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現代数学解説
文献あり

WarnaarによるJacobiの三重積の一般化

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$$\newcommand{bk}[0]{\boldsymbol{k}} \newcommand{bl}[0]{\boldsymbol{l}} \newcommand{BQ}[5]{{}_{#1}\psi_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{calA}[0]{\mathcal{A}} \newcommand{calS}[0]{\mathcal{S}} \newcommand{CC}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{F}[5]{{}_{#1}F_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{inv}[0]{\mathrm{inv}} \newcommand{maj}[0]{\mathrm{maj}} \newcommand{ol}[0]{\overline} \newcommand{Q}[5]{{}_{#1}\phi_{#2}\left[\begin{matrix}#3\\#4\end{matrix};#5\right]} \newcommand{QQ}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{ZZ}[0]{\mathbb{Z}} $$

Jacobiの三重積は
\begin{align} \sum_{n\in\ZZ}(-1)^nq^{\frac{n(n-1)}2}a^n&=(a,q/a,q;q)_{\infty} \end{align}
によって与えられる公式である. 2003年にWarnaarによって以下の美しい一般化が得られている.

Warnaar(2003)

\begin{align} 1+\sum_{0< n}(-1)^nq^{\frac{n(n-1)}2}(a^n+b^n)&=(a,b,q;q)_{\infty}\sum_{0\leq n}\frac{(ab/q;q)_{2n}}{(a,b,ab,q;q)_n}q^n \end{align}
が成り立つ.

$b=q/a$とすれば, Jacobiの三重積が得られることが分かる.

