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数学史・伝記解説
文献あり

ラマヌジャンの公式集:級数の関係式

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はじめに

 この記事ではラマヌジャンの発見した公式の数々を鑑賞していきます。
 今回はB.C. Berndtの"Ramanujan's Notebooks"の
・Part I, Chap. 9 Infinite Series Identities, Transformations, and Evaluation
にて紹介されている公式を(独断と偏見により)いくつかピックアップして紹介していきます。
 以下
Lik(z)=n=1znnk,χk(z)=n=0z2n+1(2n+1)k
および
Hn=k=1n1k,hn=k=1n12k1
とおきます。
 ちなみにこのLik(z)には多重対数関数、Hnには調和数という名前が付いています。

多重対数と調和数

Entry 6

Li2(1z)+Li2(11z)=12(logz)2Li2(1z)+Li2(1z)=π2212(logz)2Li2(z)+Li2(1z)=π26log(z)log(1z)Li2(z)+Li2(z)=12Li2(z2)χ2(z)+χ2(1z1+z)=π2812log(z)log(1z1+z)Li2(z1w)+Li2(w1z)=Li2(z)+Li2(w)+Li2(zw(1z)(1w))+log(1z)log(1w)Li2(ez)=π26+zlogzz+n=1Bn(n+1)!nzn+1Li2(1ez)=n=0Bn(n+1)!zn+1

Entry 6 (Example)

Li2(12)=π21212(log2)2Li2(512)=π210log2(512)Li2(352)=π215log2(512)χ2(21)=π21614log2(21)χ2(512)=π21234log2(512)χ2(52)=π22434log2(512)

Entry 7

Li3(z)+Li3(1z)+Li3(11z)=ζ(3)+π26logz+16(logz)312(logz)2log(1z)Li3(z)Li3(1z)=16(logz)3π26logzLi3(z)+Li3(z)=14Li3(z2)

Entry 7 (Example)

Li3(12)=χ3(1)+16(log2)3π212log2Li3(352)=45ζ(3)23log3(512)+2π215log(512)

Entry 8

f(x)=n=1hn2n1x2n1
とおくと
f(x2x)=18log2(1x)+12Li2(x)

Entry 8 (Example)

f(13)=π22418(log2)2f(15)=π220f(52)=π23038log2(512)

Entry 9

g(z)=n=1Hn(n+1)2zn+1
とおくと
g(1z)=12(logz)2log(1z)+Li2(z)logzLi3(z)+ζ(3)g(1z)g(11z)=16(logz)3g(1z)=12(logz)2log(1z)13(logz)3Li2(1z)logzLi3(1z)+ζ(3)g(z)+g(1z)=16(logz)3Li2(z)logz+Li3(z)+ζ(3)

Entry 10

h(z)=n=1Hn(n+1)3zn+1
とおくと
h(1z)h(11z)=124(logz)4+16(logz)3log(1z)+ζ(3)logz2Li4(z)+Li3(z)logz+π245h(z)h(1z)=124(logz)4Li3(z)logz+2Li4(z)+ζ(3)logz+7π4360

Entry 11, 12

F(x)=n=1hn(2n)2x2nG(x)=n=1hn(2n)3x2nH(x)=n=1Hn2n1x2n1
とおくと
F(1x1+z)=18(logx)2log(1x1+x)+12χ2(x)logx+12(χ3(1)χ3(x))G(x)+G(1x1+x)=F(x)logx+F(1x1+x)log(1x1+x)116(logx)2log2(1x1+x)+G(1)H(1x1+x)=(log21)logx+1+x1xlog4x(1+x)2+14(logx)2+π212+Li2(x)

Examples

n=1Hnn22n=ζ(3)π212log2n=1Hn(2n1)2=32χ3(1)n=1hnn2=2χ3(1)n=1hn2n1(52)2n1=π260+34log2(512)+(5+2)log4+(35+5+log2)log(512)

Chap. 28 より

 ちなみに 前回の記事 では紹介しませんでしたがChap. 28にも多重対数に関する記述が見られます。

Entry 36

Li2(1z)+Li2(1z+1)=12log2(1+1z)

Entry 39

Li2(13)16Li2(19)=π21816(log3)2Li2(12)+16Li2(19)=π218+(log2)(log3)12(log2)213(log3)2Li2(14)+13Li2(19)=π218+2(log2)(log3)2(log2)223(log3)2Li2(13)13Li2(19)=π218+16(log3)2Li2(18)+Li2(19)=12(log98)2

 また 前回の記事 で紹介した次の公式もこの系譜に入ります。

Entry 40

01log(1+1+4x2)dxx=π215

三角関数など

 以下、簡単のため
βn=122n(2nn)=(12)n(1)n
とおきます。

Entry 15

12(arctanx)2=n=1(1)n1h2n2nx2n12(arcsinx)2=n=114n2βnx2n13!(arcsinx)3=n=1(k=1n1(2k1)2)βn2n+1x2n+114!(arcsinx)4=n=2(k=1n11(2k)2)14n2βnx2n

Entry 16, 17

n=0βn(2n+1)2sin2n+1x=xlog|2sinx|+12n=1sin2nxn2n=0(1)n(2n+1)2tan2n+1x=xlog|tanx|+n=0sin(4n+2)x(2n+1)2

Entry 16 (Examples)

n=0βn(2n+1)2=π2log2n=0βn2n(2n+1)2=π42log2+12n=0(1)n(2n+1)2n=0βn22n+1(2n+1)2=π263+334n=01(3n+1)2n=0βn22n(2n+1)2=π33log32π227+n=01(3n+1)2

