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大学数学基礎解説
文献あり

3変数付き多重級数の巡回和公式の発見について

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はじめに

どうも, 色数です.
12/5 に出した論文  https://arxiv.org/pdf/2412.04089  の僕が先生に送った下書きのようなものとちょっとした解説を公開いたします.

多重ゼータ値とは

簡単に多重ゼータ値について紹介いたします.
多重ゼータ値は Riemann のゼータ関数の一つの一般化として知られています.
まず, Riemann のゼータ関数がどのようなものか?

Riemann のゼータ関数は 1644年に提起された「平方数の逆数全ての和は収束するか?仮に収束するとしてそれは幾らの数値に収束するか?」という問い (1735年に Euler により解決) を一般化したものです.

Riemann のゼータ関数

Riemann のゼータ関数は, 実部が 1 より大きい複素数 s に対し,
次のように定義される.
ζ(s):=n=11ns.

その後, Riemann のゼータ関数は様々な方法で拡張されてきました.
そのうちの一つの方法として次に述べる「多重ゼータ値」が導入され, 近年急速に発展していっています.

多重ゼータ値は次のように定義されます.

多重ゼータ値 (Multiple zeta value)

r を正整数とする.
r 個の正整数の組 (k1,,kr) をインデックスと呼び, 特に kr>1 であるとき, 多重ゼータ値は次のように定義される.
ζ(k1,,kr):=0<n1<<nr1n1k1nrkr.

このような多重化をすることにより多重ゼータ値には関係式族と呼ばれる多種多様な関係式が発見されていきました.
最も有名で, 魅力的な関係式の一つとして次の「双対性」を紹介しておきます.

双対性 (Duality)

k=({1}a11,b1+1,,{1}ar1,br+1)
k=({1}br1,ar+1,,{1}b11,a1+1)としたとき,
ζ(k)=ζ(k)
が成り立つ.

具体例として k=(3)とすると, k=(1,2) となるため ζ(3)=ζ(1,2) が成り立つことがわかります.
証明は 余余余さんの記事 NKSさんの記事 を参照してください.

巡回和公式

多重ゼータ値の関係式には上の双対性以外にも次の巡回和公式が知られています.

巡回和公式 (Cyclic sum formula)

kα0ika2ζ(i+1,k1,,ka1,kai)=kαζ(k1,,ka1,ka+1).

長くなってしまうので詳しくは NKSさんの記事 を参照してください.
この公式にパラメータを付けるというのが本研究の大まかな内容です.
具体的には Igarashi.M によって
Z(k;α):=0m1<<mn(α)m1m1!mn!(α)mni=1n1(mi+α)ki
という形の多重級数においても巡回和公式が成り立つことが2011年に証明されました.
さらには α,βという2つのパラメータが付いている多重級数においても成り立つことが2020年に証明されました.
その 論文 において α,β,γ という3つのパラメータがついた場合はどうなるのか?といった問題が提起されました.
今回出した論文はその問題に対する一つのアンサーを与えました.

主結果とその導出

ZI(k;α,β,γ):=0m1md(α)m1(β)m1(γ)m1m1!(γ)mdmd!(α)md(β)md1(m1+γ)k1i=2d1(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2
ZII(k;α,β,γ):=0m1md(α)m1(β)m1(γ)m1m1!(γ)mdmd!(α)md(β)mdi=1d1(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2
Z(a|b|c;α,β,γ):=n=01(n+α)a(n+β)b(n+γ)c
とすると
i=1dj=0ki3ZI(j+1,ki+1,,kd,k1,,ki1,kij;α,β,γ)+(α+βγ)i=1dZII(ki,,kd,k1,,ki,2;α,β,γ)=dZ(d|d+1|k2d;α,β,γ)+dZ(d+1|d|k2d;α,β,γ)+(k2d)Z(d|d|k2d+1;α,β,γ)
が成り立つ.

