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MSWについての備忘録

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はじめに

この記事ではDeriving two dualities simultaneously from a family of identities for multiple harmonic sums( arXiv:2402.05730 )という論文で証明されたMSWと呼ばれる等式(Theorem1.3)について自分用に書きます。前提知識などは便利さんのこちらの記事 多重ゼータ値の反復積分表示の離散化について を参照すると良いと思います。

本題

多重調和和

インデックス$\boldsymbol{k}=(k_1,k_2,\ldots,k_r)$と正整数$N$に対して多重調和和$\zeta_{< N}(\boldsymbol{k})$を次のように定める。
$$\zeta_{< N}(\boldsymbol{k})=\sum_{0< n_1< n_2<\cdots< n_r< N}\frac{1}{n^{k_1}_1n^{k_2}_2\cdots n^{k_r}_r}$$
($N\leq r$のときは$0$とする。)

$\zeta^{\flat}_{< N}$

以下、$\boldsymbol{k}=(k_1,k_2,\ldots,k_r)$を重さ$k$のインデックスとする。また、正整数$n$に対して$[n]:=\lbrace1,2,\ldots,n\rbrace$としておく。
$$J(\boldsymbol{k}):=\left\lbrace1+\sum_{i=1}^{m}k_i\middle|\ 0\leq m\leq r\right\rbrace=\lbrace1,k_1+1,k_1+k_2+1,\ldots,k_1+k_2+\cdots k_{r-1}+1,k+1\rbrace$$
$$S_N(\boldsymbol{k}):=\left\lbrace(n_1,n_2,\ldots,n_k)\in\mathbb{Z}^k\middle|\begin{array}{l} n_{i-1}< n_i\quad \mathrm{if}\ i\in J(\boldsymbol{k}) \\n_{i-1}\leq n_i\quad \mathrm{if}\ i\in [k]\setminus J(\boldsymbol{k})\\n_0=0,n_{k+1}=N \end{array}\right\rbrace$$
正整数$a$とインデックス$\boldsymbol{n}=(n_1,n_2,\ldots,n_a)$に対して$P^{(N)}_{a}(\boldsymbol{n})$を次のように定める。
$$P^{(N)}_{a}(\boldsymbol{n}):=\frac{1}{(N-n_1)n_2\cdots n_a}\quad\left(P^{(N)}_{1}(\boldsymbol{n}):=\frac{1}{N-n_1}\right)$$
このとき多重和$\zeta^{\flat}_{< N}(\boldsymbol{k})$を次のように定める。
$$\zeta^{\flat}_{< N}(\boldsymbol{k}):=\sum_{\substack{(\boldsymbol{n}_1,\ldots,\boldsymbol{n}_r)\in S_N(\boldsymbol{k})\\\mathrm{dep}(\boldsymbol{n}_i)=k_i\ \mathrm{for\ all}\ i\in[r]}}\prod_{i=1}^{r}P^{(N)}_{k_i}(\boldsymbol{n}_i)$$

この定義は初見だとかなり複雑に見えると思うのでいくつか例を挙げることにします。
$$\zeta^{\flat}_{< N}(1)=\sum_{0< n< N}\frac{1}{N-n}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(2)=\sum_{0< n_1{\leq} n_2< N}\frac{1}{(N-n_1)n_2}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(1,1)=\sum_{0< n_1< n_2< N}\frac{1}{(N-n_1)(N-n_2)}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(3)=\sum_{0< n_1{\leq} n_2\leq n_3< N}\frac{1}{(N-n_1)n_2n_3}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(1,2)=\sum_{0< n_1< n_2\leq n_3< N}\frac{1}{(N-n_1)(N-n_2)n_3}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(2,1)=\sum_{0< n_1{\leq} n_2< n_3< N}\frac{1}{(N-n_1)n_2(N-n_3)}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(4)=\sum_{0< n_1{\leq} n_2\leq n_3\leq n_4< N}\frac{1}{(N-n_1)n_2n_3n_4}$$
$$\zeta^{\flat}_{< N}(1,3)=\sum_{0< n_1< n_2\leq n_3\leq n_4< N}\frac{1}{(N-n_1)(N-n_2)n_3n_4}$$
要するに、インデックスの成分$k$に対して$\frac{1}{(N-n_1)n_2\cdots n_k}$が対応して、和を取る範囲は$\frac{1}{N-n_i}$の直前と最後の$N$の直前だけ$<$になる(他は$\leq$)という感じです。
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MSWの内容について述べるためのパーツがそろったので、ここで一度定理の形で主張を確認しておきましょう。