Entry 17 (Examples)

01arctanxxdx=n=0(1)n(2n+1)201/3arctanxxdx=π12log35π2183+534n=01(3n+1)2021arctanxxdx=π8log(21)π216+2n=0(1)n(4n+1)2023arctanxxdx=π12log(23)+2301arctanxxdx

Entry 18, 19

n=0βn(2n+1)2(cos2n+1xsin2n+1x)=π2log(2cosx)12n=0βn(2n+1)2sin2n+12xn=0βn(2n+1)2(cos2n+1x+sin2n+1x)=π2log(2cosx)+n=0(1)n(2n+1)2tan2n+1x

Entry 20

n=118n3βnsin2nx=x22log|2sinx|+x2n=1sin2nxn2+14n=1cos2nxn314ζ(3)

Examples (Entry 18)

ψ(x)=0xarcsinttdt
とおくと
ψ(35)12ψ(2425)=π2log2+2ψ(15)2ψ(25)

Examples (Entry 19, 20)

n=0βn(2n+1)21+22n+15n+1=π25log45+15n=0(1)n22n+1(2n+1)2n=118n3βn=π28log212χ3(1)n=112n+4n3βn=π264log2516χ3(1)+π8n=0(1)n(2n+1)2

Entry 21, 23

n=1(1)n1hn(2n)2tan2nx=x22log|tanx|+xn=0sin(4n+2)x(2n+1)2+12n=0cos(4n+2)x(2n+1)312χ3(1)=2n=118n3βnsin2nx14n=118n3βnsin2n2x

Entry 22

n=118n3βn(cos2nx+sin2nx)=π28log(2cosx)+π2n=0βn(2n+1)2cos2n+1x+14n=118n3βnsin2n2x12χ3(1)

Entry 24

 xeiθ+yeiφ=1において
n=1cosnθn2xn+n=1cosnφn2yn=π26(logx)(logy)+θφn=1sinnθn2xn+n=1sinnφn2yn=φlogxθlogy

Entry 25

 1/xeiθ+1/yeiφ=1において
n=1cosnθn2xn+n=1cosnφn2yn=18log(12xcosθ+x2)log(12ycosφ+y2)12arctan(xsinθ1xcosθ)arctan(ysinφ1ycosφ)n=1sinnθn2xn+n=1sinnφn2yn=14log(12xcosθ+x2)arctan(ysinφ1ycosφ)14log(12ycosφ+y2)arctan(xsinθ1xcosθ)

Entry 26

 xeiθ+yeiφ+xyei(θ+φ)=1において
n=1cos(2n+1)θ(2n+1)2x2n+1+n=1cos(2n+1)φ(2n+1)2y2n+1=π2812(logx)(logy)+12θφn=1sin(2n+1)θ(2n+1)2x2n+1+n=1sin(2n+1)φ(2n+1)2y2n+1=12φlogx12θlogy

Entry 31(b)

ψ(x)=n=0βn(2n+1)2sin2n+1πx
とおくと
ψ(x)=n=0(1)nhn+12n+1tan2n+1πxψ(x)+ψ(12x)=π2log(2cosπx)+n=0(1)n(2n+1)2tan2n+1πxψ(12x)+12ψ(2x)ψ(x)=π2log(2cosπx)ψ(12x)+ψ(12+x)=π(12x)log|2cosπx|+n=1(1)n+1sin2πnxn2

Entry 32

n=01(2n+1)2βn(4x(1+x)2)n=(1+x)n=0(1)n(2n+1)2xnn=01(2n+1)2βnsin2n+12x=2n=0(1)n(2n+1)2tan2n+1xn=0(1)n(2n+1)2βntan2n+12x=2n=01(2n+1)2tan2n+1x

 ちなみにこの一般化の一つとして
3F2(a,b,cab+1,ac+1;z)=(1z)a3F2(abc+1,a2,a+12ab+1,ac+1;4z(1z)2)
という公式が知られている。

Entry 32 (Examples)

n=01(2n+1)2βn=2n=0(1)n(2n+1)2n=01(2n+1)2βn(34)n=π33log310π227+5n=01(3n+1)2n=01(2n+1)2βn14n=π3log(2+3)+83n=0(1)n(2n+1)2n=01(2n+1)2βn12n=π22log(2+3)π242+4n=0(1)n(4n+1)2n=01(2n+1)2βn(134n+1)=π4log(2+3)n=0(1)n(2n+1)2βn=π2812log2(1+2)n=0(1)n(2n+1)2βn14n=π263log2(5+12)

Entry 33

0π2xcosnxsinnx dx=π2n+2k=1n1k0π2cosnxsinnx dx=12n+1k=1n2kk

Entry 34

n=01(2n+1)2(x1+x)n+1=n=0(1)nhn+1(2n+1)βnxn+1

Entry 35

Kn=k=11kn(k+1)n,As=(1+cosπs)ζ(s)
とおくと
Kn=k=0n(1)k(n+k1k)Ank

Entry 35 (Examples)

K2=π233K3=10π2K4=π445+10π2335K5=12635π23π49

参考文献

[1]
B. C. Berndt, Ramanujan's Notebooks Part I, Springer, 1986
投稿日:2024113
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子葉
子葉
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主に複素解析、代数学、数論を学んでおります。 私の経験上、その証明が簡単に探しても見つからない、英語の文献を漁らないと載ってない、なんて定理の解説を主にやっていきます。 同じ経験をしている人の助けになれば。最近は自分用のノートになっている節があります。

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