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現代数学解説
文献あり

Cayley-Orrの定理

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Clausenの公式の一般化として, 以下のような定理が知られている.

Cayley-Orrの定理

2F1[a,bc+12;x]2F1[ca,cbc+12;x]=0n(c)n(c+12)nxnk=0n(2a,2b)kk!(2c)k(cab)nk(nk)!

係数を考えると, これは
3F2[2a,2b,n2c,1n+a+bc;1]=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,12cn,nc+12,1n+ac,1n+bc;1]
と同値であること分かる.

c=a+bとするとClausenの公式を得る.

2F1[2a,2ba+b+12;x]2=3F2[2a,2b,a+b2a+2b,a+b+12;x]

次に, 定理1の類似として以下の2つの式が知られている.

Orrの定理

2F1[a,bc;x]2F1[ca+12,cb+12c+1;x]=0n(c+12)n(c+1)nxnk=0n(2a,2b)kk!(2c)k(c+12ab)nk(nk)!2F1[a,bc;x]2F1[ca+12,cb12c;x]=0n(c12)n(c)nxnk=0n(2a1,2b)kk!(2c1)k(c+12ab)nk(nk)!

証明の前に補題を示しておく.

3F2[a,b,ne,f;1]=(ea,fa)n(e,f)n3F2[1+a+befn,a,n1n+ae,1n+af;1]

Whippleの4F3変換公式
4F3[a,b,c,nd,e,f;1]=(ea,fa)n(e,f)n4F3[a,db,dc,nd,1n+ae,1n+af;1](1+a+b+c=d+e+f+n)
において, c,d以外を固定してcとすると,
3F2[a,b,ne,f;1]=(ea,fa)n(e,f)n4F3[a,1+a+befn,n1n+ae,1n+af;1]
となって示される.

3F2[a,b,n1+ab,w;1]=(wa)n(w)n4F3[1+a2b,1+aw,a2,n1+ab,1n+aw2,2n+aw2;1]

Whippleによる Nearly-poised4F3の変換公式
4F3[a,b,c,n1+ab,1+ac,w;1]=(wa)n(w)n5F4[1+abc,1+aw,a2,a+12,n1+ab,1+ac,1n+aw2,2n+aw2;1]
において, c=a+12とすればよい.

定理1, 定理2の証明

係数を考えるとこれらはそれぞれ
3F2[2a,2b,n2c,12n+a+bc;1]=(c+12a,c+12b)n(c+12,c+12ab)n4F3[a,b,nc,nc,12n+ac,12n+bc;1]3F2[2a1,2b,n2c1,12n+a+bc;1]=(c+12a,c12b)n(c12,c+12ab)n4F3[a,b,1nc,nc,12n+ac,32n+bc;1]
と同値であることが分かる. この2つの関係式は1+a+b+c=d+e+f+nの場合の Whippleの変換公式
4F3[a,b,c,nd,e,f;1]=(ea,fa)n(e,f)n4F3[a,db,dc,nd,1n+ae,1n+af;1]
の特別な場合として,
4F3[a,b,nc,nc,12n+ac,12n+bc;1]=(c+12,cb)n(c,c+12b)n4F3[a+12,b,12nc,nc+12,12n+ac,1n+bc;1]
が成り立つことから同値であることが分かる. 次に, 定理2はそれぞれ,
3F2[2a,2b,n2c1,1n+a+bc;1]=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a,b,12nc,nc12,1n+ac,1n+bc;1]3F2[2a+1,2b,n2c,1n+a+bc;1]=(ca,cb)n(c,cab)n4F3[a+1,b,1nc,nc+12,1n+ac,1n+bc;1]
と書き直せるので, 1つ目の式を2c12c2a1倍, 2つ目の式を2a2a2c+1倍して足し合わせると,
(a)k(c+12)k=2c12c2a1(a)k(c12)k+2a2a2c+1(a+1)k(c+12)k(2a)k(2c)k=2c12c2a1(2a)k(2c1)k+2a2a2c+1(2a+1)k(2c)k
であることから定理1が得られる. よって定理2の1つ目の式を示せば全ての式が示せることが分かった. つまり, 以下を示せば良い.
3F2[2a,2b,n2c,12n+a+bc;1]=(c+12a,c+12b)n(c+12,c+12ab)n4F3[a,b,nc,nc,12n+ac,12n+bc;1]
まず, 補題3より,
3F2[2a,2b,n2c,12n+a+bc;1]=(c+12+ab,2c2a)n(2c,c+12ab)n3F2[2a,12+a+bc,n12+ab+c,1n+2a2c;1]
が成り立つ. 次に, 補題4より,
3F2[2a,12+a+bc,n12+ab+c,1n+2a2c;1]=(2c)n(2c2a)n4F3[a,cb,2c+n,nc,c+12,12+ab+c;1]
が成り立つ. 最後に, Whippleの変換公式 より,
4F3[a,cb,2c+n,nc,c+12,12+ab+c;1]=(ca+12,cb+12)n(c+12+ab,c+12)n4F3[a,b,cn,nc,12n+ac,12n+bc;1]
であるから, これらを合わせて示すべき等式が得られる.

系として以下のような式が得られる.

2F1[a,ba+b12;x]2F1[a,ba+b+12;x]=3F2[2a,2b,a+b2a+2b1,a+b+12;x]2F1[a,ba+b12;x]2F1[a,b1a+b12;x]=3F2[2a,2b,a+b12a+2b2,a+b12;x]

参考文献

[1]
L. J. Slater, Generalized hypergeometric functions, Cambridge University Press, 1966
投稿日:318
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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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