証明

(α)m+1(β)m+1m!(γ)mnll!(γ)l(α)l+1(β)l+1(lm)=n!(γ)n(α)n(β)nk=0m(α)k(β)kk!(γ)k(nk)+(γαβ)k=0m(α)k(β)kk!(γ)knll!(γ)l(α)l+1(β)l+1

Sm(α,β,γ):=n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l(lm)とおくと, 次のように計算できる.
Sm(α,β,γ)=n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l(lm)=1α+m1n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l(1lm1α+l1)=1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(1lm1β+l1)1α+m1n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l=1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(lm)1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(α+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l
(横に長くなってしまったので折り曲げる)
=1(α+m1)(β+m1)n!(γ)n(α)n(β)n(n+1m)+1(α+m1)(β+m1)n<ll!(γ)l(α)l(β)l(l+1m)1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(α+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l=1(α+m1)(β+m1)n!(γ)n(α)n(β)n(n+1m)+m1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l(α)l(β)l(1l+1m+1m1)1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(α+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l
=1(α+m1)(β+m1)n!(γ)n(α)n(β)n(n+1m)+m1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l(α)l(β)l(l+1m)+1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l(α)l(β)l1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(α+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l=1(α+m1)(β+m1)n!(γ)n(α)n(β)n(n+1m)+(m1)(γ+m2)(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l(1l+1m+1γ+m2)+1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l(α)l(β)l1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(α+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l=1(α+m1)(β+m1)n!(γ)n(α)n(β)n(n+1m)+(m1)(γ+m2)(α+m1)(β+m1)Sm1(α,β,γ)+(m1)(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l+1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l(α)l(β)l1(α+m1)(β+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l1(β)l1(α+m1)n<l(l1)!(γ)l1(α)l(β)l.
両辺に (α)m(β)m(m1)!(γ)m1 を掛け S0(α,β,γ) の項が 0 になるため補題を得る.

(α)m0+1(β)m0+1m0!(γ)m0mn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(mnm0)=k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1(mn1k)+mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0+mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0+(γαβ)k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1

Fm0(α,β,γ)=(α)m0+1(β)m0+1m0!(γ)m0mn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(mnm0)=(α)m0+1(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2(mn+1m0)=(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(1mn+1m01α+mn+1)=(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(mn+1m0)(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(1mn+1m01β+mn+1)(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(mn+1m0)(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(1mn+1m0+1m0)(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(mn+1m0)+(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m01mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(1mn+1m0+1γ+m01)+(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m01mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(mn+1m0)+(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+2(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mn(mn+1)!(γ)mn+1(α)mn+2(β)mn+2=Fm01(α,β,γ)+(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m01mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(mn1+1m0)+(α)m0(β)m0(m01)!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1<mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0mn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1
今度はm0=0から和をとると,
(α)m0+1(β)m0+1m0!(γ)m0mn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(mnm0)=k=0m01(α)k+1(β)k+1k!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(mn1k)+k=0m01(α)k+1(β)k+1k!(γ)k+1mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1=k=0m01(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1(1mn1k1α+mn1)+k=0m01(α)k+1(β)k+1k!(γ)k+1mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1=k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1(1mn1k1β+mn1)mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1k=0m01(α)k(β)k+1k!(γ)k+k=0m01(α)k+1(β)k+1k!(γ)k+1mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1
=k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1(mn1k)mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1k=0m01(α)k(β)k+1k!(γ)k+k=0m01(α)k+1(β)k+1k!(γ)k+1mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1=k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1(mn1k)mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)k+mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)k+mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0+k=0m01(α)k+1(β)k+1k!(γ)k+1mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1=k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1(mn1k)+mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0+mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0+k=0m0(α)k(β)k(k1)!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1+k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn+1(α)mn+1(β)mn+1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn(α)mn(β)mn+1k=0m0(α)k(β)k+1k!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1
=k=0m01(α)k(β)kk!(γ)kmn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1(mn1k)+mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0+mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0+(γαβ)k=0m0(α)k(β)kk!(γ)kmn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1
以上より示せた.

