前の記事 でnon-terminating Watsonの変換公式に直接的な証明な証明を与えた. 今回は同じようにHeineの和公式とnon-terminating $q$-Vandermondeの恒等式を用いることによってnon-terminating $q$-Saalschützの和公式に直接的な証明を与えようと思う.
$abcq=de$であるとき,
\begin{align}
\Q32{a,b,c}{d,e}q&=\frac{(q/d,e/a,e/b,e/c;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d,cq/d,e;q)_{\infty}}\\
&\qquad-\frac{(q/d,a,b,c,eq/d;q)_{\infty}}{(d/q,aq/d,bq/d,cq/d,e;q)_{\infty}}\Q32{aq/d,bq/d,cq/d}{q^2/d,eq/d}q
\end{align}
$q$-Vandermondeの恒等式
より,
\begin{align}
&\Q32{a,b,c}{d,e}q\\
&=\sum_{0\leq n}\frac{(a,b;q)_n}{(d,q;q)_n}q^n\sum_{0\leq k}\frac{(e/c,q^{-n};q)_k}{(e,q;q)_k}\left(cq^n\right)^k\\
&=\sum_{0\leq k}\frac{(e/c;q)_k}{(e,q;q)_k}\left(-c\right)^kq^{\binom k2}\sum_{0\leq n}\frac{(a,b;q)_n}{(d;q)_n(q;q)_{n-k}}q^n\\
&=\sum_{0\leq k}\frac{(a,b,e/c;q)_k}{(d,e,q;q)_k}\left(-cq\right)^kq^{\binom k2}\Q21{aq^k,bq^k}{dq^k}q
\end{align}
ここで,
non-terminating $q$-Vandermondeの恒等式
より
\begin{align}
\Q21{aq^k,bq^k}{dq^k}q&=\frac{(q^{1-k}/d,abq^{k+1}/d;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d;q)_{\infty}}-\frac{(q^{1-k}/d,aq^k,bq^k;q)_{\infty}}{(dq^{k-1},aq/d,bq/d;q)_{\infty}}\Q21{aq/d,bq/d}{q^{2-k}/d}q\\
&=\frac{(q/d,abq/d;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d;q)_{\infty}}(-d)^{-k}q^{-\binom k2}\frac{(d;q)_k}{(abq/d;q)_k}\\
&\qquad-\frac{(q/d,a,b;q)_{\infty}}{(d/q,aq/d,bq/d;q)_{\infty}}(-d)^{-k}q^{-\binom k2}\frac{(d,d/q;q)_k}{(a,b;q)_k}\Q21{aq/d,bq/d}{q^{2-k}/d}q
\end{align}
であるから, これを代入して,
\begin{align}
&\sum_{0\leq k}\frac{(a,b,e/c;q)_k}{(d,e,q;q)_k}\left(-cq\right)^kq^{\binom k2}\Q21{aq^k,bq^k}{dq^k}q\\
&=\sum_{0\leq k}\frac{(a,b,e/c;q)_k}{(d,e,q;q)_k}\left(-cq\right)^kq^{\binom k2}\frac{(q/d,abq/d;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d;q)_{\infty}}(-d)^{-k}q^{-\binom k2}\frac{(d;q)_k}{(abq/d;q)_k}\\
&\qquad-\sum_{0\leq k}\frac{(a,b,e/c;q)_k}{(d,e,q;q)_k}\left(-cq\right)^kq^{\binom k2}\frac{(q/d,a,b;q)_{\infty}}{(d/q,aq/d,bq/d;q)_{\infty}}\\
&\qquad\cdot(-d)^{-k}q^{-\binom k2}\frac{(d,d/q;q)_k}{(a,b;q)_k}\Q21{aq/d,bq/d}{q^{2-k}/d}q\\
&=\frac{(q/d,abq/d;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d;q)_{\infty}}\Q21{a,b}e{\frac{cq}d}\\
&\qquad-\frac{(q/d,a,b;q)_{\infty}}{(d/q,aq/d,bq/d;q)_{\infty}}\sum_{0\leq k}\frac{(e/c,d/q;q)_k}{(e,q;q)_k}\left(\frac{cq}d\right)^k\Q21{aq/d,bq/d}{q^{2-k}/d}q
\end{align}
ここで, 第一項は
Heineの和公式
より,
\begin{align}
\frac{(q/d,abq/d;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d;q)_{\infty}}\Q21{a,b}e{\frac{cq}d}=\frac{(q/d,e/a,e/b,e/c;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d,cq/d,e;q)_{\infty}}
\end{align}
であり, 第二項もHeineの和公式より,
\begin{align}
&\sum_{0\leq k}\frac{(e/c,d/q;q)_k}{(e,q;q)_k}\left(\frac{cq}d\right)^k\Q21{aq/d,bq/d}{q^{2-k}/d}q\\
&=\sum_{0\leq k}\frac{(e/c,d/q;q)_k}{(e,q;q)_k}\left(\frac{cq}d\right)^k\sum_{0\leq j}\frac{(aq/d,bq/d;q)_j}{(q^{2-k}/d,q;q)_j}q^j\\
&=\sum_{0\leq j}\frac{(aq/d,bq/d;q)_j}{(q^2/d,q;q)_j}q^j\sum_{0\leq k}\frac{(e/c,dq^{-j-1};q)_k}{(e,q;q)_k}\left(\frac{cq^{j+1}}d\right)^k\\
&=\sum_{0\leq j}\frac{(aq/d,bq/d;q)_j}{(q^2/d,q;q)_j}q^j\frac{(c,eq^{j+1}/d;q)_{\infty}}{(e,cq^{j+1}/d;q)_{\infty}}\\
&=\frac{(c,eq/d;q)_{\infty}}{(cq/d,e;q)_{\infty}}\Q32{aq/d,bq/d,cq/d}{q^2/d,eq/d}q
\end{align}
であるから, これを代入すれば,
\begin{align}
\Q32{a,b,c}{d,e}q&=\frac{(q/d,e/a,e/b,e/c;q)_{\infty}}{(aq/d,bq/d,cq/d,e;q)_{\infty}}\\
&\qquad-\frac{(q/d,a,b,c,eq/d;q)_{\infty}}{(d/q,aq/d,bq/d,cq/d,e;q)_{\infty}}\Q32{aq/d,bq/d,cq/d}{q^2/d,eq/d}q
\end{align}
となって示すべき等式を得る.
前回の記事 はnon-terminating $q$-Saalschützの和公式+Rogersの和公式→non-terminating Watsonの変換公式を導くというものだったが, 今回の記事はnon-terminating $q$-Vandermondeの恒等式+Heineの和公式→non-terminating $q$-Saalschützの和公式を導くというものである. これらの証明を考えている動機は, 超幾何級数の和公式, 変換公式をより高位の超幾何級数の和公式, 変換公式の極限として導出することを避けることと, このような直接的な証明の手法を他の変換公式を導くことに応用することである.