示すべき等式は
\begin{align} \sum_{0\leq n}\frac{(aq^n,bq^n;q)_{\infty}(abq^{n-1};q)_n}{(1-abq^{n-1})(q;q)_n}q^n&=\frac 1{\left(1-\frac{ab}q\right)(q;q)_{\infty}}\left(1+\sum_{0< n}(-1)^nq^{\binom n2}(a^n+b^n)\right) \end{align}
と書き換えられる. 右辺を$q$二項定理, 等比級数で展開すると,
\begin{align} &\sum_{0\leq n}\frac{(aq^n,bq^n;q)_{\infty}(abq^{n-1};q)_n}{(1-abq^{n-1})(q;q)_n}q^n\\ &=\sum_{0\leq n}\frac{q^n}{(q;q)_n}\sum_{0\leq i,j,k,l}\frac{(-aq^n)^iq^{\binom i2}}{(q;q)_i}\frac{(-bq^n)^jq^{\binom j2}}{(q;q)_j}\frac{(q;q)_n}{(q;q)_k(q;q)_{n-k}}q^{\binom k2}(-abq^{n-1})^k(abq^{n-1})^l\\ &=\sum_{0\leq n,i,j,k,l}\frac{(-1)^{i+j+k}a^{i+k+l}b^{j+k+l}q^{\binom i2+\binom j2+\binom k2+n(i+j+k+l+1)-k-l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_k(q;q)_{n-k}}\\ &=\sum_{0\leq n,i,j,k,l}\frac{(-1)^{i+j+k}a^{i+k+l}b^{j+k+l}q^{\binom i2+\binom j2+\binom k2+(n+k)(i+j+k+l+1)-k-l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_k(q;q)_n}\\ &=\sum_{0\leq i,j,k,l}\frac{(-1)^{i+j+k}a^{i+k+l}b^{j+k+l}q^{\binom i2+\binom j2+\binom k2+k(i+j+k+l+1)-k-l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_k}\sum_{0\leq n}\frac{q^{n(i+j+k+l+1)}}{(q;q)_n}\\ &=\sum_{0\leq i,j,k,l}\frac{(-1)^{i+j+k}a^{i+k+l}b^{j+k+l}q^{\binom i2+\binom j2+\binom k2+k(i+j+k+l+1)-k-l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_k}\frac 1{(q^{i+j+k+l+1};q)_{\infty}}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j,k,l}\frac{(-1)^{i+j+k}a^{i+k+l}b^{j+k+l}q^{\binom i2+\binom j2+\binom k2+k(i+j+k+l+1)-k-l}(q;q)_{i+j+k+l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_k}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j,k,l}\frac{(-1)^{i+j-k}a^{i+l}b^{j+l}q^{\binom{i-k}2+\binom{j-k}2+\binom k2+k(i+j-k+l+1)-k-l}(q;q)_{i+j+l-k}}{(q;q)_{i-k}(q;q)_{j-k}(q;q)_k}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j,l}(-1)^{i+j}a^{i+l}b^{j+l}q^{\binom{i}2+\binom{j}2-l}\sum_{0\leq k}\frac{(-1)^kq^{\binom{k+1}2+kl}(q;q)_{i+j+l-k}}{(q;q)_{i-k}(q;q)_{j-k}(q;q)_k} \end{align}
ここで, $q$-Vandermondeの恒等式 より,
\begin{align} &\sum_{0\leq k}\frac{(-1)^kq^{\binom{k+1}2+kl}(q;q)_{i+j+l-k}}{(q;q)_{i-k}(q;q)_{j-k}(q;q)_k}\\ &=\frac{(q;q)_{i+j+l}}{(q;q)_i(q;q)_j}\Q21{q^{-i},q^{-j}}{q^{-i-j-l}}{q}\\ &=\frac{(q;q)_{i+j+l}}{(q;q)_i(q;q)_j}\frac{(q^{-i-l};q)_i}{(q^{-i-j-l};q)_i}q^{-ij}\\ &=\frac{(q;q)_{i+j+l}}{(q;q)_i(q;q)_j}\frac{(q^{l+1};q)_i}{(q^{j+l+1};q)_i}\\ &=\frac{(q;q)_{i+l}(q;q)_{j+l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_l} \end{align}
であるから, これを代入して,
\begin{align} &\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j,l}(-1)^{i+j}a^{i+l}b^{j+l}q^{\binom{i}2+\binom{j}2-l}\sum_{0\leq k}\frac{(-1)^kq^{\binom{k+1}2+kl}(q;q)_{i+j+l-k}}{(q;q)_{i-k}(q;q)_{j-k}(q;q)_k}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j,l}(-1)^{i+j}a^{i+l}b^{j+l}q^{\binom{i}2+\binom{j}2-l}\frac{(q;q)_{i+l}(q;q)_{j+l}}{(q;q)_i(q;q)_j(q;q)_l}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j,l}(-1)^{i+j}a^{i}b^{j}q^{\binom{i-l}2+\binom{j-l}2-l}\frac{(q;q)_{i}(q;q)_{j}}{(q;q)_{i-l}(q;q)_{j-l}(q;q)_l}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j}(-1)^{i+j}a^{i}b^{j}q^{\binom{i}2+\binom{j}2}(q;q)_{i}(q;q)_{j}\sum_{0\leq l}\frac{q^{l(l-i-j)}}{(q;q)_{i-l}(q;q)_{j-l}(q;q)_l} \end{align}
ここで, 再び $q$-Vandermondeの恒等式 より,
\begin{align} &\sum_{0\leq l}\frac{q^{l(l-i-j)}}{(q;q)_{i-l}(q;q)_{j-l}(q;q)_l}\\ &=\frac 1{(q;q)_i(q;q)_j}\Q21{q^{-i},q^{-j}}{0}{q}\\ &=\frac 1{(q;q)_i(q;q)_j}q^{-ij} \end{align}
であるから, これを代入して,
\begin{align} &\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j}(-1)^{i+j}a^{i}b^{j}q^{\binom{i}2+\binom{j}2}(q;q)_{i}(q;q)_{j}\sum_{0\leq l}\frac{q^{l(l-i-j)}}{(q;q)_{i-l}(q;q)_{j-l}(q;q)_l}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{0\leq i,j}(-1)^{i+j}a^{i}b^{j}q^{\binom{i}2+\binom{j}2-ij}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{\substack{0\leq j\\-j\leq i}}(-1)^{i}a^{i+j}b^{j}q^{\binom{i+j}2+\binom{j}2-ij-j^2}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{\substack{0\leq j\\ -j\leq i}}(-1)^{i}a^{i+j}b^{j}q^{\binom{i}2-j}\\ &=\frac 1{(q;q)_{\infty}}\sum_{\substack{i\in\ZZ\\\mathrm{max}\{0,-i\}\leq j}}(-1)^{i}a^{i+j}b^{j}q^{\binom{i}2-j}\\ &=\frac 1{\left(1-\frac{ab}{q}\right)(q;q)_{\infty}}\sum_{\substack{i\in\ZZ}}(-1)^{i}a^{i}(ab/q)^{\mathrm{max}\{0,-i\}}q^{\binom{i}2}\\ &=\frac 1{\left(1-\frac{ab}{q}\right)(q;q)_{\infty}}\left(1+\sum_{0< n}(-a)^nq^{\binom n2}+\sum_{n<0}(-1)^nb^{-n}q^{\binom{n+1}2}\right)\\ &=\frac 1{\left(1-\frac{ab}{q}\right)(q;q)_{\infty}}\left(1+\sum_{0< n}(-a)^nq^{\binom n2}+\sum_{0< n}(-1)^nb^{n}q^{\binom{n}2}\right) \end{align}
となって示すべき等式が得られた.

$b=-a$とした後, $a\mapsto \sqrt{aq}$として, 以下の系を得る.

\begin{align} 1+2\sum_{0< n}a^nq^{2n^2}&=(q;q)_{\infty}(aq;q^2)_{\infty}\sum_{0\leq n}\frac{(-a;q)_{2n}q^n}{(q,-aq;q)_n(aq;q^2)_n} \end{align}

参考文献

[1]
S. Ole Warnaar, Partial theta functions. I. Beyond the lost notebook., Proc. London Math. Soc. (3), 2003, 363-395
投稿日:202554
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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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