T(k1,,kn;(α,β,γ))=T(kn,k1,,kn1;(α,β,γ))+(γαβ)ZII(kn,k1,,kn1,2;(α,β,γ))+Z(n|n1|k1++kn2n)+Z(n1|n|k1++kn2n)j=0kn3ZI(j+1,k1,,kn1,knj;(α,β,γ))+(kn2)Z(n|n|k1++kn2n+1;(α,β,γ))

0m0m1mnm0mn(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+γ)j×{i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2}1(mn+α)(mn+β)(mn+γ)knj21mnm0=0m0m1mnm0mn(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+γ)j+1×{i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2}1(mn+α)(mn+β)(mn+γ)knj3(1mnm01mn+γ)
=0m0m1mnm0mn(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+γ)j+1×{i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2}1(mn+α)(mn+β)(mn+γ)knj31mnm0ZI(j+1,k1,,kn1,knj;(α,β,γ))+Z(n|n|k1++kn2n+1;(α,β,γ))
j=0kn3 で和をとると,
T(k1,,kn;(α,β,γ))=m0m1mnm0mn(α)m0(β)m0m0!(γ)m0mn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+γ)kn2i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2×1(mn+α)(mn+β)(mnm0)j=0kn3ZI(j+1,k1,,kn1,knj;(α,β,γ))+(kn2)Z(n|n|k1++kn2n+1;(α,β,γ))
右辺の第一項を補題を用いて,
0m0m1mnm0mn(α)m0(β)m0m0!(γ)m01(m0+γ)kn2mn!(γ)mn(α)mn(β)mni=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2×1(mn+α)(mn+β)(mnm0)=m0m1mn1m0mn11(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2×((α)m0+1(β)m0+1m0!(γ)m0mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(mnm0))+0m0=m1==mn11(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2×((α)m0+1(β)m0+1m0!(γ)m0mn1<mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1(mnm0))
=0m0m1mn1m0mn11(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2×((γ)mn1mn1!(α)mn1(β)mn1k=0m0(α)k(β)kk!(γ)k(mn1m0)+(γαβ)(k=0m0(α)k(β)kk!(γ)k)(mn1mn(γ)mnmn!(α)mn+1(β)mn+1))+0m0=m1==mn11(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2i=1n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki2×(mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1k=0m01(α)k(β)kk!(γ)k(mn1k)+mn1!(γ)mn1(α)mn1(β)mn1+1(α)m0(β)m0m0!(γ)m0+mn1!(γ)mn1(α)mn1+1(β)mn1+1(α)m0(β)m0+1m0!(γ)m0+(γαβ)(k=0m0(α)k(β)kk!(γ)k)(mn1mnmn!(γ)mn(α)mn+1(β)mn+1))
=T(kn,k1,,kn1;(α,β,γ))+(γαβ)0km0mnm0mn1(α)k(β)kk!(γ)kmn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2×i=0n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki21(mn+α)(mn+β)+Z(n|n1|k1++kn2n)+Z(n1|n|k1++kn2n)+(γαβ)0km0==mn1mn(α)k(β)kk!(γ)kmn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2×i=0n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki21(mn+α)(mn+β)=T(kn,k1,,kn1;(α,β,γ))+(γαβ)0km0mn(α)k(β)kk!(γ)kmn!(γ)mn(α)mn(β)mn1(m0+α)(m0+β)(m0+γ)kn2×i=0n11(mi+α)(mi+β)(mi+γ)ki21(mn+α)(mn+β)+Z(n|n1|k1++kn2n)+Z(n1|n|k1++kn2n)
となり示せた.

主結果の証明

インデックスを (ki+1,,kn,k1,,ki) とおき, i=1,n で和をとると主結果を得る.

最後に

多重ゼータ値そのものを研究するというのは非常に難しいこと(だと僕は思っています)ですが, 今回のように既出の結果にパラメータをつけて拡張していく研究というのはまだまだ未発展だと思うので今後も取り組んでいく価値があると思います.

とりあえず, 今までのことが形になって世に出たことは嬉しい限りです.

参考文献

投稿日:20241228
更新日:20241228
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