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現代数学解説
文献あり

ZhouによるLegendre関数の3つの積の積分3

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

今回はZhouによるLegendre関数の3つの積が入った積分
\begin{align} \int_{-1}^1P_{\nu}(x)^2P_{\nu}(-x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx&=\frac 1{\pi}\left(\frac{\cos\frac{\pi\nu}2}{2^{\nu}}\right)^3\left(\frac{\Gamma\left(\frac{1+\nu}2\right)}{\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)}\right)^4 \end{align}
を示す.

\begin{align} &\int_0^1P_{\nu}(1-2t)(t(1-t))^{a-1}\,dt\\ &=\frac{\pi\Gamma(a)^2}{2^{2a-1}\Gamma\left(a+\frac{\nu+1}2\right)\Gamma\left(a-\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)} \end{align}

まず, 項別積分により
\begin{align} &\int_0^1P_{\nu}(1-2t)(t(1-t))^{a-1}\,dt\\ &=\int_0^1\sum_{0\leq n}\frac{(-\nu,\nu+1)_n}{n!^2}t^{n+a-1}(1-t)^{a-1}\,dt\\ &=\frac{\Gamma(a)^2}{\Gamma(2a)}\F32{-\nu,\nu+1,a}{1,2a}{1} \end{align}
となる. ここで, Whippleの和公式 より,
\begin{align} \F32{-\nu,\nu+1,a}{1,2a}{1}&=\frac{\pi\Gamma(2a)}{2^{2a-1}\Gamma\left(a+\frac{\nu+1}2\right)\Gamma\left(a-\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)} \end{align}
であるからこれを代入して示すべき等式を得る.

前の記事 の定理3の1つ目の式において$a\mapsto -\nu$と置き換えたものは以下のようになる.

$0< x<1$において
\begin{align} &P_{\nu}(1-2t)P_{\nu}(2t-1)\\ &=\frac{\sin^2\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma(-\nu+s)\Gamma(1+\nu+s)\Gamma\left(\frac 12+s\right)\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}(4x(1-x))^s\,ds \end{align}
が成り立つ.

これらを用いて以下を示す.

Zhou(2014)

\begin{align} \int_{-1}^1P_{\nu}(x)^2P_{\nu}(-x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx&=\frac 1{\pi}\left(\frac{\cos\frac{\pi\nu}2}{2^{\nu}}\right)^3\left(\frac{\Gamma\left(\frac{1+\nu}2\right)}{\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)}\right)^4 \end{align}
が成り立つ.

補題1, 補題2を用いると,
\begin{align} &\int_{-1}^1P_{\nu}(x)^2P_{\nu}(-x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx\\ &=2^{\nu}\int_0^1P_{\nu}(1-2t)^2P_{\nu}(2t-1)(t(1-t))^{\frac{\nu-1}2}\,dt\qquad x\mapsto 1-2t\\ &=\frac{2^{\nu}\sin^2\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\int_0^1P_{\nu}(1-2t)(t(1-t))^{\frac{\nu-1}2}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma(-\nu+s)\Gamma(1+\nu+s)\Gamma\left(\frac 12+s\right)\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}(4t(1-t))^s\,ds\,dt\\ &=\frac{2^{\nu}\sin^2\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{4^s\Gamma(-\nu+s)\Gamma(1+\nu+s)\Gamma\left(\frac 12+s\right)\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}\int_0^1P_{\nu}(1-2t)(t(1-t))^{s+\frac{\nu-1}2}\,dt\,ds\\ &=\frac{2^{\nu}\sin^2\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{4^s\Gamma(-\nu+s)\Gamma(1+\nu+s)\Gamma\left(\frac 12+s\right)\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}\frac{\pi\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2}{2^{2s+\nu}\Gamma\left(s+\nu+1\right)\Gamma\left(s+\frac 12\right)\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)}\,ds\\ &=\frac{\sin^2\pi\nu}{\pi^{\frac 32}\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma(-\nu+s)\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}\,ds\\ \end{align}
ここで, Barnesの第2補題 より,
\begin{align} &\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma(-\nu+s)\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}\,ds\\ &=\frac{\Gamma(-\nu)^2\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^4}{\Gamma(1+\nu)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)^2} \end{align}
であるから, これを代入すると
\begin{align} &\int_{-1}^1P_{\nu}(x)^2P_{\nu}(-x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx\\ &=\frac{\sin^2\pi\nu}{\pi^{\frac 32}\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)}\frac{\Gamma(-\nu)^2\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^4}{\Gamma(1+\nu)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)^2}\\ &=\frac{\sqrt{\pi}\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^4}{\Gamma(1+\nu)^3\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)^3}\\ &=\frac{\pi^2\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)}{2^{3\nu}\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)^4\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)^3}\\ &=\frac{\cos^3\frac{\pi\nu}2\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^4}{2^{3\nu}\pi\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)^4}\\ \end{align}
となって示すべき等式が得られる.