MSW

正整数$N$とインデックス$\boldsymbol{k}$について、次の等式が成立する。
$$\zeta_{< N}(\boldsymbol{k})=\zeta^{\flat}_{< N}(\boldsymbol{k})$$

次に、連結和を構成して輸送関係式を示すことでこの定理を証明していきます。

証明に向けて

連結和

以下、$\boldsymbol{k}=(k_1,k_2,\ldots,k_r),\boldsymbol{l}=(l_1,l_2,\ldots,l_s)$をインデックスとし、$\boldsymbol{l}$の重さを$l$とする。
インデックス$\boldsymbol{n}=(n_1,\ldots,n_r)$に対して$\mathrm{st}(\boldsymbol{n}):=n_1, \ \mathrm{end}(\boldsymbol{n}):=n_r,\ Q_{\boldsymbol{k}}(\boldsymbol{n}):=\frac{1}{n^{k_1}_1\cdots n^{k_r}_r}$とする。
$$\widetilde{J}(\boldsymbol{l}):=\left\lbrace1+\sum_{j=1}^{m}l_j\middle|\ 0\leq m< s\right\rbrace=\lbrace1,l_1+1,l_1+l_2+1,\ldots,l_1+l_2+\cdots l_{s-1}+1\rbrace$$
$$\widetilde{S}_N(\boldsymbol{k};\boldsymbol{l}):=\left\lbrace(n_1,\ldots,n_r,m_1,\ldots,m_l)\in\mathbb{Z}^{r+l}\middle| \begin{array}{l}0< n_1<\cdots< n_r\leq m_1 \\m_{j}< m_{j+1}\quad \mathrm{if}\ j\in \widetilde{J}(\boldsymbol{l}) \\m_{j}\leq m_{j+1}\quad \mathrm{if}\ j\in [l]\setminus \widetilde{J}(\boldsymbol{l})\\m_{l+1}=N \end{array}\right\rbrace$$
正整数$N$と非負整数$n,m\ (n\leq m\leq N)$に対して、コネクター$C_N(n,m)$を次で定める。$$C_N(n,m):=\frac{\binom{m}{n}}{\binom{N}{n}}$$
なお$n>m$のときは$C_N(n,m)=0$とする。
このとき、連結和$Z_N(\boldsymbol{k}|\boldsymbol{l})$を次で定める。
$$Z_N(\boldsymbol{k}|\boldsymbol{l}):=\sum_{\substack{(\boldsymbol{n},\boldsymbol{m}_1,\cdots,\boldsymbol{m}_s)\in\widetilde{S}_N(\boldsymbol{k};\boldsymbol{l})\\ \mathrm{dep}(\boldsymbol{n})=r,\ \mathrm{dep}(\boldsymbol{m}_j)=l_j\ \mathrm{for\ all}\ j\in[s]}} Q_{\boldsymbol{k}}(\boldsymbol{n})\cdot C_{N}(\mathrm{end}(\boldsymbol{n}),\mathrm{st}(\boldsymbol{m}_1))\cdot\prod_{j=1}^{s}P^{(N)}_{l_j}(\boldsymbol{m}_j)$$

