2,2+ab2)k(1b,b)2k+1
となるので, これらを代入して定理を得る.

参考文献

[1]
W. N. Bailey, Products of Generalized Hypergeometric Series, Proc. London Math. Soc. (2), 1928, 242-254
投稿日:4月7日
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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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