上の証明はZhouの2025年の証明を参考にしたものである. Zhouの2014年の論文においては上の結果の類似として
\begin{align} \int_{-1}^1P_{\nu}(x)^3(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx&=\frac {3-2\cos\pi\nu}{\pi}\left(\frac{\cos\frac{\pi\nu}2}{2^{\nu}}\right)^3\left(\frac{\Gamma\left(\frac{1+\nu}2\right)}{\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)}\right)^4 \end{align}
も示されている. その証明の方針は有限Hilbert変換のParseval型の等式を用いて
\begin{align} \int_{-1}^1P_{\nu}(x)^3(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx&=(3-2\cos\pi\nu)\int_{-1}^1P_{\nu}(x)^2P_{\nu}(-x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx \end{align}
を示すというもので, それは比較的簡潔な証明である.

追記

\begin{align} \int_{-1}^1P_{\nu}(x)^3(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx&=\frac {3-2\cos\pi\nu}{\pi}\left(\frac{\cos\frac{\pi\nu}2}{2^{\nu}}\right)^3\left(\frac{\Gamma\left(\frac{1+\nu}2\right)}{\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)}\right)^4 \end{align}
も上の積分と同様に示せるようなので, それを書いておく. 前の記事 で示した定理3の2つ目の式は以下のようになる.

$0< x<1$おいて,
\begin{align} &P_{\nu}(2x-1)^2+P_{\nu}(1-2x)^2\\ &=-\frac{2\sin^3\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma(-\nu+s)\Gamma(\nu+1+s)\Gamma(-s)^3}{\Gamma\left(\frac 12-s\right)}(4x(1-x))^s\,ds \end{align}

これを用いると以下が示される.

Zhou(2014)

\begin{align} \int_{-1}^1P_{\nu}(x)^3(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx&=\frac {3-2\cos\pi\nu}{\pi}\left(\frac{\cos\frac{\pi\nu}2}{2^{\nu}}\right)^3\left(\frac{\Gamma\left(\frac{1+\nu}2\right)}{\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)}\right)^4 \end{align}

