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大学数学基礎解説
文献あり

ラマヌジャンの論文4:ある数の逆数和について

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はじめに

 この記事ではラマヌジャンの書いた論文"Irregular numbers"を読んでいきます。
 タイトルの4という番号はハーディによる書籍"Collected Papers of Srinivasa Ramanujan"におけるナンバリングに準じています。ちなみに"Collected Papers"の全容については こちらのサイト こちらのサイト にて閲覧することができます。
 なお各命題の証明については論文で示されている式変形以外は自力で考案したものとなるので至らぬ点もあるかもしれませんがあしからず。

概説

 この論文の主題はゼータ関数のオイラー積
ζ(s)=p11ps
およびその類似を用いることで、例えば
1+122+152+172++1302+1312+=9π221+124+154+174++1304+1314+=15π22
のようにある特定の性質を持つ数の逆数和を求めることにあります。

1~4

 数論的関数a(n)完全乗法的であるとは任意のm,nに対し
a(mn)=a(m)a(n)
を満たすことを言う。このときn=pnpepと素因数分解すると
a(n)=pna(p)ep
が成り立つことに注意する。

prime omega function

 nの素因数分解n=pnpepに対しΩ(n)
Ω(n)=pnep
と定める。このとき
λ(n)=(1)Ω(n)
は完全乗法的な関数を定めることに注意する(これをリウヴィル関数と言う)。

 完全乗法的な関数a(n)に対し
p11a(p)=n=0a(n)p11+a(p)=n=0(1)Ω(n)a(n)
が成り立つ。

p11a(p)=pep=0a(p)ep=e2,e3,=0pa(p)ep=n=0a(n)
とわかる。
 また第二式についてはb(n)=(1)Ω(n)a(n)が完全乗法的であることからわかる。

p(11ps)=1ζ(s)p(1+1ps)=ζ(s)ζ(2s)

 第一式はa(n)=1/nsに対し公式1を適用することでわかる。
 また第二式は
p(1+1ps)=p1p2s1ps
と変形することでわかる。

p(1+1p2)=15π2p(1+1p4)=105π4

 よく知られているように
ζ(2)=π26,ζ(4)=π490,ζ(8)=π89450
が成り立つことからわかる。

 Ω(n)が奇数となるような自然数全体を
X={2,3,5,7,8,11,12,}
とおくと
nX1ns=ζ(s)2ζ(2s)2ζ(s)
が成り立つ。

1(1)Ω(n)2={0(Ω(n):偶数)1(Ω(n):奇数)
に注意すると
nX1ns=12(n=11nsn=1(1)Ω(n)ns)=12(p111psp11+1ps)=12(ζ(s)ζ(2s)ζ(s))
を得る。

nX1n2=π220nX1n4=π41260

5~8

 平方因子を持たない自然数全体を
Y={1,2,3,5,6,7,10,}
とおくと完全乗法的な関数a(n)に対し
p(1+a(p))=nYa(n)p(1a(p))=nY(1)Ω(n)a(n)
が成り立つ。

p(1+a(p))=pep{0,1}a(p)ep=e2,e3,{0,1}pa(p)ep=nYa(n)
とわかる。

nY1ns=ζ(s)ζ(2s)

 公式3,5からわかる。

 奇数個の異なる素数の積として表せる自然数全体を
Z={2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,30,31,37,41,42,}
とおくと
nZ1ns=ζ(s)2ζ(2s)2ζ(s)ζ(2s)
が成り立つ。

 Z=XYに注意すると公式2と同様にして
nZ1ns=12(nY1nsnY(1)Ω(n)ns)=12(p(1+1ps)p(11ps))=12(ζ(s)ζ(2s)1ζ(s))
を得る。

nZ1n2=92π2nZ1n4=152π2

 平方因子を持つ自然数全体を
Y={4,8,9,12,16,18}
とおくと
nY1ns=ζ(s)(ζ(2s)1)ζ(2s)
が成り立つ。

nY1ns=n=11nsnY1ns=ζ(s)ζ(s)ζ(2s)
とわかる。

参考文献

[1]
S. Ramanujan, Irregular numbers, Journal of the Indian Mathematical Society, 1913, 105 - 106
投稿日:202446
更新日:202446
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投稿者

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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