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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、積分

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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 II, Chap. 14 Infinite Series
・Part IV, Chap. 28 Integrals
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。
 以下簡単のためχを法4の原始的ディリクレ指標とし奇数項の交代和を
k=0(1)kf(2k+1)=n=1χ(n)f(n)
と表すこととします。

級数

Entry 2 (Corollary 1)

 Re(x+y)>1なる複素数x,y,zに対し
n=(1)nz+n1Γ(x+1k)Γ(y+1+k)=πsinπz1Γ(x+z+1)Γ(yz+1)

Entry 4, Corollary

 整数mに対し
n=11n2+z2+z4/n2=π2z3sinh(πz3)3sin(πz)cosh(πz3)cos(πz)n=11n2+(2m)2+(2m)4/n2=112m2+12n=11n2+3m2

Entry 5

 正整数nに対し
k=1sin2n+1(kx)k=π22n+1(2nn)(0<x<πn+12)k=1sin2n+2(kx)k2=πx22n+1(2nn)(0xπn+1)

Entry 16

 非負整数m,nに対し
0sin2n+1xxcos2mx dx=0sin2n+2xx2cos2mx dx=π22m+2n+1(2m)!(2n)!m!n!(m+n)!0sin2n+1xxcos(2mx) dx=0sin2n+2xx2cos(2mx)dx=(1)mπ22n+1(2nnm)

 これは完全に積分ですが、話の流れの都合か"Infinite Series"の項で解説されています。

Entry 17 (Corollary)

 偶奇の異なる正整数m,nに対しl=(m+n)/2とおくと
12+k=1lcos2nπkm+n=m+n22n+1(2nn)
また0m(n1)/2,n>0なる偶奇の異なる整数m,nに対しl=(nm)/2とおくと
12+k=1lcos2nπknm=nm22n+1((2nn)+2(2nm))

Entry 18

f(z)=nAnαnz,g(z)=nBnβnz
およびxy0に対し
f(x)g(y)=nAng(αny/x)αnx+nBnf(βnx/y)βny

Entry18 (Corollary)

 |θ|,|φ|<πなる実数θ,φx/yが純虚数とならない複素数x,yに対し
π2xycos(θx)cosh(φy)sin(πx)sinh(πy)=1+2πxyn=1(1)nncos(nφ)n2+y2cosh(nθx/y)sinh(πnx/y)2πxyn=1(1)nncos(nθ)n2x2cosh(nφy/x)sinh(πny/x)
また|θ|,|φ|<π/2のとき
π4sin(θx)sinh(φy)cos(πx/2)cosh(πy/2)=y2n=1χ(n)sin(nφ)n2+y2sinh(nθx/y)ncosh(πnx/2y)+x2n=1χ(n)sin(nθ)n2x2sinh(nφy/x)ncosh(πny/2x)
π4cos(θx)sinh(φy)sin(πx/2)cosh(πy/2)=φy2x+y2n=1χ(n)sin(nφ)n2+y2cosh(nθx/y)nsinh(πnx/2y)x2n=1(1)ncos(2nθ)(2n)2x2sinh(2nφy/x)ncosh(πny/x)

Entry 19

π2xycot(πx)cosh(πy)=1+2πxyn=1ncoth(πnx/y)n2+y22πxyn=1ncoth(πny/x)n2x2π2xycsc(πx)csch(πy)=1+2πxyn=1(1)nncsch(πnx/y)n2+y22πxyn=1(1)nncsch(πny/x)n2x2π4tan(πx/2)tanhπy/2=y2n=0tanh((2n+1)πx/2y)(2n+1)((2n+1)2+y2)+x2n=0tanh((2n+1)πy/2x)(2n+1)((2n+1)2x2)π4sec(πx/2)sech(πy/2)=n=1χ(n)nsech(πnx/2y)n2+y2+n=1χ(n)nsech(πny/2x)n2x2π4cot(πx/2)sech(πy/2)=12xyn=1χ(n)coth(πnx/2y)n2+y2xn=1coth(πny/x)(2n)2x2

