前の記事 で, Jacobiの二平方和定理, 四平方和定理をq超幾何級数を用いて証明したが, 今回は六平方和定理, 八平方和定理をq超幾何級数(と初等的な級数変形)を用いて示す.
(∑n∈Zqn2)6=1+16∑0<nn2qn1+q2n−4∑0≤n(−1)n(2n+1)2q2n+11−q2n+1
Baileyの6ψ6和公式 6ψ6[aq,−aq,b,c,d,ea,−a,aq/b,aq/c,aq/d,aq/e;a2qbcde]=(aq,aq/bc,aq/bd,aq/be,aq/cd,aq/ce,aq/de,q,q/a;q)∞(aq/b,aq/c,aq/d,aq/e,q/b,q/c,q/d,q/e,a2q/bcde;q)∞において, b=c=d=−1,e↦∞とすると,(q,q/a;q)∞(aq;q)∞4(−q,−aq;q)∞3=∑n∈Z1−aq2n1−a(−1;q)n3(−aq;q)n3a2nq(n+12)=1+∑0<n1−aq2n1−a(−1;q)n3(−aq;q)n3a2nq(n+12)+∑0<n1−aq−2n1−a(−1;q)−n3(−aq;q)−n3a−2nq(1−n2)=1+∑0<nq(n+12)1−a((1−aq2n)a2n(−1;q)n3(−aq;q)n3+(q2n−a)an(−1/a;q)n3(−q;q)n3)ここで, a→1とすると,dda((1−aq2n)a2n(−1;q)n3(−aq;q)n3+(q2n−a)an(−1/a;q)n3(−q;q)n3)|a=1=(2n−(2n+1)q2n+nq2n−(n+1))(−1;q)n3(−q;q)n3−3(1−q2n)(−1;q)n3(−q;q)n3∑k=1nqk1+qk+3(1−q2n)(−1;q)n3(−q;q)n3∑k=0n−1qk1+qk=8(n−1−(n+1)q2n)(1+qn)3+12(1−q2n)(1+qn)3(1−2qn1+qn)=8(n−1−(n+1)q2n)+12(1−qn)2(1+qn)3=4(2n+1−6qn−(2n−1)q2n)(1+qn)3であるから,((q;q)∞(−q;q)∞)6=1+4∑0<nq(n+12)(1+qn)3(6qn+(2n−1)q2n−(2n+1))を得る. ここで,∑0<nq(n+12)(1+qn)3(6qn+(2n−1)q2n−(2n+1))=∑0<n∑0≤k(−1)k−1q(n+12)+nk(6(k+12)−(2n−1)(k2)+(2n+1)(k+22))=∑0<n∑0≤k(−1)k−1qn(n+2k+1)2((n+2k+1)2−n2)ここで, nの偶奇で分けることによって,∑0<n∑0≤k(−1)k−1qn(n+2k+1)2((n+2k+1)2−n2)=∑0<n∑0≤k(−1)k−1qn(2n+2k+1)((2n+2k+1)2−(2n)2)+∑0<n∑0≤k(−1)k−1q(2n−1)(n+k)((2n+2k)2−(2n−1)2)=∑0<n≤k(−1)n+k−1qn(2k+1)((2k+1)2−(2n)2)+∑0<n≤k(−1)n+k−1q(2n−1)k((2k)2−(2n−1)2)=∑0<n≤k(−1)n+k−1qn(2k+1)((2k+1)2−(2n)2)+∑0≤k<n(−1)n+k−1qn(2k+1)((2k+1)2−(2n)2),(n↦k+1,k↦n)=∑0<n,0≤k(−1)n+k−1qn(2k+1)((2k+1)2−(2n)2)=∑0<n,0≤k(−1)n+k−1qn(2k+1)(2k+1)2−∑0<n,0≤k(−1)n+k−1qn(2k+1)(2n)2=∑0≤k(−1)k(2k+1)2q2k+11+q2k+1+∑0<n(−1)n(2n)2qn1+q2nよって,(∑n∈Zqn2)6=((−q;−q)∞(q;−q)∞)6=1+16∑0<nn2qn1+q2n−4∑0≤n(−1)n(2n+1)2q2n+11−q2n+1を得る.
rk(n):=|{(n1,…,nk)∈Zk;n=n12+⋯+nk2}|として, Dirichlet指標χをχ(n):={0,(n:even)(−1)n−12,(n:odd)とすると, 定理1の両辺の係数を比較することによって, 0<nに対して,r6(n)=16∑d|nd2χ(nd)−4∑d|nd2χ(d)を得る.
八平方和定理も同様の方針で証明できる.
(∑n∈Zqn2)8=1+16∑0<nn3qn1−(−q)n
Baileyの6ψ6和公式 6ψ6[aq,−aq,b,c,d,ea,−a,aq/b,aq/c,aq/d,aq/e;a2qbcde]=(aq,aq/bc,aq/bd,aq/be,aq/cd,aq/ce,aq/de,q,q/a;q)∞(aq/b,aq/c,aq/d,aq/e,q/b,q/c,q/d,q/e,a2q/bcde;q)∞において, b=c=d=e=−1とすると,(q,q/a;q)∞(aq;q)∞7(a2q;q)∞(−q,−aq;q)∞8=∑n∈Z1−aq2n1−a(−1;q)n4(−aq;q)n4(a2q)n=1+∑0<n1−aq2n1−a(−1;q)n4(−aq;q)n4(a2q)n+∑0<n1−aq−2n1−a(−1;q)−n4(−aq;q)−n4(a2q)−n=1+∑0<na2nqn1−a((1−aq2n)(−1;q)n4(−aq;q)n4+(q2n−a)(−1/a;q)n4(−q;q)n4)ここで, a→1とすると,dda((1−aq2n)(−1;q)n4(−aq;q)n4+(q2n−a)(−1/a;q)n4(−q;q)n4)|a=1=−(1+q2n)(−1;q)n4(−q;q)n4−4(−1;q)n4(−q;q)n4(1−q2n)(∑k=1nqk1+qk−∑k=0n−1qk1+qk)=16(1+qn)4(−1−q2n+2(1−qn)2)=16(1−4qn+q2n)(1+qn)4より,((q;q)∞(−q;q)∞)8=1+16∑0<nqn(1−4qn+q2n)(1+qn)4を得る. ここで,∑0<nqn(1−4qn+q2n)(1+qn)4=∑0<n,k(−1)k(4(k+13)+(k3)+(k+23))qnk=∑0<n,k(−1)kk3qnk=∑0<k(−1)kk3qk1−qkとなる. よって,(∑n∈Zqn2)8=((−q;−q)∞(q;−q)∞)8=1+16∑n=1∞n3qn1−(−q)nを得る.
定理2の係数を比較することによって, 0<nに対し,r8(n)=16∑d|n(−1)n+dd3を得る.
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