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現代数学解説
文献あり

q超幾何級数によるJacobiの六平方和定理, 八平方和定理の証明

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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.

Jacobiの六平方和定理

(nZqn2)6=1+160<nn2qn1+q2n40n(1)n(2n+1)2q2n+11q2n+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=nZ1aq2n1a(1;q)n3(aq;q)n3a2nq(n+12)=1+0<n1aq2n1a(1;q)n3(aq;q)n3a2nq(n+12)+0<n1aq2n1a(1;q)n3(aq;q)n3a2nq(1n2)=1+0<nq(n+12)1a((1aq2n)a2n(1;q)n3(aq;q)n3+(q2na)an(1/a;q)n3(q;q)n3)
ここで, a1とすると,
dda((1aq2n)a2n(1;q)n3(aq;q)n3+(q2na)an(1/a;q)n3(q;q)n3)|a=1=(2n(2n+1)q2n+nq2n(n+1))(1;q)n3(q;q)n33(1q2n)(1;q)n3(q;q)n3k=1nqk1+qk+3(1q2n)(1;q)n3(q;q)n3k=0n1qk1+qk=8(n1(n+1)q2n)(1+qn)3+12(1q2n)(1+qn)3(12qn1+qn)=8(n1(n+1)q2n)+12(1qn)2(1+qn)3=4(2n+16qn(2n1)q2n)(1+qn)3
であるから,
((q;q)(q;q))6=1+40<nq(n+12)(1+qn)3(6qn+(2n1)q2n(2n+1))
を得る. ここで,
0<nq(n+12)(1+qn)3(6qn+(2n1)q2n(2n+1))=0<n0k(1)k1q(n+12)+nk(6(k+12)(2n1)(k2)+(2n+1)(k+22))=0<n0k(1)k1qn(n+2k+1)2((n+2k+1)2n2)
ここで, nの偶奇で分けることによって,
0<n0k(1)k1qn(n+2k+1)2((n+2k+1)2n2)=0<n0k(1)k1qn(2n+2k+1)((2n+2k+1)2(2n)2)+0<n0k(1)k1q(2n1)(n+k)((2n+2k)2(2n1)2)=0<nk(1)n+k1qn(2k+1)((2k+1)2(2n)2)+0<nk(1)n+k1q(2n1)k((2k)2(2n1)2)=0<nk(1)n+k1qn(2k+1)((2k+1)2(2n)2)+0k<n(1)n+k1qn(2k+1)((2k+1)2(2n)2),(nk+1,kn)=0<n,0k(1)n+k1qn(2k+1)((2k+1)2(2n)2)=0<n,0k(1)n+k1qn(2k+1)(2k+1)20<n,0k(1)n+k1qn(2k+1)(2n)2=0k(1)k(2k+1)2q2k+11+q2k+1+0<n(1)n(2n)2qn1+q2n
よって,
(nZqn2)6=((q;q)(q;q))6=1+160<nn2qn1+q2n40n(1)n(2n+1)2q2n+11q2n+1
を得る.

rk(n):=|{(n1,,nk)Zk;n=n12++nk2}|として, Dirichlet指標χ
χ(n):={0,(n:even)(1)n12,(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)=16d|nd2χ(nd)4d|nd2χ(d)
を得る.

八平方和定理も同様の方針で証明できる.

Jacobiの八平方和定理

(nZqn2)8=1+160<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=nZ1aq2n1a(1;q)n4(aq;q)n4(a2q)n=1+0<n1aq2n1a(1;q)n4(aq;q)n4(a2q)n+0<n1aq2n1a(1;q)n4(aq;q)n4(a2q)n=1+0<na2nqn1a((1aq2n)(1;q)n4(aq;q)n4+(q2na)(1/a;q)n4(q;q)n4)
ここで, a1とすると,
dda((1aq2n)(1;q)n4(aq;q)n4+(q2na)(1/a;q)n4(q;q)n4)|a=1=(1+q2n)(1;q)n4(q;q)n44(1;q)n4(q;q)n4(1q2n)(k=1nqk1+qkk=0n1qk1+qk)=16(1+qn)4(1q2n+2(1qn)2)=16(14qn+q2n)(1+qn)4
より,
((q;q)(q;q))8=1+160<nqn(14qn+q2n)(1+qn)4
を得る. ここで,
0<nqn(14qn+q2n)(1+qn)4=0<n,k(1)k(4(k+13)+(k3)+(k+23))qnk=0<n,k(1)kk3qnk=0<k(1)kk3qk1qk
となる. よって,
(nZqn2)8=((q;q)(q;q))8=1+16n=1n3qn1(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)=16d|n(1)n+dd3
を得る.

参考文献

[1]
Wenchang Chu, Leontina Di Claudio, Classical Partition Identities and Basic Hypergeometric Series, 2004
投稿日:223
更新日:223
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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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