Entry 20

π2z2cot(πz)coth(πz)=14πz4n=1ncoth(πn)n4z4π2z2cosh(πz2)+cos(πz2)cosh(πz2)cos(πz2)=1+4πz4n=1ncoth(πn)n4+z4π2z2csc(πz)csch(πz)=14πz4n=1(1)nncoth(πn)n4z42π2z2cosh(πz2)cos(πz2)=1+4πz4n=1(1)nncoth(πn)n4+z4π8z2tan(πz/2)tanh(πz/2)=n=0(2n+1)tanh((2n+1)π/2)(2n+1)4z4π8z2cosh(πz/2)cos(πz/2)cosh(πz/2)+cos(πz/2)=n=0(2n+1)tanh((2n+1)π/2)(2n+1)4+z4π8sec(πz/2)sech(πz/2)=n=1χ(n)n3sech(πn/2)n4z4π/4cosh(πz/2)+cos(πz/2)=n=1χ(n)n3sech(πn/2)n4+z4

Entry 22(i)

π2xycosh(π(x+y)2)+cos(π(xy)2)cosh(π(xy)2)cos(π(x+y)2)(cosh(πx2)cos(πx2))(cosh(πy2)cos(πy2))=2+4πxy3n=1ncoth(πnx/y)n4+y4+4πx3yn=1ncoth(πny/x)n4+x4

Entry 22(ii)

0cos(2nx)cosh(πx)+cos(πx)dx=k=1χ(k)kcosh(πk/2)enk2

Entry 24, 25

πe2πz2z(cosh2πzcos2πz)=18πz314z2+π4zn=11z2+(z+n)2+4zn=1ne2πn114z4+n4πeπz4z(coshπz+cosπz)=π8zn=11z2+(z+2n+1)24zn=12n+1e(2n+1)π114z4+(2n+1)4

Entry 25(i - ix)

n=1cothπnn3=7π3180n=1cothπnn7=19π756700n=0tanh((2n+1)π/2)(2n+1)3=π332n=0tanh((2n+1)π/2)(2n+1)7=7π723040n=1(1)n1cschπnn3=π3360n=1(1)n1cschπnn7=13π7453600n=1χ(n)sechπnn=π8n=1χ(n)sechπnn5=π5768n=1χ(n)sechπnn9=23π91720320

 ちなみにこれらは一般にBn(x),En(x)をベルヌーイ多項式、オイラー多項式としたとき
k=1cothπkk4n1=(2π)4n12k=02n(1)k+1B2k(2k)!B4n2k(4n2k)!k=0tanh((2k+1)π/2)(2k+1)4n+3=π4n+38k=02n(1)kE2k+1(0)(2k+1)!E4n+12k(0)(4n+12k)!k=1(1)k1cschπkk4n1=(2π)4n12k=02n(1)kB2k(12)(2k)!B4n2k(12)(4n2k)!k=1χ(k)sechπkk4n+1=(π/2)4n+14k=02n(1)kE2k(2k)!E4n2k(4n2k)!
と求まることが知られています。

Entry 25(x)

n=1χ(n)n2(eπn1)+18n=11n2coshπn=5π2961201arctanxxdx

Entry 25(xi, xii)

n=11n2+(n+1)21cosh((2n+1)π)coshπ=12sinhπ(1π+cothππ2tanh2π2)n=02n+125+(2n+1)4/1001e(2n+1)π+1=468911890π8coth25π2

αβ=π系の関係式

Entry 6

φ(t)=k=011+(ta+k)2
とおくとαβ=πにおいて
α(12+k=1(sechαk)2a)=Γ(a)Γ(a+12)β(12+k=1φ(βk))

Entry 7

 αβ=πにおいて
ez2/4α(12+k=1eα2k2cosαkz)=β(12+k=1eβ2k2coshβkz)

Entry 8 (i), (ii)

 αβ=πおよびβt<πにおいて
αk=1sinh2αkte2α2k1+βk=1sin2βkte2β2k1=14αcothαt14βcotβt12t2k=1cosh2αktk(e2α2k1)2k=1cos2βktk(e2β2k1)=16(α2β2)+logsinhαtcosβtt2

Entry 8 (iii)

 整関数φ(z)が良い性質を満たすとき、αβ=πにおいて
k=1φ(αkt)+φ(αkt)k(e2α2k1)+k=1φ(αkt)kk=1φ(βkit)+φ(βkit)k(e2β2k1)k=1φ(βkit)k=(πi2α26+β26)φ(0)+(αt2+βit2)φ(0)t24φ(0)