\begin{align} &\int_{-1}^1(P_{\nu}(x)^2+P_{\nu}(-x)^2)P_{\nu}(x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx\\ &=2^{\nu}\int_0^1(P_{\nu}(2t-1)^2+P_{\nu}(1-2t)^2)P_{\nu}(1-2t)(t(1-t))^{\frac{\nu-1}2}\,dt\qquad x\mapsto 1-2t\\ &=-2^{\nu}\frac{2\sin^3\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{4^s\Gamma(-\nu+s)\Gamma(\nu+1+s)\Gamma(-s)^3}{\Gamma\left(\frac 12-s\right)}\int_0^1P_{\nu}(1-2t)(t(1-t))^{s+\frac{\nu-1}2}\,dt\,ds\\ &=-2^{\nu}\frac{2\sin^3\pi\nu}{\pi^{\frac 52}}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{4^s\Gamma(-\nu+s)\Gamma(\nu+1+s)\Gamma(-s)^3}{\Gamma\left(\frac 12-s\right)}\frac{\pi\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2}{2^{2s+\nu}\Gamma\left(s+\nu+1\right)\Gamma\left(s+\frac 12\right)\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)}\,ds\\ &=-\frac{2\sin^3\pi\nu}{\pi^{\frac 52}\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)}\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\Gamma(-\nu+s)\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^3\cos\pi s\,ds \end{align}
ここで, Barnesの第2補題 より,
\begin{align} &\frac 1{2\pi i}\int_{-i\infty}^{i\infty}\Gamma(-\nu+s)\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^3\cos\pi s\,ds\\ &=\frac 1{2\pi i\sin\pi\nu}\int_{-i\infty}^{i\infty}\Gamma(-\nu+s)\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^3(\sin\pi s\cos\pi\nu-\sin\pi(s-\nu))\,ds\\ &=-\frac 1{2\pi i}\frac{\pi\cos\pi\nu}{\sin\pi\nu}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma(-\nu+s)\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^2}{\Gamma(s+1)}\,ds\\ &\qquad-\frac 1{2\pi i}\frac{\pi}{\sin\pi\nu}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^2\Gamma(-s)^3}{\Gamma(1+\nu-s)}\,ds\\ &=-\frac{\pi\cos\pi\nu}{\sin\pi\nu}\frac{\Gamma(-\nu)^2\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^4}{\Gamma(1+\nu)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)^2}-\frac 1{2\pi i}\frac{\pi}{\sin\pi\nu}\int_{-i\infty}^{i\infty}\frac{\Gamma\left(s+\frac{\nu+1}2\right)^3\Gamma(-s)^2}{\Gamma\left(\frac{3\nu+3}2+s\right)}\,ds\\ &=-\frac{\pi\cos\pi\nu}{\sin\pi\nu}\frac{\Gamma(-\nu)^2\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^4}{\Gamma(1+\nu)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)^2}-\frac{\pi}{\sin\pi\nu}\frac{\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^6}{\Gamma(\nu+1)^3}\\ &=-\frac{\pi}{\sin^3\pi\nu}\left(\cos\pi\nu\cos^2\frac{\pi\nu}2+\sin^2\pi\nu\right)\frac{\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^6}{\Gamma(\nu+1)^3}\\ &=-\frac{\pi\cos^2\frac{\pi\nu}2}{\sin^3\pi\nu}\left(\cos\pi\nu+4\sin^2\frac{\pi\nu}2\right)\frac{\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^6}{\Gamma(\nu+1)^3}\\ &=-\frac{\pi\cos^2\frac{\pi\nu}2}{\sin^3\pi\nu}\left(2-\cos\pi\nu\right)\frac{\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^6}{\Gamma(\nu+1)^3} \end{align}
となるから, これを代入して
\begin{align} &\int_{-1}^1(P_{\nu}(x)^2+P_{\nu}(-x)^2)P_{\nu}(x)(1-x^2)^{\frac{\nu-1}2}\,dx\\ &=\left(4-2\cos\pi\nu\right)\frac{\cos^2\frac{\pi\nu}2}{\pi^{\frac 32}\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)\Gamma\left(\frac{1-\nu}2\right)}\frac{\Gamma\left(\frac{\nu+1}2\right)^6}{\Gamma(\nu+1)^3}\\ &=\frac {4-2\cos\pi\nu}{\pi}\left(\frac{\cos\frac{\pi\nu}2}{2^{\nu}}\right)^3\left(\frac{\Gamma\left(\frac{1+\nu}2\right)}{\Gamma\left(1+\frac{\nu}2\right)}\right)^4 \end{align}
を得る. ここから定理3の等式を引くと示すべき等式を得る.

参考文献

[1]
Y. Zhou, On some integrals over the product of three Legendre functions, Ramanujan J., 2014, 311–326
[2]
Y. Zhou, Notes on certain binomial harmonic sums of Sun's type, preprint, arXiv:2503.05599
投稿日:11日前
更新日:9日前
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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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