なお空インデックス$\varnothing$に対しては
$$Z_N(\boldsymbol{k}|):=Z_N(\boldsymbol{k}|\varnothing)=\zeta_{< N+1}(\boldsymbol{k})$$
\begin{align} Z_N(|\boldsymbol{l}) &:=Z_N(\varnothing|\boldsymbol{l})\\ &=\sum_{\substack{(\boldsymbol{m}_1,\cdots,\boldsymbol{m}_s)\in\widetilde{S}_N(\varnothing;\boldsymbol{l})\\\ \mathrm{dep}(\boldsymbol{m}_j)=l_j\ \mathrm{for\ all}\ j\in[s]}}\prod_{j=1}^{s}P^{(N)}_{l_j}(\boldsymbol{m}_j)\\ &=\sum_{\substack{(\boldsymbol{m}_1,\cdots,\boldsymbol{m}_s)\in S_{N+1}(\boldsymbol{l})\\\ \mathrm{dep}(\boldsymbol{m}_j)=l_j\ \mathrm{for\ all}\ j\in[s]}}\prod_{j=1}^{s}P^{(N+1)}_{l_j}(\boldsymbol{m}_j)\\ &=\zeta^{\flat}_{< N+1}(\boldsymbol{l}) \end{align}
となることに注意します。
二つ目の変形について具体例を挙げておくと
\begin{align} Z_N(|1,3) &=\sum_{0\leq n_1< n_2< n_3\leq n_4\leq N}\frac{1}{(N-n_1)(N-n_2)n_3n_4}\\ &=\sum_{0< n_1\leq n_2< n_3\leq n_4\leq N}\frac{1}{(N+1-n_1)(N-n_2)n_3n_4}\\ &=\sum_{0< n_1< n_2\leq n_3\leq n_4\leq N}\frac{1}{(N+1-n_1)(N+1-n_2)n_3n_4}\\ &=\sum_{0< n_1< n_2\leq n_3\leq n_4< N+1}\frac{1}{(N+1-n_1)(N+1-n_2)n_3n_4}\\ &=\zeta^{\flat}_{< N+1}(1,3) \end{align}
のような感じです。

\begin{align} \frac{1}{n}C_N(n,m)&=\sum_{n\leq b\leq m}\frac{1}{b}C_N(n,b)\quad(n>0)\\ \sum_{n< a\leq m}\frac{1}{a}C_N(a,m)&=\sum_{n\leq b< m}\frac{1}{N-b}C_N(n,b)\quad(n< m) \end{align}

1つ目の等式は
\begin{align} C_N(n,b)-C_N(n,b-1) &=\left(1-\frac{b-n}{b}\right)C_N(n,b)\\ &=\frac{n}{b}C_N(n,b) \end{align}
となるので両辺$n\leq b\leq m$の範囲で和を取って$n$で割ることにより示される。
2つ目の等式は
$$\frac{1}{a}\left(C_N(a,b+1)-C_N(a,b)\right)=\frac{1}{N-b}\left(C_N(a-1,b)-C_N(a,b)\right)$$
が成り立つので両辺$n< a\leq m,\ n\leq b< m$の範囲で和を取ることにより示される。$\blacksquare$

$k$を正の整数、$\boldsymbol{k},\boldsymbol{l}$をインデックスとしたとき次が成立する。
\begin{align} Z_N(\boldsymbol{k},k|\boldsymbol{l})&=Z_N(\boldsymbol{k}|k,\boldsymbol{l})\\ Z_N(\boldsymbol{k},k|)&=Z_N(\boldsymbol{k}|k)\\ Z_N(k|\boldsymbol{l})&=Z_N(|k,\boldsymbol{l})\\ \end{align}

補題2の1つ目の等式を$k-1$回適用してから2つ目の等式を適用することによりすべて示すことができる$\blacksquare$

MSW(再掲)

正整数$N$とインデックス$\boldsymbol{k}$について、次の等式が成立する。
$$\zeta_{< N}(\boldsymbol{k})=\zeta^{\flat}_{< N}(\boldsymbol{k})$$

$\boldsymbol{k}=(k_1,\ldots,k_r)$としたとき、補題3の等式を適宜使うことで
\begin{align} \zeta_{< N+1}(\boldsymbol{k}) &=Z_N(k_1,\ldots,k_r|)\\ &=Z_N(k_1,\ldots,k_{r-1}|k_r)\\ &\quad\vdots\\ &=Z_N(|k_1,\ldots,k_r)\\ &=\zeta^{\flat}_{< N+1}(\boldsymbol{k})\ \blacksquare \end{align}

この定理を用いることで、"多重ゼータ値の双対関係式"と"等号付きの有限多重ゼータ値の双対関係式"の両方を証明することができます。それについては気が向いたときに書き足すことにします。(^.^)/~~~

参考文献

  1. Deriving two dualities simultaneously from a family of identities for multiple harmonic sums( arXiv:2402.05730 )
  2. 多重ゼータ値の反復積分表示の離散化について
投稿日:2日前
更新日:2日前
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