Entry 8 (Corollary)

 αβ=π2において
αk=1ke2αk1+βk=1ke2βk1=α+β2414(αβ)14k=11e2αk1e2βk=eαβ12

Entry 8 (Example)

k=1ke2αk1=12418π

Entry 9

 [0,h]上の連続関数φに対し
ψ(t)=0hφ(x)eitx dx
とおくとmh/α以下の最大の奇数としたとき、αβ=π/2およびh/α>m1において
αk=1mχ(k)φ(αk)eiαkt=12ik=1χ(k)(ψ(t+βk)ψ(tβk))

Entry 10

 αβ=π/4において
ez2/4αk=1χ(k)eα2k2sinαkz=βk=1χ(k)eβ2k2sinhβkz

Entry 11

 αβ=πおよび|t|<β/2において
α(14cosαt+k=1χ(k)cosαkteα2k1)=β(14+k=1cosh2βkteβ2k+eβ2k)

Entry 12

 αβ=π/2および0<t<π/2αにおいて
αk=1χ(k)sinαktcoshα2k=βk=1χ(k)sinhβktcoshβ2k

Entry 13

 αβ=π2およびn2において
αnk=1k2n1e2αk1(β)nk=1k2n1e2βk1=(αn(β)n)B2n4n

Entry 13 (Corollary)

k=1k5e2πk1=1504k=1k9e2πk1=1264k=1k13e2πk1=124k=1k4n+1e2πk1=B4n+24(2n+1)

Entry 14

 αβ=π2において
αnk=1χ(k)k2n1cosh(αk/2)+(β)nk=1χ(k)k2n1cosh(βk/2)=0

Entry 15

 αβ=π2/4において
2k=1χ(k)arctaneαk+2k=1χ(k)arctaneβk=k=1χ(k)sechαkk+k=1χ(k)sechαkk=π4

Entry 15 (Corollary)

k=1χ(k)arctaneπk/2=π16

Entry 21 (i)

 αβ=π2において
αn(12ζ(2n+1)+k=1k2n1e2αk1)=(β)n(12ζ(2n+1)+k=1k2n1e2βk1)22nk=0n+1(1)kB2k(2k)!B2n+22k(2n+22k)!αn+1kβk

Entry 21 (ii)

 αβ=π2/4において
αnk=1χ(k)sechαkk2n+1+(β)nk=1χ(k)sechβkk2n+1=π4k=0n(1)kE2k(2k)!E2n2k(2n2k)!αnkβk

Entry 21 (iii)

 χを何らかの原始的ディリクレ指標とし
L(s)=n=1χ(n)ns
とおくとαβ=π2において
αn+12(12L(2n)+k=1χ(k)k2n(eαk1))=(1)nβn+1222n+1k=11k2ncoshβk+14k=0n(1)k22kE2k(2k)!B2n2k(2n2k)!αnkβk+12

積分

Entry 1, 2, 3

0eaxsinaxcotx dx=2a2n=1na4+4n40eaxsinaxcothx dx=12a+2an=11a2+(a+2n)20eaxsinax(cotx+cothx)dx=π2sinhπacoshπacosπa

Entry 7, 8

0xsin2axex21dx=πa2n=1ea2/nnn=π2+πn=1e2anπcos(2anπ)0xsin2axex2+ex2dx=πa2n=1χ(n)ea2/nnn=π2n=1χ(n)eanπsin(anπ)

Entry 10

ϕ(t)=0costxe2πx1dx
とおくと
0sintxe2πx1dx=ϕ(t)12t+ϕ(π2t)2π3t3

Entry 11, 14

 ψ(t)
14π+2n=1ncostn2e2πn1=ϕ(t)+ψ(t)
によって定めると
0e2a2tψ(t)dt=πe4πa2e2πacos2πa+1tt2ψ(πt)=r=1(re2πr2/t+j=1e2πr(r+1)/t((2r+j)cosπj(2r+j)t+sinπj(2r+j)t))

