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Thomae, Kummerによる3F2の二項変換公式

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

\begin{align} \F32{a,b,c}{d,e}1=\frac{\Gamma(e)\Gamma(d+e-a-b-c)}{\Gamma(e-c)\Gamma(d+e-a-b)}\F32{d-a,d-b,c}{d,d+e-a-b}{1} \end{align}

$1+a+b+c=d+e+f+n$として, Whippleの${}_4F_3$変換公式
\begin{align} \F43{a,b,c,-n}{d,e,f}1=\frac{(e-a,f-a)_n}{(e,f)_n}\F43{a,d-b,d-c,-n}{d,1-n+a-e,1-n+a-f}1 \end{align}
において, $n,f$以外の変数を固定して$n\to\infty$とすることによって示される.

上の証明ではWhippleの変換公式を用いたが, 積分を用いて示すこともできる.

ベータ積分により,
\begin{align} \F32{a,b,c}{d,e}1&=\frac{\Gamma(e)}{\Gamma(c)\Gamma(e-c)}\sum_{0\leq n}\frac{(a,b)_n}{n!(d)_n}\int_0^1x^{n+c-1}(1-x)^{e-c-1}\,dx\\ &=\frac{\Gamma(e)}{\Gamma(c)\Gamma(e-c)}\int_0^1x^{c-1}(1-x)^{e-c-1}\F21{a,b}dx\,dx \end{align}
ここで, Eulerの変換公式
\begin{align} \F21{a,b}dx=(1-x)^{d-a-b}\F21{d-a,d-b}dx \end{align}
より,
\begin{align} &\frac{\Gamma(e)}{\Gamma(c)\Gamma(e-c)}\int_0^1x^{c-1}(1-x)^{e-c-1}\F21{a,b}dx\,dx\\ &=\frac{\Gamma(e)}{\Gamma(c)\Gamma(e-c)}\int_0^1x^{c-1}(1-x)^{d+e-a-b-c-1}\F21{d-a,d-b}dx\,dx\\ &=\frac{\Gamma(e)}{\Gamma(c)\Gamma(e-c)}\sum_{0\leq n}\frac{(d-a,d-b)_n}{n!(d)_n}\int_0^1x^{n+c-1}(1-x)^{d+e-a-b-c-1}dx\,dx\\ &=\frac{\Gamma(e)\Gamma(d+e-a-b-c)}{\Gamma(e-c)\Gamma(d+e-a-b)}\F32{d-a,d-b,c}{d,d+e-a-b}1 \end{align}
となって示される.

Kummerの変換公式の右辺にさらにKummerの変換公式を適用することによって, 以下を得る.

Thomaeの変換公式

\begin{align} \F32{a,b,c}{d,e}1=\frac{\Gamma(d)\Gamma(e)\Gamma(d+e-a-b-c)}{\Gamma(a)\Gamma(d+e-a-b)\Gamma(d+e-a-c)}\F32{d-a,e-a,d+e-a-b-c}{d+e-a-b,d+e-a-c}1 \end{align}

これはKummerの変換公式より対称的な形をしており, どちらかというとこちらの方が有名な公式であると思われる.

投稿日:19日前
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Wataru
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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