Entry 12

 t=a/b>0を既約分数とする。このときa,bが共に奇数であれば
ϕ(πab)=14r=1b(b2r)cos(r2πab)b4abar=1a(a2r)sin(π4+r2bπa)
が成り立ち、またa,bの一方が偶数であれば
ϕ(πab)=14πar=1bsin(r2πab)12r=1br(1rb)cos(r2πab)+b2abar=1br(1ra)sin(π4+r2πba)
が成り立つ。例えば
ϕ(0)=112,ϕ(π2)=14π,ϕ(π)=228,ϕ(2π)=116,ϕ()=0ϕ(π5)=6+545108,ϕ(2π5)=83516,ϕ(2π3)=133(31618π)
となる。

Entry 13

 a>0に対し
0e2a2tf(t)dt=πe4ap
が成り立つとき
f(t)=p2πtte2p2/t

Entry 15

1p01xa1(1xp/(1nx))dx=k=0nk(a+k)k1(p+a+k)k+1

Entry 16

0xs1exsinx dx=2s2Γ(s)sinπs4(Re(s)>1)0xs1excosx dx=2s2Γ(s)cosπs4(Re(s)>0)

 ちなみにより一般に
0xs1eaxsinbx dx=Γ(s)(a2+b2)s2sin(sarctanba)(Re(s)>1)0xs1eaxcosbx dx=Γ(s)(a2+b2)s2cos(sarctanba)(Re(s)>0)
と求まることが知られています。

Entry 17

 |a|π,t>0なる実数a,tに対し
0sinhaxsinhπxdxt2+x2=sinat01xn1+2xcosa+x2dx

Entry 18

 a,b,t>0において
0log(a2+x2b2+x2)costx dx=πt(ebteat)

Entry 19

0t(tx)xdx=n=1(tn)n

Entry 20

0sin2txcoshπx+cosπxdxx=π22n=0(1)ne(2n+1)tcos((2n+1)t)(2n+1)cosh((2n+1)π/2)

Entry 27

 a>0および0b<2において
20sinhbxsinaxe2x1dx=0eaxcotxsinbx dx

Entry 28

 x=0の近傍で
f(x)=n=0u(n)xn,g(x)=n=0v(n)xn
と展開でき、またf(0)=g(0)=Aおよび
limnf(x)=limxg(x)=0
が成り立つときa,b>0に対し
0f(ax)g(bx)xdx=A(ddslogv(s)u(s)|s=0+logba)

Entry 29

 z=0を除くRe(z)0上で正則な関数Fに対しあるα,β<1が存在して
F(z)=O(zα)(z)F(z)=O(zβ)(z0)
を満たすとき
φ(w)=2π0ez2F(zw)dz
とおくと
F(z)=0ew2(φ(wiz)+φ(wiz))dw

Entry 30

0(k=0n111+(x2k+1)2)costx dx=2Γ(n+12)2Γ(n)Γ(n+1)k=0n1e(2k+1)t(1n)k(1+n)k

Entry 31

 0<a<b+1において
0(n=01+(xb+n+1)21+(xa+n)2)costx dx=πΓ(2a)Γ(b+1)2Γ(a)2Γ(b+a+1)Γ(ba+1)n=0e(a+n)t(ab)n(2a)n(a+b+1)n(1)n

Entry 32

 [0,)上の連続関数φが極限値φ()=limxφ(x)を持つとき
lims00sxs1φ(x)dx=φ(0)φ()

Entry 33, 34

 Re(z)0において正則な関数φがあるs>0に対し良い感じの条件を満たすとき
0xs1(φ(ix)+φ(ix))dx=2cosπs20xs1φ(x)dx0xs1(φ(ix)φ(ix))dx=2isinπs20xs1φ(x)dx

Entry 40

01log(1+1+4x2)dxx=π215

Entry 41

 t>0に対しv=utut1とおき
φ(t)=01loguvdv
と定める。このとき
φ(0)=π26,φ(1)=π212,φ(2)=π215
および
φ(t)+φ(1t)=π26
が成り立つ。

Entry 42

0costxx2+1logx dx+π20sintxx2+1dx=0

参考文献

[1]
B. C. Berndt, Ramanujan's Notebooks Part II, Springer, 1989
[2]
B. C. Berndt, Ramanujan's Notebooks Part IV, Springer, 1994
投稿日:2024112
更新日:2024628
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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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